关于地下水封洞库水幕系统试验的讨论
2016-05-30刘静华黄圣楠
刘静华，黄圣楠，陈 刚，胡 成
(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，武汉 430074;2.中国石油集团测井有限公司，西安 710077)
关于地下水封洞库水幕系统试验的讨论
刘静华1,2，黄圣楠1，陈刚1，胡成1
(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，武汉430074;2.中国石油集团测井有限公司，西安710077)
摘要：为了评价洞库水幕系统密封效果，进行了水幕系统效率试验，通过水幕孔在不同水动力状态下的压力变化情况判断其效率值的高低，进而在低效率岩体区域增加水幕孔来改善岩体连通性和渗透性，提升水幕效率值。讨论了水幕系统水平水幕孔效率试验中关键参数临界压力值的求解方法，并以烟台某地下洞库水平水幕孔效率试验为例，应用该方法求解的临界压力值对水幕效率进行判断。试验结果证明，该临界压力值的求解方法有一定可行性，能够准确判断需要补孔的区域，进而显著提升该区域的水幕系统效率值；岩体渗透性与水幕效率关系密切，一般情况下，满足洞室密封要求的岩体的渗透系数在10-7～10-5m/s 范围内；文中临界压力值的求取是在一定假设基础之上完成，在实际工程中还需要进一步完善。
关键词：地下水封洞库; 水幕系统; 水幕效率试验; 水幕系统密封性; 临界压力值
1研究背景
地下水封洞库是在稳定的地下水位以下一定深度的天然岩体中，人工开挖的以岩体和岩体中地下水共同构成储油空间的一种特殊地下工程[1]。洞库修建在稳定地下水位以下可以确保洞室围岩中的裂隙水压力始终大于洞库储存温度下油气的饱和蒸汽压力，既可防止洞库储存的油气随围岩裂隙渗透出，又可保证少量地下水沿着裂隙流入洞库内。由于液态油气较水轻且互不相溶，流入洞库中的水沿着岩壁汇集到洞库底部，形成防止渗漏的水垫层[2-4](如图1)。
图1 地下水封洞库原理示意图Fig.1 Schematic diagram of water-sealedunderground storage cavern
由于天然条件下能够满足地下水封洞库建设条件的位置较少，尤其是在遇到干旱的年份，对于地下水水封密闭效果具有很大的影响[4]。因此，为确保洞室密封性、改善地下水渗流状态，通常在洞室上方一定位置设置人工水幕系统，通过人工注水的方式在洞室上部形成水盖层，提供额外的水头对洞库进行水动力密封，以防止内部气体或液体泄漏[5-6]。
水幕系统主要由在洞室上方的水幕巷道和水幕孔组成，通过在水幕孔中人为提供设定的供水压力，一定间距的水幕孔以线带面，在水幕层平面上形成稳定水头，渗流到岩体的裂隙空隙中[6-8](图2)。
图2 水幕系统示意图Fig.2 Schematic of water curtain system
水幕系统主要有2个作用：①维持了洞室岩体的饱水状态，保障了洞室带压开挖的施工条件，避免因洞室开挖形成降落漏斗进而造成洞室围岩失水；②运营期间通过水幕孔在洞室上方岩体中形成稳定水头，保证洞室密封性[9]。水幕孔主要分为水平水幕孔、垂直水幕孔和倾斜水幕孔[10]。
水幕系统作为地下水封洞库的重要组成部分，对于地下水封洞库的密封性起到了关键作用[11]。如何通过试验手段有效检验和评价水幕系统的密封效果、制定相应的改善水幕系统密封性的工程措施，成为洞库设计、施工领域的一个热点和难点。
水幕系统效率试验是目前评价水幕系统密封性的主要试验方法。由于具有较高的商业价值，目前国内外关于水幕系统效率试验流程及数据处理方法的文献报道较少，本文在烟台某地下洞库水平水幕孔效率试验基础上，总结归纳了水幕效率试验一般流程，并从水封洞库的原理出发，探讨了水幕效率关键判断参数——临界压力值的求解思路。
2水幕系统效率试验
水幕效率是用来衡量一定间距的水幕孔在人工定压供水时维持水幕层岩体稳定裂隙水压力的能力，水幕孔的压力传导效果因岩体导水裂隙发育程度不同而存在一定的差异。若岩体导水裂隙发育程度低、连通性差造成岩体内裂隙水压力低于储库允许的最低储存压力，就可能影响洞库的整体密封性，造成储物的泄漏。
通常，水幕孔布设间距越小、水幕孔数量越多水幕系统的水封效果越好，但实际工程中根据场地地质条件并考虑到成本、工期等因素，水幕孔布设间距通常设计在5～20 m之间。由于岩体裂隙发育程度不同，固定间距的水幕孔在注水条件下产生的裂隙水压力在水幕层岩体中的传导效果也不同。
水幕系统效率试验通过水幕孔在不同水动力状态下的压力变化情况，分析和判断水幕孔之间岩体的连通性和渗透性特征，是针对水幕层岩体水头传导效果差异性的测试。通过效率试验来判断水幕孔布设间距是否满足洞室密封要求，决定是否需要在低渗透性岩体区域增加水幕孔进而缩短孔间距、改善水幕系统密封性。
2.1水幕系统效率试验的一般流程
水幕效率试验一般分为3个不同的水动力阶段(如图3)：
(1) 第1阶段为天然静水压力阶段，在该阶段，关闭所有水幕孔供水阀门，停止水幕供水。观察无注水条件下岩体内裂隙水压力分布情况。
(2) 第2阶段为第1水动力状态阶段，在该阶段，间隔打开水幕孔供水阀门(设定打开奇数号或偶数号水幕孔)，关闭其它孔(偶数号或奇数号)，记录所有水幕孔压力，注意观察阀门关闭的水幕孔的压力值大小。判断注水水幕孔对临近水幕层岩体裂隙水压力的提升能力。
(3) 第3阶段为第2水动力状态阶段，该阶段与第2阶段相反，第2阶段关闭的阀门打开，第2阶段打开的阀门关闭，记录所有水幕孔压力值，注意观察阀门关闭的水幕孔的压力值大小。判断注水水幕孔对临近水幕层岩体裂隙水压力的提升能力。
图3 水幕效率试验各阶段水幕孔状态示意图
图4 临界压力与非注水孔压力对比Fig.4 Critical pressures andnon-injection borehole pressures
2.2水幕系统效率评价标准
通过水幕效率试验，观察非注水水幕孔(观测孔)在相邻水幕孔注水条件下的稳定压力值大小，评价裂隙水压力在岩体中的传导效果，捕捉到水幕层中裂隙连通性、渗透性差的岩体的具体位置。
临界压力值(PC)是评价水幕效率的关键参数，是指在保证洞室密封性的条件下观测孔允许的最小压力值。如图4，若注水孔(孔1，孔3)注水压力在传导至相邻非注水孔后(孔2)的压力值低于临界压力值(P2-1
3临界压力值的求解
临界压力值的求取是准确判断水幕效率高低、评价洞室密封性好坏的关键。临界压力值的大小与很多因素有关，如天然地下水位、水幕孔间距、岩体渗透性、洞室埋深等。笔者从水封洞库的原理出发探讨了水幕系统水平水幕孔临界压力值的求解方法。
水封洞库通常修建在稳定地下水位以下一定深度的天然岩体中。为保证周边地下水位不受洞室开挖的影响，在洞室开挖之前，水幕系统已完成施工并实现供水。根据实际工程经验，由于水幕系统的作用，在洞室开挖及运营期间，天然地下水位位于洞室顶板以上位置。在临界压力值求解过程中，为使洞室获得更好的密封效果，我们考虑这样一种极端情况，即：当天然地下水位位于洞室顶板位置时，单纯依靠水幕系统实现对洞室的有效密封。因此，本文做出以下假设：
(1) 天然地下水位位于洞室顶板位置。
(2) 在水幕系统作用下，洞室在运营期间处于临界状态，达到洞室密封的最低要求。
(3) 洞室岩性为均值且各向同性。
水幕系统效率试验期间，洞室内部无储物，洞室与外界连通，与洞库运营过程中洞室内有一定压力情况不同。因此，应对试验阶段和运营阶段分别进行考虑。
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水幕系统在洞室开挖、洞库运营过程中是以一个整体在发挥作用，通过人工补水的方式在洞室上方岩体中形成一定覆盖面积的稳定、持续的水头值，起到水动力密封作用以防止储物泄露，如图5所示。
图5 临界压力值求解示意图Fig.5 Schematic of solving critical pressure value
如图5(a)所示，洞室在运营过程中水幕巷道充水，水幕孔以稳定压力持续供水。由于天然地下水位在洞室顶板位置，因此，若洞室顶板位置(A2)的水头值大于或等于洞室内储物的储存压力(饱和蒸汽压)，就可以满足洞室密封要求。洞室顶板位置满足密封条件(A1-A2)的临界状态为
(1)
式中：P注水为洞室运营期间水幕稳定供水压力；h为水幕层具有的位置水头；P损1为水头损失；P0为储物储存压力(饱和蒸汽压)。
如图5(b)所示，洞室在试验过程中洞室内无储物且与外界连通，因此，洞室内无压力。试验期间水幕孔间隔供水，为保证洞室密封性，要求水幕系统在水幕孔间隔供水的状态下所能提供的稳定水头值大于或等于临界压力值，试验期间洞室顶板(B2)位置满足密封条件(B1-B2)的临界状态为
(2)
式中P损2为水头损失。
由于裂隙水渗流途径相同，我们认为P损1=P损2，由式(1)和式(2)可求得临界压力值。
4实例分析
4.1数据分析与处理
以LPG水幕巷道2的西侧水平水幕孔3个阶段的效率试验数据为例进行分析，通过上述方法求取观测孔临界压力值，判断水幕孔效率的高低，并根据结果设计水幕孔补孔方案，最后通过试验手段对补孔效果进行验证，评价临界压力值求取方法的可行性。
在洞库运营过程中，LPG以气-液混合的形式储存在洞室内(主要以液态LPG为主)，LPG的储存压力(饱和蒸汽压)约为0.44 MPa，水幕运营期间提供的稳定水头值约为0.80 MPa，根据式(1)、式(2)，求得LPG水幕系统的临界压力值约为0.36 MPa。
4.1.1第1阶段数据分析
在试验第1阶段，水幕孔供水阀门关闭，水幕孔内压力为天然静水压力。从表1中可以看出，孔LWC2-W1至LWC2-W5第1阶段稳定压力值为0，说明这些水幕孔所在岩体保水能力较差，可能是潜在的低效率区域，在试验第2、第3阶段数据分析时应着重注意这些孔。
表1 LWC2-W侧水幕孔试验阶段稳定压力值
4.1.2第2阶段数据分析
试验第2阶段，奇数号水幕孔供水阀门打开，偶数号水幕孔保持关闭状态。在该状态下，偶数号水幕孔作为压力观测孔，若观测孔压力值小于该孔临界压力值，则认为该观测孔为低效率水幕孔。
从图6可以看出，除LWC2-W2, LWC2-W4外，其它偶数号水幕孔稳定压力均高于临界压力。LWC2-W2稳定压力为0 MPa，LWC2-W4稳定压力0.12 MPa，均低于临界压力，因此判断，LWC2-W2,LWC2-W4为低效率水幕孔。
针对低效率水幕孔，通过在其周边布设新水幕孔的方式提升其所在岩体的连通性，增强压力传导效果。根据试验第2阶段数据，增补新的水幕孔，补孔方案如表2所示。
图6 第2阶段水幕孔压力与临界压力对比
孔号位置LWC2-W1aLWC2-W1与LWC2-W2之间LWC2-W2aLWC2-W2与LWC2-W3之间LWC2-W3aLWC2-W3与LWC2-W4之间LWC2-W4aLWC2-W4与LWC2-W5之间
4.1.3第3阶段数据分析
试验第3阶段阀门状态与第2阶段相反，偶数号水幕孔的阀门打开，奇数号水幕孔的阀门关闭。在该状态下，奇数号水幕孔作为压力观测孔，若观测孔压力值小于临界压力值，则认为该孔为低效率水幕孔。
通过图7可以看出，LWC2-W3，LWC2-W5，LWC2-W11这3个孔为低效率孔，在其周边布设新水幕孔，补孔方案如表3。
图7 第3阶段水幕孔压力与临界压力对比
孔号位置LWC2-W2aLWC2-W2与LWC2-W3之间LWC2-W3aLWC2-W3与LWC2-W4之间LWC2-W4aLWC2-W4与LWC2-W5之间LWC2-W5aLWC2-W5与LWC2-W6之间LWC2-W10aLWC2-W10与LWC2-W11之间LWC2-W11aLWC2-W11与LWC2-W12之间
综合3个阶段的数据分析结果，试验第2、第3阶段有3个补孔的位置相同，第1阶段压力降为0的孔通过试验第2、第3阶段数据分析后验证为低效率孔，需要在其周围布设水幕孔。结合试验第2、第3阶段的阶段性补孔方案，最终的补孔方案如表4。
表4 最终补孔方案
4.2补孔效果评价
水幕效率试验的目的是评估水幕孔与洞室之间岩体内裂隙水压力的传导效率，通过在低效率区人为增补新水幕孔对水幕系统结构做出改善，从而达到整体提升水幕效率的目的。补孔完成后，通过一定的试验手段对补孔效果进行验证。
保持增补水幕孔注水状态，同时关闭增补孔两侧水幕孔的供水，将增补孔两侧水幕孔作为观测孔，以评价增补孔在注水状态下对邻近非注水水幕孔压力的提升能力。
低效率水幕孔在增补水幕孔后稳定压力变化情况，如表5。
表5 增补前后低效率水幕孔稳定压力变化情况
由表5可以看出，增补孔对低效率水幕孔在非注水状态下的稳定压力有不同程度的提升，提升幅度最大的达到0.51 MPa，提升幅度较小的有0.30 MPa。除LWC2-W5外，其它水幕孔在非注水状态下的稳定压力不但高于临界压力值，也高于储物的饱和蒸汽压，增补水幕孔对低效率水幕孔效率提升作用明显，能够显著增强水幕岩体裂隙连通性和裂隙水水头传递效果，补孔后能够达到洞室水封要求。
对于LWC2-W5，由于其所在岩体连通性较差，已有增补孔对其效率值的提升能力有限，可在其两侧继续增补水幕孔，通过减小孔间距来改善岩体连通性，进而提升其效率值。
5水幕效率与岩体渗透性关系
低效率区域是指连通性差、裂隙水压力传导效果差的岩体区域。岩体裂隙发育特征及渗透性特征是决定水幕系统效率的主要因素。因此，本文根据水幕孔单孔注水-回落试验结果，尝试从渗透性角度出发，讨论岩体渗透系数与水幕效率的关系。同时，仍以LPG水幕巷道2的西侧水平水幕孔为例进行说明，所有水幕孔均通过注水-回落试验获取其所在岩体的渗透系数。
由表6及图8可知，低效率水幕孔渗透系数较其它水幕孔低，其渗透系数集中在1.02×10-8～2.48×10-8m/s范围内，高效率水幕孔的渗透系数一般大于7.5×10-8m/s。根据试验实际情况，也存在岩体渗透系数很大，造成观测孔稳定压力值很小甚至为0的情况，这与岩体内导水裂隙过于发育、岩体保水能力很差有关，因此，不能单纯地从渗透系数大小出发判断水幕孔效率值的高低。若岩体渗透系数在合理范围内，则可以作为评价水幕孔效率高低的辅助性方法。
表6 水幕效率试验结果与水幕孔渗透系数汇总
注:星号标注的为低效率孔图8 水幕岩体渗透性与水幕孔效率对比Fig.8 Rockpermeabilityofwatercurtainandcorrespondingefficiencyvaluesofwaterboreholes
6结语及存在的问题
(1) 通过文中方法求取的临界压力值，能够准确判断出水幕岩体中潜在的影响洞室密封性的岩体区域，通过在这些区域内增补新孔的方式来缩短孔间距、改善岩体裂隙的有效连通性和渗透性，进而提高洞室整体的密封性。经过试验验证，低效率区域在采取补孔措施后效率提升明显，能够达到洞室密封要求，因此，该方法有一定的可行性及工程应用价值。
(2) 水幕系统水封效果与岩体渗透性有着直接的关系，渗透系数过大或过小都会造成水幕孔效率值偏低，通过相关渗透数据分析，满足洞室密封要求的岩体的渗透系数在10-7～10-5m/s 范围内。
(3) 临界压力值是评价水幕系统效率的重要参数，其值的准确求解对整个水幕系统效率试验极为重要。若求解的临界压力值过大，虽然可以提高水幕系统效率的评价标准，更有助于确保洞室密封性，但可能造成“低效率”水幕孔数量偏多进而大大增加补孔数量，这无疑增加了施工量和工程成本；若求解的临界压力值过小，可能无法准确判断出岩体中的一些低效率区域，在洞库运营过程中有造成储物泄露的可能。本文中临界压力值的求取是在一定假设基础上完成的，洞库在运营过程中的实际情况比较复杂，因此，本文中临界压力值的求解方法仍需进一步完善。
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(编辑：占学军)
Discussion on Efficiency Test of the Water Curtain Systemof Water-sealed Underground Storage Cavern
LIU Jing-hua1,2, HUANG Sheng-nan1, CHEN Gang1, HU Cheng1
(1.School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan430074, China; 2.CNPC Logging Co.,Ltd., Xi’an710077,China)
Abstract:In order to evaluate the tightness of water-sealed underground storage cavern, we carried out test on the efficiency of water curtain system. According to the pressure values of water boreholes at different hydrodynamic levels, we estimated the efficiency of water curtain system, and then by drilling new boreholes in low efficiency area, we could improve the connectivity and permeability of rock mass. Furthermore we present a method of calculating the key parameter, namely critical pressure value, and applied the method to calculate the critical pressure value of a water-sealed underground storage cavern in Yantai as an example. Test results proved that the method of calculating the critical pressure value is feasible. According to the calculated critical pressure value, we can accurately determine the rock area which needs more boreholes. Moreover, rock permeability is closely related with the efficiency of water curtain. In most cases, rock permeability ranging from 10-7m/s to 10-5m/s could meet the cavern’s tightness requirements. The process of obtaining the critical pressure value in this research is based on assumptions and needs further improvement in engineering practice.
Key words:water-sealed underground storage cavern; water curtain system; efficiency test of water curtain; tightness of water curtain system; critical pressure value
中图分类号：TU45
文献标志码：A
文章编号：1001-5485(2016)05-0105-06
doi:10.11988/ckyyb.201501132016,33(05):105-110
作者简介：刘静华(1990-)，男，甘肃平凉人，硕士，主要从事水文地质、工程地质方面的研究，(电话)18602915701(电子信箱)liujh.cc@foxmail.com。
收稿日期：2015-02-03；修回日期：2015-03-30
