垂直水幕作用下扩建地下水封油库布局方式研究

2019-09-10李玉涛彭振华李俊彦

隧道建设(中英文) 2019年8期

李玉涛，张彬, *，石磊，彭振华，李俊彦

(1. 中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083； 2. 中海油石化工程有限公司，山东青岛 266061)

0 引言

我国适宜建造地下水封洞库的场地是有限的[1]，对已建洞库进行扩建既可以充分利用有限的场地，还可以减少重新选址所需要进行的地质勘察等工作。对大型地下水封洞库进行扩建，能与已建洞库共用地面配套设施，能显著降低建设与运营成本。但是，在大型地下水封油库的分期建设过程中，新建地下水封油库可能会对已建相邻洞库的渗流场产生一定程度的影响[2-3]，甚至可能导致已建油库发生油气外泄等安全事故。因此，新建地下水封洞库对已建相邻洞库安全性的影响具有重要的研究价值，但目前国内外对该问题的研究甚少。

水封可靠性是决定地下洞库安全性的重要因素之一[4-5]，地下水位是评价水封可靠性的重要指标。为满足地下洞库的水封可靠性，需在地下洞库上方有一定厚度的稳定地下水覆盖层[6]。在地下水封油库开挖及运营期间，仅靠库址区的天然地下水往往不能满足水封条件，常需要设置人工水幕系统[7-9]，不同的水幕系统布置形式和布置参数会对水封可靠性产生较大的影响。Dai等[10]通过数值模拟方法对水平水幕的功效进行了分析，并研究了水平水幕孔的布置宽度、注水压力、直径以及高程等参数对地下洞库水封可靠性的影响程度；Shi等[11]通过分析现场监测数据，对涌水量、水幕系统注水压力及库址区地下水位3个因素进行相关性研究得出，水平水幕的功效受库址区降雨量以及围岩质量等因素的影响。

相比于传统的水平水幕系统，垂直水幕孔更易于布设，且在相邻地下洞库之间设置垂直水幕还可以起到隔绝相邻洞室之间油品互窜(即串油)的作用。Park等[12]通过研究平泽LPG洞库，提出了采用水平水幕和垂直水幕相结合的方法来满足地下洞库的水封可靠性，垂直水幕在补给地下水位的同时，主要用于防止相邻洞库之间的串油；Gao等[13]通过对LPG洞库水封可靠性的研究得出，在库址区的关键区域，相比于单一地增大水平水幕孔的密度，采用垂直水幕可以更加有效地提高水封可靠性；Li等[14]通过对海岛环境下建造地下水封油库渗流场的研究得出，垂直水幕不仅可以保证地下洞库的水封可靠性，还具有防止相邻洞库间串油的作用。对于大型地下水封洞库分期建设工程，在两期洞库之间设置垂直水幕以减小两期洞库的安全间距，从而实现充分利用场地和降低成本的目的。这一思路是新颖的，且具有研究意义。

本文基于某大型地下水封油库扩建工程，通过有限元数值模拟方法，以两期洞库间距、拟建洞库轴线方向和拟建洞库埋深3个因素为变量，开展涵盖整个洞室尺度的扩建洞库布局方式研究。研究成果可为今后开展类似地下水封洞库扩建工程时，扩建洞库布局方式的设计提供参考依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

某大型地下水封油库在分期建设过程中，已建洞库的规模为500×104m3，由5组100×104m3的洞罐组成，每组洞罐分为2个主洞室，单个洞室的储油规模为50×104m3。地下储油洞室的断面形状为马蹄形，洞顶标高为-30 m，洞室宽度为20 m，高度为30 m，洞室轴线长度为930 m，在已建地下储油洞库上方25 m位置处设置水平水幕。通过对库址区工程地质及水文地质资料的分析可知，库址区地质条件优越，适宜对已建地下洞库进行扩建，扩建工程位于已建洞库北侧，扩建洞库规模为300×104m3，由3组100×104m3的洞罐组成，每组洞罐由2个主洞室组成，单个洞室的尺寸与已建洞库一致。在拟建洞库开挖前，需在洞库上方25 m位置处设置水平水幕。

1.2 地质条件

1.2.1 工程地质条件

库址区的岩性(见图1)主要为第四系全新统万顷沙组(Qω)的砂质黏性土和燕山期晚侏罗系(J)的侵入花岗岩，侵入岩按生成的先后顺序分为石牌岭单元(J3S)和观音庙单元(J3G)。根据钻探揭露情况，从地表向下按岩石风化程度共划分4个风化带，依次为全风化岩带、强风化岩带、中风化岩带和微风化岩带。已建与拟建地下储油洞库的主洞室主要处于微风化的花岗岩体中。

图1 工程地质图

1.2.2 水文地质条件

库址区降雨充沛，年平均降雨量约为2 200 mm，月平均降雨量分布不均匀，主要集中在4—9月。根据岩土体的性质，库址区地下水类型可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水2大类。库址区地下水埋深(见图2)为-5～-27 m，平均地下水位埋深为-15 m，地下水主要以风化基岩裂隙水为主，水位埋藏深度变化大；山间谷地及山前冲积平原地段地下水以孔隙水为主，水位埋藏较浅。通过对库址区部分勘察钻孔进行综合提水试验和分段注水试验，计算得到库址区岩体的渗透系数分布(见图3)。岩体渗透系数基本为10-7～10-9m/s的数量级，并且随埋深的增大而减小。花岗岩渗透系数拟合曲线方程如图3所示[15-16]。

图2 库址区地下水位

图3 渗透系数散点图及拟合曲线

Fig. 3 Scatter plot and curve fitting of coefficient of hydraulic conductivity

2 垂直水幕作用原理及布设参数

2.1 垂直水幕作用原理

目前已建的地下水封洞库对垂直水幕的应用相对较少，且在设置垂直水幕系统的案例中，垂直水幕大多用以防止相邻洞库之间的串油。垂直水幕(见图4)布置在储油洞室一侧，通过对垂直水幕顶部施加一定的注水压力，在主洞室外部形成具有一定压力的“水墙”。垂直水幕的内壁压力为孔顶注水压力加上不同高度上的静水压力，储油洞库的洞壁压力为洞室顶部氮气和油气混合物的恒定压力加上不同高度上油(水)的自重压力。通过对比2种情况的压力曲线可知，垂直水幕压力值大于相同标高处的洞壁压力值，即可以防止油品穿过水幕渗漏到垂直水幕另一侧的洞室。

2.2 垂直水幕布置方式及参数选取

根据《地下水封石洞油库设计规范》[6]可知，垂直水幕孔的孔深应超出洞室底面10 m。库址区已建地下水封油库的主洞室埋深为30 m(见图5)，水幕巷道底部标高为-5 m，即距主洞室顶部25 m，因此在两期洞库之间设置垂直水幕系统时，水幕在垂直方向上布置于水幕巷道底部和主洞室底部超深10 m之间。垂直水幕孔在水平方向上成排布置，相邻水幕孔间距取值为10 m，水幕孔直径为0.1 m。

图4 垂直水幕水封原理图

(a) 三维视图

(b) 剖面图

3 新建地下水封洞库布局方式研究

3.1 几何模型

本文以某大型地下水封油库分期建设工程为依托，采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立三维数值模型(见图6(a)),COMSOL以一般偏微分方程或方程组为基础，凭借高效的计算性能可实现高度精确的数值仿真。模型尺寸为2 500 m×2 500 m×470 m，以已建洞库轴线方向为X轴方向，XY平面为水平面，Z轴为竖直方向。已建洞库由10个互相平行但间距不同的主洞室组成，拟建洞库由6个互相平行的主洞室组成，已建洞库的1号主洞室与拟建洞库的Ⅰ号主洞室相邻，两期洞库上方一定高度处均设置有水平水幕系统。设置垂直水幕模型中，垂直水幕布置在拟建与已建洞库相邻洞室连线的中点位置处。模型网格剖分如图6(b)所示(网格对应模型参数如下：两期洞库间距为200 m，拟建洞库轴线方向为0°，拟建洞库埋深为30 m)。

(a) 三维数值模型

(b) 网格剖分

3.2 控制方程

库址区岩体岩性以花岗岩为主，岩体完整性好，岩体渗透各向异性对地下洞库围岩的变形无影响，对围岩应力场的影响作用较小，可以忽略不计，故建立三维均质模型[16]。均匀介质模型的地下水渗流服从Darcy定律，即以孔隙水压力表示的Darcy公式[17]如式(1)所示。

(1)

式中:vi为地下水渗流速度,m/s；γw为水的重度, N/m3；k为岩石的渗透系数,m/s；p为孔隙水压力,Pa；z为垂直坐标,m；xi为沿x方向的距离,m。

将以上方程结合质量守恒和有效应力原理，控制方程如式(2)所示。

(2)

式中：Sα为岩石储水系数；t为时间,s；Qs为源汇项,m3；φ为孔隙度；u为渗流速度，m/s。

3.3 边界条件及参数选取

数值模型模拟工况是已建洞库为运营工况，拟建洞库为开挖工况，即已建洞库的边界条件按照储油状态设置为压力边界；拟建洞库未储油，设置为0压力边界。根据库址区水位观测孔的数据，以平均地下水位埋深作为模型初始条件，以平均地下水位埋深作为模型初始条件，即模型初始地下水位标高为模型上表面的标高减去平均地下水位埋深值。三维数值模型不考虑降雨补给，顶部为自由边界，模型底部渗透性较弱，故设置为无通量边界。模型四周边界设置为无通量边界。水平水幕设置为压力边界，压力值为0.3 MPa，垂直水幕设置为压力边界，压力值为0.3+ρ水gh，h为距垂直水幕顶部的竖向距离。拟建洞库的布局方式研究通过改变两期洞库间距、拟建洞库的轴线方向(拟建洞库以Z轴为旋转轴，旋转移动后的拟建洞库中心点与已建洞库中心点具有相同的X坐标)和拟建洞库埋深3个因素来实现。模型计算参数取值见表1。主洞室布置图见图7。

表1 模型参数取值表

3.4 数值模型验证

在已建洞库开挖过程中，统计地下储油洞库的总涌水量。根据统计数据可知[3]，已建洞库开挖后的稳定涌水量约为1 700 m3/d。通过调整渗流参数和边界条件，对已建洞库开挖后的数值模型进行校正。通过校准的数值模型，研究了拟建洞库开挖对已建洞库的影响。因此，使用该数值模型来研究水封可靠性是合理的。

图7 主洞室布置图

3.5 结果与分析

3.5.1 两期洞库间距对渗流场的影响

3.5.1.1 地下水位

在拟建地下洞库轴线方向(0°)和埋深(30 m)一定的情况下，两期洞库间距为50、100、150、200、250、300 m时，分别对有、无垂直水幕系统情况进行数值模拟。在X=1 200 m位置处作竖直剖面，对已建洞库1号主洞室和拟建洞库Ⅰ号主洞室上方的地下水位进行统计可知(见图8)： 1)在不设置垂直水幕情况下，随两期洞库间距的逐渐增大，已建洞库与拟建洞库上方的地下水位标高均在不断增加，即两期洞库的水封可靠性均逐渐增高，且已建洞库上方地下水位的增大速率大于拟建洞库，即已建洞库对间距变化的反应更为敏感；2)在两期洞库之间设置垂直水幕系统后，随间距的逐渐增大，已建洞库上方的地下水位逐渐增大，即水封可靠性越来越高，拟建洞库上方的地下水位逐渐减小，即水封可靠性越来越低。拟建洞库上方地下水位下降这一现象是由两期洞库间距增大和垂直水幕位置共同造成的。垂直水幕布置在两期洞库中间位置，随两期洞库间距的增大，垂直水幕距两期洞库的距离也逐渐增大，垂直水幕的补给作用逐渐减小，拟建洞库上方地下水位呈下降趋势；与之相反，随两期洞库间距的逐渐增大，两期洞库的相互影响逐渐减弱，拟建洞库上方地下水位有上升趋势。在垂直水幕起到的作用大于两期洞库间距所产生影响的情况下，拟建洞库上方的地下水位呈现出与无垂直水幕情况相反的变化趋势。

相比于无垂直水幕情况，在间距为50 m时，垂直水幕对地下水位的影响较大。随着间距的逐渐增大，垂直水幕所起到的作用也逐渐减弱。当间距大于300 m时，垂直水幕对洞库上方地下水位的变化已无影响。

图8 不同洞库间距下地下水位变化曲线

Fig. 8 Groundwater level under different distances between two caverns

3.5.1.2 涌水量

在数值模拟中，涌水量通过对地下洞库表面的地下水渗流速度进行积分求得。无垂直水幕和有垂直水幕条件下，不同两期洞库间距对应的地下水渗流速度云图如图9和图10所示。由图9可知：围岩中的地下水渗流速度在水平水幕底部位置处最大，随着两期洞库间距的增大，主洞室表面的地下水渗流速度变化较小，6种间距下地下洞库表面的最大渗流速度分别为6.24×10-8、6.53×10-8、6.29×10-8、6.26×10-8、6.22×10-8、6.16×10-8m/s。由图10可知：围岩中的地下水渗流速度整体增大，最大渗流速度出现在垂直水幕孔的底部位置，且随着两期洞库间距的增大，围岩中的最大渗流速度逐渐减小，6种间距下地下洞库表面的最大渗流速度分别为14.83×10-8、7.33×10-8、8.61×10-8、6.87×10-8、7.28×10-8、6.90×10-8m/s。

(a) 50 m

(b) 100 m

(d) 200 m

(e) 250 m (f) 300 m

图9无垂直水幕不同间距下渗流速度变化云图(单位： ×10-8m/s)

Fig. 9 Nephograms of groundwater seepage velocity under different distances between two caverns and without vertical water curtain system (unit: ×10-8m/s)

(a) 50 m

(b) 100 m

(d) 200 m

(e) 250 m

(f) 300 m

图10有垂直水幕不同间距下渗流速度变化云图(单位： ×10-8m/s)

Fig. 10 Nephograms of groundwater seepage velocity under different distances between two caverns and with vertical water curtain system (unit: ×10-8m/s)

通过对两期洞库的涌水量进行分析可知(见图11)： 1)在不设置垂直水幕情况下，随着两期洞库间距的逐渐增大，地下洞库涌水量均呈现出逐渐增大的趋势，即两期洞库间距较近时，围岩中的地下水快速流向地下洞库，两期洞库相互影响作用较大；当两期洞库间距增大时，已建洞库与拟建洞库之间的相互影响逐渐减弱，地下洞库的涌水量均逐渐增大。2)在两期洞库之间设置垂直水幕系统后，随两期洞库间距的逐渐增大，垂直水幕距1号和Ⅰ号主洞室的距离也逐渐增加，垂直水幕对两期洞库的补给作用逐渐减弱，两期洞库的涌水量均呈现出减小趋势;且间距达到300 m时，两期洞库的涌水量仍明显大于未设置垂直水幕情况，即垂直水幕使地下洞库的涌水量明显增大，且垂直水幕对涌水量的影响随两期洞库间距的增大而减小。

图11 不同洞库间距下涌水量变化曲线

Fig. 11 Water inflow under different distances between two caverns

3.5.2 拟建洞库轴线方向对渗流场的影响

3.5.2.1 地下水位

在拟建洞库埋深(30 m)一定的情况下，拟建洞库轴线方向角为0°、30°、60°、90°、120°、150°时，分别对有、无垂直水幕系统情况进行数值模拟。在X=1 200 m位置处作竖直剖面(见图6(a))，分别对剖面上的孔隙水压力以及地下水位线进行分析。不设置垂直水幕情况下(见图12)： 1)拟建洞库平行于已建洞库布置时(方向角为0°)，拟建洞库上方地下水位下降，未形成明显的降落漏斗；2)拟建洞库轴线方向角为30°时，拟建洞库Ⅲ号和Ⅵ号洞室上方产生了小规模的降落漏斗；3)拟建洞库轴线方向角为60°时，拟建洞库Ⅳ号洞室左上方的降落漏斗距主洞室顶部的距离较小，即水封可靠性较低，拟建洞库Ⅴ号洞室与主洞室顶部相交，即形成了疏干区，无法满足水封可靠性要求；4)拟建

洞库轴线方向角为90°时，拟建洞库右上方形成了3处明显的降落漏斗，其中2处与主洞室顶部相交，即发生疏干现象，无法满足水封可靠性要求；5)拟建洞库轴线方向角为120°时，拟建洞库Ⅲ号、Ⅴ号和Ⅵ号洞室上方有大规模的降落漏斗，但均未形成疏干区；6)拟建洞库轴线方向角为150°时，仅在拟建洞库Ⅵ号洞室上方形成了明显的降落漏斗，其水封可靠性优于拟建洞库方向角为120°的工况。

在设置垂直水幕系统后(见图13)： 1)拟建洞库左侧的地下水位相较于不设置垂直水幕工况呈现出回升的趋势，但拟建洞库右侧位置处的地下水位相较于无垂直水幕工况变化较小；2)不同拟建洞库轴线方向下，拟建洞库上方的降落漏斗及疏干情况与无垂直水幕工况基本一致，即在改变拟建洞库轴线方向的情况下，设置垂直水幕对拟建洞库水封可靠性的影响较小。

3.5.2.2 涌水量

根据图7可知，拟建洞库旋转一定角度后(0°～90°)，受模型界限的影响，拟建洞库左侧距已建洞库的距离也相应减小，即垂直水幕距两期洞库的间距也逐渐减小。通过对两期洞库涌水量数据的分析可知(见图14)： 1)在不设置垂直水幕情况下，旋转拟建洞库，两期洞库的涌水量变化均较小，即拟建洞库的旋转不会对涌水量产生较大的影响；2)在设置垂直水幕后，旋转拟建洞库，拟建洞库的涌水量仍趋于稳定，但已建洞库的涌水量呈现较大幅度的增加，这一现象是因为已建洞库与垂直水幕相邻的有效面积大于拟建洞库，即垂直水幕导致地下洞库涌水量增大的程度受有效相邻面积的影响。

(a) 0°

(b) 30°

(d) 90°

(e) 120°

(f) 150°

图12无垂直水幕不同轴线方向下地下水位线及孔隙水压力云图(单位： MPa)

Fig. 12 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different axis directions and without vertical water curtain system (unit: MPa)

(a) 0°

(b) 30°

(d) 90°

(e) 120°

(f) 150°

图13有垂直水幕不同轴线方向下地下水位线及孔隙水压力变化云图(单位： MPa)

Fig. 13 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different axis directions and with vertical water curtain system (unit: MPa)

图14 不同拟建洞库轴线方向下涌水量变化曲线

Fig. 14 Water inflow under different axis directions of proposed cavern

3.5.3 拟建洞库埋深对渗流场的影响

3.5.3.1 地下水位

在两期洞库间距(200 m)和拟建地下洞库轴线方向(0°)一定的情况下，拟建洞库埋深为10、20、30、40、50、60 m时，分别对有、无垂直水幕系统情况进行数值模拟。对X=1 200 m竖直剖面上的孔隙水压力及地下水位线进行分析可知： 1)不设置垂直水幕情况下(见图15)，拟建洞库埋深为10 m时，Ⅴ号洞库右上方形成了明显的降落漏斗，随主洞室埋深的增加，已建洞库的水封可靠性无明显变化，拟建洞库上方的地下水位距主洞室顶部的距离逐渐增大，降落漏斗逐渐减小，即拟建洞库的水封可靠性逐渐增加；2)在设置垂直水幕系统后(见图16)，因垂直水幕的影响范围有限，Ⅴ号洞库上方的地下水位并未得到有效补给，拟建洞库整体的水封可靠性与无水幕条件相比，未发生明显改变。

在X=1 200 m的竖直剖面上，对已建洞库1号主洞室和拟建洞库Ⅰ号主洞室上方的地下水位进行统计可知(见图17)： 1)在不设置垂直水幕情况下，随拟建洞库埋深的逐渐增加，两期洞库上方的地下水位标高均逐渐减小，但拟建洞库上方的稳定地下水覆盖层厚度逐渐增加，即随着拟建洞库埋深的增加，已建洞库的水封可靠性逐渐降低，拟建洞库的水封可靠性逐渐增高。产生这一现象的原因是，随着拟建洞库埋深的逐渐增加，拟建洞库围岩中的孔隙水压力逐渐增大，地下水向拟建洞库的渗流增强，地下水位下降的更多，因此已建洞库的水封可靠性逐渐降低，但地下水位下降的幅度小于拟建洞库埋深的改变量，故拟建洞库的水封可靠性逐渐增高。2)在设置垂直水幕系统后，随着拟建洞库埋深的逐渐增加，两期洞库的地下水位均趋于稳定，即在拟建洞库埋深变化的情况下，设置垂直水幕系统可以有效地弱化拟建洞库埋深对水封可靠性的影响。

3.5.3.2 涌水量

通过对两期洞库的涌水量大小进行分析可知(见图18)： 1)在不设置垂直水幕情况下，随着拟建洞库埋深的逐渐增加，已建洞库的涌水量逐渐减小，拟建洞库的涌水量逐渐增加，且拟建洞库涌水量的增加速率大于已建洞库涌水量的减小速率，即总涌水量逐渐增加，印证了两期洞库地下水位随拟建洞库埋深增加而逐渐减小的趋势。2)在设置垂直水幕系统后，两期洞库涌水量的变化趋势和不设置垂直水幕情况一致，但洞库涌水量整体有一定程度的增大。综合地下水位的变化情况可知，垂直水幕直接对地下水位进行了补给作用，从而造成了随拟建洞库埋深的逐渐增大，两期洞库的总涌水量也相应增大，但地下水位趋于稳定的现象。