內(nèi)壓對(duì)含軟弱夾層鹽巖儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性影響的研究

喻 超，黃小蘭，，馬洪嶺

(1.武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023;2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北武漢430071)

鹽巖結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低，滲透一般小于10-20m2，力學(xué)方面具有良好的蠕變性可以保證洞庫(kù)的密封性，損傷與自我恢復(fù)的穩(wěn)定力學(xué)性能可適應(yīng)儲(chǔ)存壓力的變化，被世界各國(guó)公認(rèn)為能源儲(chǔ)存和高放射核廢料處置的理想介質(zhì)。西方發(fā)達(dá)國(guó)家都已建起大量鹽巖地下儲(chǔ)氣(油)庫(kù)，用于國(guó)家戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備和商業(yè)油氣儲(chǔ)備。我國(guó)地下鹽巖資源十分豐富，分布范圍廣，埋藏于地下數(shù)十米至4000米，具有良好的建設(shè)地下能源儲(chǔ)存或廢棄物處置庫(kù)的地質(zhì)條件。但與發(fā)達(dá)國(guó)家巨鹽丘構(gòu)造的鹽巖礦床相比，我國(guó)鹽巖層具有層數(shù)多、雜質(zhì)多的特點(diǎn)，鹽巖為層狀分布，內(nèi)含多個(gè)泥巖、泥質(zhì)硬石膏夾層［1］。由于與國(guó)外鹽巖礦床地區(qū)條件不一致，因此，在我國(guó)特殊地層中建腔進(jìn)行長(zhǎng)期能源儲(chǔ)存面臨更加復(fù)雜的力學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。

互層鹽巖體存在層狀不均勻巖性問(wèn)題和不同巖層之間差異變形問(wèn)題［2］，鹽巖與夾層間存在的力學(xué)特性差異及變形不協(xié)調(diào)，會(huì)造成兩種巖性交界處的剪切破壞，影響儲(chǔ)庫(kù)安全性［3］。蠕變?cè)囼?yàn)研究認(rèn)為，層狀鹽巖蠕變過(guò)程中泥巖層對(duì)鹽巖層的蠕變有一定抑制作用，在鹽巖層及夾層交界面上將因蠕變率不匹配而產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，從而影響油氣儲(chǔ)庫(kù)的致密、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性［4］。本文在前期學(xué)者試驗(yàn)研究和理論分析基礎(chǔ)上，從數(shù)值模擬角度，對(duì)含不同夾層厚度鹽巖儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，考慮不同恒壓長(zhǎng)期蠕變情況下，探究腔體內(nèi)壓及夾層厚度對(duì)腔體收縮率、塑性區(qū)發(fā)展等的影響。

1 鹽巖儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

通常地下洞室的穩(wěn)定性準(zhǔn)則主要以相對(duì)收斂變形、收斂變形速率、塑性區(qū)范圍大小和拱頂是否發(fā)生較大塌落等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。如淺埋大跨度的地下工程一般以塑性區(qū)面積、最大塑性區(qū)半徑、拉裂破壞區(qū)面積以及頂部相對(duì)下沉量為標(biāo)準(zhǔn);埋深大、圍巖完好的隧道一般以最大允許位移為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

鹽巖作為一種特殊的巖體，其層狀復(fù)合體表現(xiàn)出與普通層狀巖體不一樣的破壞狀態(tài)，且采用水溶開挖形成的洞室不可能采用傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)增加洞室的穩(wěn)定性及限制圍巖的位移，其穩(wěn)定性評(píng)判準(zhǔn)則與其他巖體有一定的差別。目前對(duì)鹽巖地下儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性評(píng)判內(nèi)容包括［5-7］：局部穩(wěn)定性，整體穩(wěn)定性及可使用性。整體穩(wěn)定性主要指儲(chǔ)庫(kù)群腔間礦柱的穩(wěn)定性，是保障儲(chǔ)庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)的關(guān)鍵。礦柱設(shè)留太大，會(huì)浪費(fèi)大量鹽巖資源，影響經(jīng)濟(jì)效果。如果設(shè)留太小，則會(huì)突跳失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致頂板大面積破壞，致使群腔報(bào)廢。局部穩(wěn)定性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)則包括無(wú)拉應(yīng)力準(zhǔn)則，以及鹽巖的剪脹破壞準(zhǔn)則?？墒褂眯园ㄈ齻€(gè)方面：腔體體積收縮率，地面沉降以及儲(chǔ)庫(kù)的密封性。運(yùn)行期間由于鹽巖的蠕變使得體積發(fā)生收斂減少影響其調(diào)峰能力，甚至不能正常使用，因此腔體的體積收縮率要保證小于某個(gè)值。儲(chǔ)庫(kù)在儲(chǔ)存壓力的變化和上覆巖層的壓力作用下發(fā)生變形，將會(huì)引起地面沉降，進(jìn)而引起地面建筑物的損壞，因此地面沉降亦應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。密封性是保證運(yùn)行期間儲(chǔ)庫(kù)中的油、氣不泄漏。雖然鹽巖自身具有優(yōu)越的力學(xué)性能，但鹽巖與夾層間存在的力學(xué)特性差異及變形不協(xié)調(diào)，在長(zhǎng)期交替壓力運(yùn)行條件下會(huì)造成兩種巖性交界處的剪切破壞，進(jìn)而影響油氣儲(chǔ)庫(kù)的致密、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。

目前雖對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)判有了一些研究，但在各國(guó)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，多數(shù)做法是根據(jù)具體的儲(chǔ)庫(kù)及其巖體力學(xué)特性，預(yù)先設(shè)置儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性的一些標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)試驗(yàn)研究獲得所需參數(shù)，最后通過(guò)數(shù)值計(jì)算確定儲(chǔ)庫(kù)的穩(wěn)定性。

2 層狀鹽巖儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性模擬計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

為比較分析不同夾層厚度對(duì)鹽巖腔體穩(wěn)定性的影響，筆者建立了圓柱形儲(chǔ)庫(kù)的單腔三維模型，模型以?shī)A層的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)(距地表1000 m，即腔體中心埋深)，夾層厚度分別取為2 m，4 m，6 m三種工況，腔體高度為60 m，腔體直徑30 m，腔體上部鹽巖厚度120 m，下部鹽巖厚度120 m，腔外巖體直徑200 m?？紤]到問(wèn)題的軸對(duì)稱性，數(shù)值模擬過(guò)程中選取四分之一腔體作為研究對(duì)象，側(cè)面約束其相應(yīng)的橫向位移，底面約束其豎向位移，頂面施加均布荷載，荷載的大小等于模型上部巖體的自重。所建模型的計(jì)算網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

靜力計(jì)算選用Mohr-Coulomb模型。取層狀鹽巖體的地應(yīng)力為靜水壓狀態(tài)，在約束相應(yīng)邊界并施加上覆巖層靜壓力之后，求解初始應(yīng)力場(chǎng)。隨后對(duì)腔壁及夾層表面施加靜壓力，對(duì)腔體部分進(jìn)行開挖。腔體開挖后，取腔內(nèi)氣體壓力分別為5 MPa，10 MPa，15 MPa，20 MPa四種工況長(zhǎng)期蠕變。鹽巖和夾層的蠕變模型，采用冪函數(shù)指數(shù)模型。

A，n—材料特性;

結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，鹽巖密度取2.30 g/cm3，夾層密度取2.50 g/cm3，重力加速度取9.8 N/kg。鹽巖和泥巖夾層力學(xué)參數(shù)及蠕變參數(shù)選取如表1所示。

表1 數(shù)值計(jì)算力學(xué)參數(shù)［6］

2.2 腔體收縮率計(jì)算結(jié)果分析

研究工作表明鹽巖即使在非常小的偏應(yīng)力作用下，也具有流變特性;鹽巖的蠕變速率是偏應(yīng)力和溫度的高階非線性函數(shù)［8-12］。即只要鹽巖儲(chǔ)存庫(kù)應(yīng)力存在差值，鹽巖溶腔體積減少就不可避免。圖2給出了不同內(nèi)壓工況條件下腔體含不同夾層厚度時(shí)流變20年體積收縮率對(duì)比情況。

圖2 不同內(nèi)壓下含不同夾層厚度腔體蠕變收縮率對(duì)比

從圖2對(duì)比曲線發(fā)現(xiàn)：恒定內(nèi)壓下，隨著夾層厚度的增大，腔體收縮率呈略微上漲，影響并不顯著，且隨內(nèi)壓的增大，影響值愈小。蠕變20年，夾層厚度對(duì)腔體收縮率的影響最大值發(fā)生在內(nèi)壓為5 MPa時(shí)，腔體收縮率分別為45.57%(夾層厚2 m)，46.27%(夾層厚4 m)，46.96%(夾層厚6 m)，最大差值1.39%;當(dāng)內(nèi)壓為20 MPa時(shí)，腔體收縮率分別為0.412%(夾層厚 2 m)，0.424%(夾層厚 4 m)，0.435%(夾層厚6 m)，最大差值不足0.03%。

考慮到相同內(nèi)壓條件下夾層厚度對(duì)腔體收縮率的影響并不太，現(xiàn)選取夾層厚度為4 m情況時(shí)，對(duì)腔體收縮率隨內(nèi)壓的變化情況進(jìn)行分析。如圖3及表2所示。

圖3 不同恒定內(nèi)壓下腔體體積收縮率隨時(shí)間變化曲線

表2 不同內(nèi)壓不同時(shí)間腔體體積收縮率 /%

從圖3及表2可以看出，在恒定內(nèi)壓作用下，溶腔體積收縮率隨時(shí)間而增加，但增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì);隨著內(nèi)壓增加，相同時(shí)間段內(nèi)腔體收縮率顯著減少，當(dāng)內(nèi)壓為20 MPa時(shí)，腔體甚至在前1.5年時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了擴(kuò)張，20年流變腔體收縮率僅為0.42%(當(dāng)內(nèi)壓為5 MPa時(shí)，腔體收縮率高達(dá)46.27%)，可見增加內(nèi)壓對(duì)腔體的體積減少有明顯的抑制作用。從保持腔體體積考慮，在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間，維持較高的運(yùn)行壓力，盡可能降低低壓下運(yùn)行時(shí)間，對(duì)腔體的可用性是有利的。

體積收縮率是保證溶腔儲(chǔ)庫(kù)正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。儲(chǔ)庫(kù)在運(yùn)行期間，由于鹽巖的蠕變使得體積發(fā)生收斂，進(jìn)而影響儲(chǔ)庫(kù)的正常使用。目前通常規(guī)定儲(chǔ)庫(kù)運(yùn)行5年后腔體體積收縮率控制在5%范圍之內(nèi)作為儲(chǔ)庫(kù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［5，6］。由表 2可知，當(dāng)內(nèi)壓大于10 MPa時(shí)，從收縮率角度評(píng)價(jià)，腔體滿足穩(wěn)定性要求。

2.3 塑性區(qū)及位移矢量計(jì)算和分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨夾層厚度增加，夾層位置處變形呈增大趨勢(shì)，但隨內(nèi)壓的增加，這種變形增大趨勢(shì)明顯減小，內(nèi)壓達(dá)到15 MPa時(shí)，影響值已不明顯;圍巖塑性區(qū)對(duì)夾層厚度的變化反應(yīng)并不明顯?，F(xiàn)以?shī)A層厚度為4 m情況進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 不同內(nèi)壓時(shí)20年蠕變圍巖塑性區(qū)及位移矢量分布

由4圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著溶腔內(nèi)壓的增加，腔周塑性區(qū)及位移量明顯減小。當(dāng)腔體內(nèi)壓達(dá)到或超過(guò)10 MPa時(shí)，溶腔圍巖已無(wú)明顯破損區(qū)，說(shuō)明溶腔內(nèi)壓大小對(duì)腔體的穩(wěn)定性有較大影響。從位移矢量分布圖可以看出，較大的位移主要集中在腔體開挖面上，向腔內(nèi)方向移動(dòng)，從開挖面到圍巖內(nèi)部，位移逐漸減小。由于泥巖強(qiáng)度和剛度相對(duì)鹽巖均較低，因此在夾層位置變形較大。另外在腔體底面和頂面均出現(xiàn)較大位移，且愈靠近腔體中心位移愈大，這可能導(dǎo)致大幅度的底板隆起和地表沉降。

3 結(jié)論

本文建立了含不同夾層厚度的圓柱形儲(chǔ)庫(kù)單腔模型，考慮不同恒壓作用下長(zhǎng)期蠕變，分析了運(yùn)行內(nèi)壓及軟夾層厚度對(duì)鹽巖腔體穩(wěn)定性的影響，得到以下基本結(jié)論。

3.1 在恒定內(nèi)壓作用下，溶腔體積收縮率隨時(shí)間而增加，增長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì);隨著內(nèi)壓增加，相同時(shí)間段內(nèi)腔體收縮率顯著減少。因此在儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間，維持較高的運(yùn)行壓力，盡可能降低低壓下運(yùn)行時(shí)間，對(duì)腔體的可用性是有利的。

3.2 隨著溶腔內(nèi)壓的增加，腔周塑性區(qū)明顯減小;當(dāng)腔體內(nèi)壓達(dá)到一定值時(shí)(本文為10 MPa)，溶腔圍巖已無(wú)明顯破損區(qū)，說(shuō)明溶腔內(nèi)壓大小對(duì)腔體的穩(wěn)定性有較大影響。

3.3 同恒壓作用下，隨著夾層厚度在一定范圍內(nèi)增長(zhǎng)(本文夾層厚度最大值與最小值比值為3)，腔體收縮率呈略微上漲，影響并不顯著，且隨內(nèi)壓的增大，影響值愈小。

3.4 隨夾層厚度增加，夾層位置處變形呈增大趨勢(shì)，但隨內(nèi)壓的增加，這種變形增大趨勢(shì)明顯減小，當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到一定值時(shí)(本文為15 MPa)，影響值已不明顯;而圍巖塑性區(qū)對(duì)夾層厚度的變化反應(yīng)并不明顯。

3.5 腔體較大位移主要集中在開挖面上，向腔內(nèi)方向移動(dòng)，從開挖面到圍巖內(nèi)部，位移逐漸減小;因夾層力學(xué)特性與鹽巖不匹配，夾層位置出現(xiàn)較大變形。

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