您的当前位置:首页正文

某地下水封洞库工程水幕系统设计初步研究

2021-02-05 来源:客趣旅游网
第11卷第4期 2014年12月 长沙理工大学学报(自然科学版) Journal of Changsha University of Science and Technology(Natural Science) Vo1.11 NO.4 Dec.2O14 文章编号:1672—9331(2014)04—0077—06 某地下水封洞库工程水幕系统设计初步研究 辛继勇,许 卫 (中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南长沙410O14) 摘要:人工水幕系统对地下水封洞库长期稳定运行十分重要。结合某地下水封洞库,采用理论分析和数 值计算的方法,对水幕系统的设计进行初步研究。研究表明,施工期水幕孔注水可保证岩体中存在足够的水 封压力,运行期采用注水运行方式可有效控制洞库的涌水量和维持必要的储油压力。最后分析了地质构造 对水幕的影响,并对水幕巷道和水幕孔进行了布置,对排水和补水进行了设计。 关键词:地下水封洞库;水力坡降;水幕;渗压;渗流场 中图分类号:TE822 文献标识码:A Preliminary study on underground water sealed caverns curtain system design XIN Ji~yong,XU Wei (POWERCHINA Zhongnan Engineering Corporation Limited,Changsha 410014,China) Abstract:Manual water curtain is very important for a long—term stable operation of under— ground water sealed caverns.With some underground water sealed caverns,the preliminary research was carried out on design of water——curtain system by theory analysis and numerical calculation.The study showed that sufficient water seal pressure could be maintained by hole of water curtain inj ected with water during constructing period,and surge water a— mount of cave depot could be effectively controlled and necessary oil storing pressure be maintained by water flooding during operating period.At last,effects to water curtain by geologic structure were analyzed,roadways and holes of water curtain were arranged,and water drainage and supplement were designed. Key words:underground water sealed caverns;hydraulic gradient;the water curtain;OS— motic pressure;seepage field 用于储油和储气的地下洞室的关键在于控制 气体渗漏。目前,工程上提高储存洞室密闭性常 用的方法有:围岩灌浆、洞室衬砌、冷冻法以及利 工水幕进行水动力密闭 。人工水幕之所以能密 闭油气,是因为人工水幕可使储存油气的洞室围 岩缝隙中形成指向洞室的渗流,当这些渗流的水 用天然地下水和人工水幕等。工程实践表明,目 前唯一能够完全控制气体渗漏的方法就是利用人 力坡降大于某一临界值时,就可阻止气体进入岩 石缝隙或阻止已进入缝隙的气泡向外运动 。尽 收稿日期:2014—06—26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51109016) 作者简介:辛继勇(1976一),男,湖南常德人,中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司高级工程师,主要从事地 下工程方面的研究与设计工作。 78 长沙理工大学学报(自然科学版) 2014年12月 管这一判别标准非常简单,但是由于岩石缝隙的天 然不规则,气泡在压力水流中的运动规律以及气液 整体上北高南低,与地形变化基本一致。地下水类 型按埋藏条件及赋存介质分为松散岩类孔隙潜水 两相流与围岩应力的耦合问题等十分复杂,使得其 实际应用有较大难度。因此,工程上水幕的设计 应该结合理论计算、现场实验和实践经验进行。 通过收集国内外洞库的资料可知,液化石油 和裂隙潜水;岩体渗透系数以10 m/d为主,受破 碎带影响的岩体渗透系数将提高1个数量级,完 整性较好岩体渗透系数为10 ~10~m/d。 该地下水封洞库布置详见图1。 气地下洞库均设有人工水幕系统;对于储存原油 或成品油的地下洞库,瑞典和我国早期建造的地 下洞库未设水幕系统。瑞典斯德哥尔摩附近一炼 油厂始建于上世纪70年代的260万m。的地下洞 库,位于海平面30 m以下,因在1998年前开始监 测到气体泄漏,目前已完成增设人工水幕的设计 与施工方案,正在组织实施。韩国在济州岛海平 面30 m以下建造的地下水封洞库,1 洞罐未设水 幕系统,2 和3 洞罐设有水幕系统,从2002年8 月 ̄2004年1月的观测资料表明,1 洞罐区苯系 化合物和多环芳烃的浓度比2 和3 洞罐区要高 得多。 随着地下洞库规模的扩大和对储存油品可靠 性要求的提高,近期的大型水封洞库及LPG洞库 都设置了水幕系统。水幕系统设计的主要内容 有:钻孔间距、钻孔与储存洞室间距、水幕孔覆盖 范围和水幕超压等。水幕设计的控制因素主要 有:储油压力与地下水压之比以及与围岩厚度之 比、洞室几何形状和密闭程度要求。水幕系统设计 必须将理论计算与工程经验相结合,同时考虑现场 水力试验,需要结合工程实例开展一定程度的研 究工作,以促进技术水平的提高和行业的发展。 1 工程简介 某地下水封洞库工程设计储油库容为500× 10 m。,包括地下工程和地面辅助设施两部分。地 下工程主要由3个主施工巷道、10个主洞室、10 个操作竖井、8条水幕巷道以及仪器井和补水井组 成。1o条主洞室平行布置,每2个主洞室组成1 个洞罐,洞室之间设连接巷道。 2水幕设置的必要性分析 2.1库址水文地质条件 根据本工程岩土工程勘察报告,库址区水位埋 深O.85~12.85 m,相应高程为4.66--16.75 m,水位 图1 某地下水封洞库工程效果图 Fig.1 Underground water sealed caverns renderings 2.2理论分析 1)地勘报告初步分析。 地勘报告中采用水动力学方法及数值分析初 步预测洞库的涌水量。 水动力学方法采用大岛洋志公式、佐藤邦明 和经验解析法进行计算预测。洞库涌水量计算预 测结果见表1。 表1 洞库涌水量预测表(水动力学法) Table 1 Cavern water inflow prediction table (hydrodynamics method) 地下水数值分析在天然状态地下水渗流场模 拟的基础上,对洞库无水幕条件和设水幕条件2 种工况进行了模拟,结果为:施工期最大涌水量为 630 m。/d,稳定涌水量为610 m。/d;运营期稳定涌 水量约为435 m。/d;水位降落漏斗中心点水位;无 水幕施工期最低水位为一8.7 m,有水幕施工期最 低水位为一3.9 m;无水幕运营期最低水位为 33 m,有水幕运营期最低水位为一4 m左右。 2)专题分析。 为了研究地下水封洞库的渗流场,采用平面 第11卷第4期 辛继勇,等:某地下水封洞库工程水幕系统设计初步研究 79 有限元进行稳定渗流计算,采用三维有限差分方 法进行非稳定渗流数值模拟_2 。选取3个剖面 进行平面有限元计算分析,并考虑水幕巷道、施工 巷道和洞罐开挖完成后对地下水位的影响。三维 数值分析方法对整个场区进行建模分析,岩体渗 透性考虑了表层岩体和岩脉渗透差异性对渗流场 的影响;计算中同时考虑了水幕巷道和洞罐等先 后开挖顺序引起的地下水非稳定渗流过程对渗流 场的影响。 平面有限元计算采用饱和非饱和恒定流计算 程序。平面有限元计算范围从施工巷道外边缘向 外延伸310 m,模型底部高程为一310 m,顶部为 自然高程,模型总长为1 443 m。网格自动剖分为 四边形单元,洞室附近单元适当加密。 三维非恒定渗流采用有限差分计算程序 FLAC3D进行计算。三维数值分析根据计算精度 与实际工程的需要,对研究区进行了不同程度的 加密,地下洞库区及周边剖分最密。三维数值模 型的计算范围为:1 880 m×2 040 m,即从洞库巷 道外边缘向四周外延约500 to_左右。模型考虑了 断层F 和F 对渗流场影响。数值模型剖分为六 面体、金字塔单元和四面体单元。三维数值模型 网格见图2。 图2三维计算整体网格 Fig.2 3D computing grid 初始条件:结合钻孔水位进行初始渗流场拟 合计算。 边界条件:模型底部水平边界设定为不渗透 边界,铅直边界设定为已知水头边界。地下油库 和水幕概化为定水头边界。 水力学模型:各向同性达西流模型。 计算水力学参数:为得到洞库周围岩体渗透 性,勘察单位在初勘和详勘期间进行了大量的岩 体渗透性试验。试验结果表明,表层岩体渗透性 和断层渗透性相对较大,洞库周围的岩体渗透性 较小。同时,岩体在不同埋深处的渗透性差别也 较大,因此,计算时对不同埋深位置的围岩渗透性 按分区分层考虑。 3)洞库涌水量。 施工期洞库的最大涌水量为826 m。/d,稳定 涌水量约686 m。/d。运行期洞库的涌水量为 520 m。/d。 4)渗压分析。 如图3所示,设计水位和拟合水位情况下储 油主洞的开挖,导致洞顶岩体内的渗压快速下降, 大部分测点渗压基本上在储油主洞开挖完成后5 个月左右就基本接近稳定状态,少量测点的渗透压 力基本上在储油主洞开挖完成后9个月左右接近 稳定状态。拱顶岩体中多处测点出现负压,表明岩 体中的地下水在自重作用下被不同程度地疏干。 时间/d 50年,设计水位,k=0.000 25 m/d 图3 洞库拱顶1~5测点渗压变化过程线 Fig.3 Seepage pressure variation of 1——5 measuring point on cave vault 运行期储油开始后,在储油压力和水压力的 作用下,洞周岩体的孔隙水压力逐步上升,经过 15~18个月后,岩体内的渗透压力重新达到相对 稳定的状态。在储油初期,在岩体内原有地下水 和水幕注水综合作用下,初始状态时天然地下水位 面较高位置处的洞库岩体内渗压仍然高于洞库其 他部位的渗透压力。随着储存原油时间的推移,洞 库区岩体的渗透压力分布逐步趋于均匀,随后洞库 储油区岩体的渗透压力大小基本由水幕控制。 5)渗流场分析结论及建议。 ①在施工期不注水的条件下,洞库区出现较 大范围非饱和区,导致洞库水封效果受到一定程 度的影响,因此,水幕孔注水是保证岩体中存在足 够的水封压力的必要条件。 80 长沙理工大学学报(自然科学版) 2014年12月 ②在储油初期,储油后洞库岩体原渗压较低 部位测点渗压在储油后渗压很快达到储油压力; 而渗压较高测点,其渗压在储油后将经历一个缓 慢的降低过程后达到平衡状态。 ③洞库长期运行后,洞库之间的岩体渗压分 布在稳定水压力作用下将趋于一致,因此,采用注 水运行方式可以有效控制洞库的涌水量和维持必 要的储油压力。 ④因为渗透系数取值的不同以及计算模型和 计算假定的差异,各种不同工况洞库涌水量“地勘 报告分析”和“专题分析”结果存在一定的数值差。 综合2份报告的计算成果并参考其他工程经验, 在采取混凝土喷护和防水注浆等处理措施后,施 工期洞库的涌水量取686 m。/d,运行期正常涌水 量取520 m。/d,每百万方储油洞库涌水量为 104 m。/d,基本满足了规范要求。“渗流专题分 析”报告显示,施工期不补水工况下主洞室边壁裂 隙水疏干现象明显。 2.3水幕系统设置必要性与设置方式分析 1)从数值分析计算结果来看,施工期补水能 有效保证储油洞室周边围岩内的孑L隙水压力。 2)水幕系统起到将水幕层的各向异性的含水 介质改为各向同性的含水介质的作用,避免水头 沿着某个快速通道急速下降,从而影响洞室的密 封性。洞库长期运行后,洞库之间的岩体渗压分 布在稳定注水压力作用下将趋于一致,因此,采用 注水运行方式可以有效控制洞库的涌水量和维持 必要的储油压力。 3)设置水幕系统可以取得补充地下水位的主 动权,在地下水位下降后,水幕系统成为一道安全 防护屏障,及时通过补水设备管路、水幕巷道和水 幕孔注水,可以迅速补充地下水,保证洞库密封条 件,使洞库安全运行。 综上所述,水幕系统不仅保证了地下洞库的 储油安全,而且可以保护自然环境,同时运行维护 费用不高,因此,在地下储油洞库中设置水幕系统 是十分必要的。 本工程库址区域地下水位埋深较浅,从地勘 报告地下水数值模拟分析成果看,正常情况下洞 室上方的水头可基本满足地下原油洞罐水封的要 求,设置垂直水幕意义不大。渗流数值分析显示, 施工期周边裂隙水被疏干的现象较明显。考虑到 地下工程的复杂性,不能排除裂隙通道的存在,使 水头急剧下降,或出现极端反常气候造成洞库区 地下水位大幅下降,从而影响洞库水封效果,因 此,有必要在洞罐区顶部一定高度位置设置人工 水平水幕系统。 3水幕系统设计 3.1水幕巷道与水幕孔布置 1)地质构造对水幕的影响。 本工程库址区断层、长大裂隙主要以NW, NE向两组发育,其中,F2,L1,L4,L6,L9为NW 向;F3,L2,L3,L5,L8为NE向;F1为区域性断 层,为近EW向,但位于库外。节理裂隙通过地面 地质和钻孔摄像统计,主要以近EW向最为发育, 其中,长大裂隙L7为近EW向;SN向节理次之, NE,Nw向节理发育一般;缓倾角节理也有发育。 从地质构造特性、主要节理裂隙与水幕孔的 位置关系以及水幕孑L的用途等来看,水平水幕孔 设置时应近南北向,与库址区内断层、长大裂隙有 一定交角,尤其是与区域内优势节理EW向节理 大角度相交,水幕孔能更多地穿过优势节理裂隙 带,并与渗透裂隙及渗透区形成最佳水力接触,对 形成稳定的渗流极为有利。其主要构造与洞室关 系详见图4。 图4水幂主要构造与洞室关系图 Fig.4 Main structure of the water curtain and cavern diagram 2)水幕巷道与水幕孔布置。 储油主洞室与水幕的间距应在保证不出现水 力短路的条件下尽可能小,以确保水幕能作用到 所有可能的路径上。当然,储油主洞室与水幕的 第11卷第4期 辛继勇,等:某地下水封洞库工程水幕系统设计初步研究81 间距也不能太大,间距过大会降低储油主洞室的 最大储油压力。经综合考虑,将水幕巷道布置在 距离主洞室顶部25 m处。 水幕补水井。运行期间,当水幕的水位降到一定 程度时,由液位计传出信号,通过补水井向里自动 补水。 为了提高水幕孔的补水作用和效果,水幕孔 的具体位置、间距宜根据本工程库址区已查明的 施工期应根据洞室开挖揭露的地质条件及渗 漏水量,并结合施工进度合理确定补水时机和补 断层、长大裂隙、节理、岩脉、片麻理和岩体质量等 级等方面有针对性地布置。在地质构造、片麻理 水压力,补水途径可利用施工巷道进行。施工巷 道及所有竖井封堵完成后应结合自然补给情况对 发育、岩脉、岩体质量差的部位宜适当加密。根据 GB 50455—2008 ̄地下水封石洞油库设计规范》有 关规定,水幕孔间距宜为10~2O m,因此,水幕孔 的间距和孔径参考规范并结合地质条件来确定。 本工程设置人工水平水幕系统,地下洞库共 设8条与洞罐垂直的水幕巷道,水幕巷道底板高 程为一55.0 m,洞室尺寸为5 m×4.5 m(宽×高)。 水幕巷道内侧墙上设置水平水幕孔,孔径为 100 mm。水幕孔布置时结合库址区工程地质条件 疏密布置:在地质构造、片麻理发育、岩脉、岩体质 量差的部位按照10 m间距设置;在地质条件较好 的的库址区北部边界和东南部局部区域按照20 m 间距设置。 3.2水幕超压 根据经验和规程规范,地下水封洞库洞罐的 埋深至少在储存压力为o.2 MPa(即20 m水柱)加 上安全水封高度15~20 m深度以下。根据地勘 资料,库区地下水位埋深较浅,相应标高为4.66~ 16.75 m;并且该地区降雨量丰富,地下基岩裂隙 水自然补给条件较好,因此本工程设计地下水位 高程为一lO m,水幕巷道底板高程为一55 m,主洞 室的拱顶标高为一80 m,水幕超压余度较大。 4排水与补水设计 4.1排水设计 综合地勘报告中的洞库涌水量计算预测成果 和围岩渗流分析成果,在合理可靠的封堵后,运行 期主洞室总的涌水量预计约为520 m。/d。 水幕巷道内的水通过岩石裂隙渗入到各洞罐 主洞室内,可通过油水界面检测仪监视洞罐内的 渗水液位,待达到一定高度时启动洞罐内的浸没 式水泵将水抽排出洞外。 4.2补水设计 水幕巷道设有2个井,1个为仪器井,1个为 施工巷道、水幕巷道进行初期补水与试充水,为工 程早日投入运行提供条件。 5 结论 1)专题研究表明,水幕系统起到将水幕层的 各向异性的含水介质改为各向同性的含水介质的 作用,避免水头沿着某个快速通道急速下降。采 用注水运行方式可以有效地控制洞库的涌水量和 维持必要的储油压力。 2)人工水幕孔能更多地穿过优势节理裂隙 带,并与渗透裂隙及渗透区形成最佳水力接触,对 形成稳定的渗流极为有利。 3)设置人工水幕系统的地下洞室涌水量与地 质构造实际发育情况息息相关,断层、节理、裂隙 的分布与性状及处理程度起决定作用。 4)人工水幕系统对地下水封洞库长期稳定运 行十分重要。水幕设计必须将理论计算、工程经 验、现场水力试验和工程监测结合统一考虑,在实 践中完善设计。 下一步可结合地下洞库储存压力和运行方式 进一步探讨设置垂直水幕的必要性。 [参考文献] [1]李仲奎,刘辉,曾利,等.不衬砌地下洞室在能源储存 中的作用与问题[J].地下空间与工程学报,2005, 1(3):350-356. LI Zhong—kui,LIU Hui,ZENG Li,et a1.Effect and problems of unlined underground caverns in energy storage F J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005,1(3):350—356. [2]时洪斌,刘保国.水封式地下储油洞库人工水幕系统 设计及渗流量分析[J].岩土工程学报,2010,32(1): 13O—l37. SHI Hong—bin,LIU Bao—guo.Design and seepage dis— 82 长沙理工大学学报(自然科学版) 2O14年12月 charge analysis of artificial water curtains for water sealed underground petroleum storage caverns in rockEJ].Chinese Journal of Geotechnical Engineer— ing,2010,32(1):130—137. I-3] 蒋中明,冯树荣,曾铃,等.水封油库地下水位动态变 化特性数值研究1,J3.岩土工程学报,2011,33(11): 178O一1785. JIANG Zhong—ming,FENG Shu-rong,ZENG Ling,et a1.Numerical study on variation features of water ta— ble in area of underground rock cavern for oil storage [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33(11):1780-1785. [4] 许建聪,郭书太.地下水封油库围岩地下水渗流量计 算[J].岩土力学,2010,31(4):1295—1302. XU Jian-cong,GUO Shu—tai.Seepage discharge calcu— lation of surrounding rock groundwater in rock car— erns sealed oil storage1,J].Rock and Soil Mechanics, 2010,31(4):1295—1302. [5] 杨举.地下水封油库洞室群应力应变规律与设计优化 研究[D].武汉:中国地质大学,2011. YANG Ju.The stress—strain rules of underground water-sealed oil storage caverns and the optimal de— signs[D].Wuhan:China University of Geosciences, 2Oll_ [6] 袁广祥,吴琦,尚彦军,等.地下水封油库场区膨胀性 蚀变岩的工程地质分析[J].工程地质学报,2010, 18(6):950—955. YUAN Guang—xiang,WU Qi,SHANG Yan-j un,et a1.Engineering geological analysis of altered rocks with expansibility in unlined caverns for underground oil storage1,J].Journal of Engineering Geology,2010, 18(6):950—955. F73 王成虎,郭放良,侯砚和,等.地下水封油库场址地应 力场及工程稳定性分析研究[J].岩土工程学报, 2010,32(5):698—705. WANG Cheng—hu,GUO Qi—liang,HOU Yan-he,et al_In—situ stress field and proj ect stability of under— ground water-sealed oil depots1,J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(5):698—705. [8] 陈祥,孙进忠,张杰坤,等.黄岛地下水封石油洞库场 区地应力场模拟分析[J].岩土工程学报,2009,31 (5):713—719. CHEN Xiang,SUN Jin-zhong,ZHANG Jie-kun,et a1.Fitting analysis of geo—stress field in Huangdao water sealed underground oil tank site E J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(5): 713—719. [9] 张子新,廖一蕾.基于块体理论赤平解析法的地下水 封油库围岩稳定性分析I-J].岩石力学与工程学报, 201o,29(7):1339—1347. ZHANG Zi—xin.LIA0 Yi—lei.Stability anaysis of sur— rounding rock amass of water—tight oil storage using block theory based on trereo—analytical method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(7):1339-1347. '1103 王者超,李术才,薛翊国,等.大型地下水封石油洞库 围岩完整性、变形和稳定性分析[J].山东大学学报: 工学版,2011,41(3):112—117. WANG Zhe-chao,L1 Shu—cai,XUE Yi—guo,et a1.In— tegrity,deformation and stability of a rock mass a— round underground crude oil storage caverns in con— tainment of groundwater[J].Journal of Shandong University:Engineering Science,2011,41(3):112— 117. [11] 赵乐之,刘保国,赵峰.考虑流固耦合的地下储油洞 库稳定性研究[J].地下空间与工程学报,2011, 7(1):155-162. ZHA0 Le—zhi.LIU Bao—guo,ZHA0 Feng.Research on stability of underground petroleum storage cav— erns with consideration of fluid—solid coupling[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engi— neering,2011,7(1):155—162. ,1123 刘青勇,万力,张保祥,等.地下水封石洞油库对地下 水的影响数值模拟分析I-J3.水利水电科技进展, 2009,29(2):61-65. LIU Qing—yong,WAN Li,ZHANG Bao—xiang,et a1. Numerical simulation analysis on influence of water- sealed underground oil storage in rock caverns on groundwater[J].Advances in Science and Technolo— gy of Water Resources,2009,29(2):61—65. [13] Martin C D,Kaiser P K,Chistiansson R.Stress in stability and design of underground excavations[J3. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences。2003(40):1243—1256. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容