强烈非均质裂隙介质优先流及其工程意义——以HN地下水封洞库为例

刘 忠,赵 晓,李渊博,曹孟雄*

(1.中国石油化工股份有限公司工程部,北京 100728; 2.安庆国储石油基地有限公司,安徽 安庆 246199; 3.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430078)

存在不同级次的裂隙网络是自然低渗岩体的基本特征,裂隙介质中的优先流现象具有普遍性,在某些地质灾害预测和地下工程设计等领域中不可忽视。裂隙介质优先流是指在岩石中存在裂隙网络时,水或其他流体首先通过裂隙流动的现象,研究裂隙介质优先流对于理解地下水流动、地下水污染物运移等方面的问题非常重要[1-2]。裂隙介质中的裂隙网络是裂隙介质优先流的基础,研究人员通过野外观测、岩心分析和地球物理勘探等方法,探索裂隙网络的几何形态、尺度分布和连通性,了解裂隙网络的特征将有助于理解优先流行为的发生机制,可为数值模拟提供基础参数支持[3-5]。裂隙介质中的优先流行为通常表现为非均匀的流速分布和选择性的流动路径,研究人员使用室内实验和数值模拟来研究其流速分布的统计性质、尺度效应和渗透性对流动的影响[6-7]。此外,研究人员还关注裂隙介质中的渗透性梯度、裂隙连通性和流固耦合作用对流体流动路径选择的影响,结果发现优先流现象是各种尺度下影响地下水渗流场的重要因素[8-14]。在裂隙介质中,流体的流动主要限制在低渗透岩石基质包围的高导水性的裂隙网络中[15],甚至水流几乎全部经由隙宽较大的通道运动[16-18],大裂隙常形成优先流动路径[19-20]。

在地下工程建设中,裂隙介质优先流可能导致快速的涌水突水现象和污染扩散,因此研究裂隙介质优先流对于准确评估和防治工程中的地下水渗流问题具有重要意义。此外,开展强烈非均质各向异性介质地下水渗流模拟通常涉及复杂的地质结构和水文特征,因此需要灵活的剖分方法来适应不规则的地质形状和边界条件。而非结构化网格可以根据地质条件灵活地调整网格大小,以更好地捕捉地下水流动的特征。对于地下水封洞库工程而言,尽管目前已有不同的地质选址方法作为技术支撑[21-23],但国内外的工程实践表明,完全规避低渗岩体中的断层、节理等构造裂隙是不可能的。这些不连续面常常构成地下水渗流的优先通道,会对工程安全造成不可忽视的影响:①可能形成开挖洞室的充水来源,增大洞室涌水量,增加工程运营排水和污水处置的成本;②增大了灌浆防渗难度[20,24-25];③优先流“快速度、小梯度、易疏干”的特征不易满足储品水封安全性的基本条件[26-27]以及Goodal等[28]提出的判别准则,是储品泄漏的风险点。

本文以HN地下水封洞库为例,采用FEELOW地下水模拟工具对洞库库区范围内的不良地质进行非结构化网格的剖分,用来刻画不良地质现象,并与结构化剖分结合构建出较为符合实际的工程场区尺度的地下水渗流模型;根据各个阶段不同工况的模拟,将地下水流场与压力场结合进行优先流的判别,分析优先流的存在对实际洞库项目的影响,准确刻画三维地下水渗流场,并判断分析优先流对洞库水封条件的影响。

1 工程背景

1.1 工程概况

HN石油储备地下水封洞库工程设计库容为500×104m3,地下工程部分共设置有4组洞罐,每2个洞室为1组洞罐,共计8个主洞室;主洞室轴线方向为70°,顶板标高为-80 m,设计截面形态为直墙圆拱形,截面尺寸为宽20 m、高30 m;主洞室顶板以上25 m处设置水幕系统,垂直主洞室布设水幕巷道7条,平行主洞室布设水幕巷道2条。

1.2 工程地质条件

该地下水封洞库库址区内的地层岩性可分为3大类:①第四系沉积物;②燕山期早白垩世花岗岩;③岩脉。

库址区及其周边调查区域范围内揭露了3条断层、2条破碎带和5条节理密集带,其中3条断层、2条破碎带和5条节理密集带位于库区内。尽管这些断层的规模较小,但它们对地下水径流排泄可能会产生重要影响。此外,节理密集带和破碎带也可能对地下水的流动起到阻碍或改变流向的作用。在库址区及其附近区域发育了3条断层,其中F1断层是一条压扭性逆冲断层,断面为波段面,断层周围的岩石发生了蚀变;F4断层是一条压扭性逆冲右行走滑断层,断层影响范围较大,导致岩体破碎和绿帘石化现象的发育;F5断层是一条压扭性逆冲右行走滑断层,与F1断层斜交,并可能对地下水的径流排泄产生影响。除了断层之外,在库址区域内,还发育了多条节理密集带,其中J1节理密集带具有较大的规模和延伸长度,伴随该节理密集带发育了优势节理裂隙;J2、J3、J4和J5节理密集带的存在也可能导致地下水流动路径的改变和局部岩体破碎。这些节理密集带的影响宽度和程度不同,但都对地下水的径流排泄产生一定的影响。此外,在库址区附近的P2和P4破碎带中,岩体裂隙发育较强,但规模相对较小,对地下洞室的影响较小。

总体而言,该地下水封洞库库址区的不良地质条件,包括断层、节理密集带和破碎带,可能对地下水的径流排泄产生复杂的影响,这些地质特征可能会导致地下水流动路径的改变、地下水水位的变化以及局部岩体破碎等现象。因此在工程施工工况下,需要考虑这些不良地质条件对地下水管理和排泄策略的影响,以确保工程的稳定性和安全性。

图1为各不良地质地段位置分布图。

图1 HN地下水封洞库水文地质简图Fig.1 Hydrogeological sketch of HN underground water-sealed cavern

1.3 水文地质条件

该地下水封洞库库址区内的含水介质主要是燕山期细粒二长花岗岩、中细粒正长花岗岩和第四纪覆盖层,地下水主要以松散岩类孔隙水、浅层风化网状裂隙水、深层脉状裂隙水等形态存在。其中松散岩类孔隙水赋存于第四纪松散覆盖层中;浅层风化网状裂隙水主要赋存于花岗岩强风化带及中风化带浅部;深层脉状裂隙水主要赋存于花岗岩中风化带中深部及其以下的岩体中。场地钻孔内地下水水位埋深-0.86～45.4 m,高程7.21～116.29 m,平均高程60.14 m。库址区地下水水位标高基本受地形控制,地下水等水位线与地形起伏基本一致。区内年降水量变化范围大致为1 600～2 600 mm,1981—2010年间年平均降水量为1 425.4 mm。

2 水文地质概念模型建立

2.1 模拟范围确定

本次模拟以地下水分水岭以及河流作为划分依据,利用水文流域分析及水文地质图得出模拟范围,其范围东西宽约为4.3 km,南北长约为8.1 km,总面积约为34.8 km2,地面海拔高程为6～298.773 m,由于原有主洞室底板设计标高为-110 m,故将模拟区域最低处标高设定为-130 m。

2.2 边界条件设置

研究系统的边界是系统与外界进行交换的通道,决定着系统内部的补给与排泄,因此确定边界具有重要的意义。系统的边界主要包括侧向边界与垂向边界,在模拟区域这个大的系统内部又存在着水幕与主洞室这样小的内部系统,因此又可划分出内部边界。具体边界设置如下:

1) 侧向边界:北部为模拟区地势最高处,且有流量通过北部汇入,故将其作为第二类边界;东部地势低,存在河流,将其视为第一类边界;南部为皖河,将其表层1～2层设置为第一类边界,皖河南部为长江,故将南部边界下层3～18层设置为第二类边界。

2) 垂向边界:上部边界主要接受大气降水补给,由于大气降水是模拟区内地下水主要的补给来源,故将模型上部边界设置为净降水补给边界;底部边界设置为隔水边界;在模拟区范围内由于存在水库以及大面积的湖泊,将其视为第三类边界,部分区域位置低,设置了排水沟,故将其作为出渗边界。

3) 内部边界:在施工过程中,进行了水幕巷道、水平水幕孔以及主洞室的施工,因此在施工期将水幕巷道与主洞室作为第三类边界处理,将水幕孔作为定水头边界,而在运营期将主洞室作为第三类边界处理,水幕孔作为定水头边界。

2.3 含水层概化

该地下水封洞库库址区的含水介质主要为西部与南部的陆相冲积物、洪积物、沉积物以及遍布整个研究区的全强风化、中风化、微风化花岗岩,模拟区内地下水主要赋存类型为松散岩类孔隙水、浅层网状裂隙水、深层脉状裂隙水。研究区表层覆盖的第四系松散沉积物主要为冲积物、洪积物、沉积物,将其概化为一层,并将其中的松散岩类孔隙水在模型中概化为潜水含水层;考虑到其下的浅层裂隙水含水层渗透性较差,故将其概化为相对隔水的透水层,因而深部裂隙水可在模型中概化为承压水。从整体上讲,研究区内含有多个较好的含水层,其中潜水含水层(即第四系含水层)的分布不规律且不连续,承压水含水层的分布广泛且具有整体性,主要存在于微风化花岗岩之中,因此可将研究区地下水概化为非均质各向异性三维潜水流。

2.4 模型离散

本次模拟主要是使用FEFLOW中的Triangle法进行网格剖分。剖分时将水幕巷道、水平水幕孔、主洞室等处适当加密,其余网格尽量保持大小一致,并对网格生成的非结构化网格进行质量优化处理,以确保网格的形状和大小适合数值模拟,从而避免数值误差和稳定性问题。模型垂向上分为19层,其中第11层和第13层为水幕巷道层,第12层为水平水幕孔层,水幕巷道顶层高程值为-49 m,水幕巷道底层高程值为-55 m,水平水幕孔高程值为-54 m;第15层至第18层为主洞室层(-80～110 m),每层高度均为10 m,模型的底面高程为-130 m。网格剖分完成后选取的剖面见表1。

表1 模型各层面标高

地下水封洞库模拟区三维高程视图见图2。

图2 地下水封洞库模拟区三维高程视图Fig.2 3D elevation map of the simulated area of under- ground water-sealed cavern

2.5 模型赋值

根据水文地质试验获取的参数进行分区并赋值,并根据勘察资料显示场区内岩体渗透系数具有的分区现象,以及结合物探分析成果可知该地下水封洞库库址区东北侧整体处于低阻范围,另外由库址区地质调查分析可知库址区东侧岩体节理裂隙较发育,岩体较破碎。因此,基于以上分析,并结合钻孔所在位置与各钻孔的渗透系数,将地下洞库主洞室所处的区域分为两个不同的区域,即将主洞室左侧定为Ⅰ区,主洞室右侧定为Ⅱ区,主洞室右侧Ⅱ区岩体的渗透系数较主洞室左侧Ⅰ区的渗透系数大一个数量级,并且在后续模型建立的过程中,主洞室以外区域的参数均参照主洞室左侧Ⅰ区的参数作为赋值所使用的基准值,如图3所示。

图3 地下水封洞库库址区岩体的渗透系数分区示意图Fig.3 Partition diagram of permeability coefficient of rock mass in the site area of underground water-sealed cavern

场区内局部岩体裂隙发育,在库址区洞室范围内发育有3条近南北向断层、5条节理密集带以及2条破碎带,通过对上述钻孔与断层及节理密集带等不良地质位置的相互关系以及压水试验所得的岩体渗透系数进行分析可知,断层F1、F4、F5,节理J1、J2、J3、J4、J5,破碎带P2、P4影响范围内的岩体由于受到地质构造的影响导致岩体渗透系数明显变大,影响范围外的岩体由于受到地质构造的影响导致渗透系数明显变小,通过分析地质构造影响范围内钻孔的渗透系数,对断层、节理影响带以及破碎带的渗透系数进行赋值,如表2所示。

表2 地下水封洞库库址区断层、节理密集带以及破碎带渗透系数

2.6 模型校验

将模拟区多年天然流场概化为稳定流模型,利用水文地质调查点水位以及钻孔内水位高程等地下水水位数据作为参照标准,对研究区的水文地质参数、边界条件、源汇项等反复进行调整,使地下水模拟水位与实测水位拟合,并通过对比模型中各钻孔的模拟水位与调查的实测水位,结果显示模拟水位与实观测水位拟合情况较好,如图4所示。

图4 模拟水位与实测水位拟合图Fig.4 Fitting diagram of simulated water level and measured water level

拟合完成后的研究区天然流场如图5所示。

图5 拟合后的研究区天然流场示意图Fig.5 Schematic diagram of fitted natural flow field in the study area

3 强烈非均质裂隙介质优先流与地下水封洞库水封条件评价

地下水渗流问题是地下水封洞库工程从选址到设计、施工和运营中都应重点关注的内容。是否拥有良好的地下水补给条件以及因施工等情况引起的地下水封洞库区域地下水水位下降、裂隙水流失,是否在洞室上方存在足够高度的地下水,都关系着地下水封洞库的水封效果,断层及节理密集带等不良地质条件的存在对于整个洞库工程项目都有着一定的影响。

表3 不同工况观测点水力坡度值

图6 主洞室顶层观测点具体位置示意图Fig.6 Schematic diagram of specific location of observation points on the top floor of the main cavern

在上述两种工况条件下,利用模拟生成的水头等值线进行裂隙介质优先流的判别,根据相对应的水头值来计算水力梯度,判断该地下水封洞库的水封条件。本文选取部分和全部防渗施工完成后的主洞室水头等值线剖面进行了展示,如图7、图8所示。

图7 部分防渗施工完成后主洞室水头等值线剖面图Fig.7 Section view of water head of main cavern after the completion of the partial seepage prevention construction

图8 全部防渗施工完成后主洞室水头等值线剖面图Fig.8 Contour view of water head of main cavern after the completion of all seepage prevention construction

由图7和图8可知,两种工况下主洞室的水头等值线表现较为一致,即流场的整体形态并没有因防渗与否产生较大的变化。故本文选择全部防渗施工完成后的地下水流场平面图进行了展示,如图9所示。

图9 全部防渗施工完成后地下水流场平面示意图Fig.9 Plan diagram of underground water flow field after the completion of all anti-seepage construction

通过对潜水面与浅层水头等值线的观察可以明显发现,断层及节理密集带等不良地质地段所产生的优先流对地下水流场产生了一定的影响。具体表现为:浅层水头等值线发生了明显波动,而深层水头等值线较平滑,但是仍然存在着水头上的差别。通过对主洞室顶层5个观测点的水头观测,可以看出不同工况之间水头的差别,见表4。

表4 不同工况下主洞室各观测点水头

由表4可知:断层及节理密集带条带处所形成的优先流在未做防渗处理的情况下水头值下降较多,影响其涌水量数据,但根据安全性计算与水力梯度计算可得,在存在水幕系统且主体进行防渗处理的情况下,是否对不良地质地段进行防渗处理都不影响地下水封洞库的水封条件;但是在主洞室右侧Ⅱ区区域地下水水位下降大,产生较大的降深,可能导致部分裂隙疏干。在各层持续施工的过程中,涌水量同样存在着差别,主洞室总的涌水量以及断层及节理密集带等不良地质地段涌水量的数据如图10和11所示。

图10 部分防渗处理情况下主洞室施工期涌水量Fig.10 Water inflow of main cavern during construction period under partial anti-seepage treatment

主洞室施工期涌水量数据(图10和图11)显示:主洞室涌水量和不良地质地段涌水量随着施工的进行呈现周期性的变化,且断层及节理密集带等不良地质地段的涌水量占据主洞室整体涌水量的60%～70%,为主要的排泄途径;但对不良地质地段进行防渗处理后,不良地质地段的稳定涌水量减少了约371 m3/d。

图11 全部防渗处理情况下主洞室施工期涌水量Fig.11 Water inflow of main cavern during construction period under all anti-seepage treatment

4 结 论

本文以HN地下水封洞库为例,采用结构化剖分水平各层与非结构化剖分断层及节理密集带相结合的方式建立了地下水水流模型,模拟了施工期与运营期断层及节理密集带等不良地质地段是否进行防渗处理等多种工况,并利用水头等值线与压力等值线进行了强烈非均质裂隙介质优先流的判断与分析,同时结合涌水量与降深等数据判断优先流对洞库水封条件的影响,得到的主要结论如下:

1) 通过分析水头等值线和压力等值线发现,不良地质地段形成的优先流会导致浅层水头等值线发生明显的波动,并且对深层水头值产生一定的影响。这表明不良地质条件可能会对洞室的水流状况产生重要的影响。

2) 通过对是否防渗处理两种工况进行模拟分析可知,主洞室开挖后涌水量的主要排泄途径为断层及节理密集带等不良地质处,断层及节理密集带等不良地质地段的涌水量占据了主洞室全部涌水量的60%以上,虽经防渗处理后涌水量减小,但在当前的防渗等级下,断层及节理密集带等不良地质地段的涌水量数值仍较高,需提高防渗等级,采取有关工程措施以降低主洞室内涌水量。

3) 对于主洞室右侧Ⅱ区(指特定区域)的地下水水位下降情况需要密切关注,以防止部分裂隙疏干,从而影响主洞室的水封性,这意味着需要对主洞室内的裂隙进行维护,以确保其封闭水流的能力。