水幕參數(shù)對地下水封石油洞庫的涌水量影響分析

嚴(yán)冬青 任旭華 張繼勛 王海軍

（1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029）

地下水封洞庫的儲油方式，自20世紀(jì)50年代在瑞典首次應(yīng)用以來，因具有安全、儲存量大、對地面環(huán)境影響小、少占耕地、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在北歐、韓國、日本等國家和地區(qū)已建設(shè)若干座類似的油庫.我國在20世紀(jì)70年代開始陸續(xù)設(shè)計(jì)建設(shè)了一批地下水封儲油洞庫［1］.

早期建設(shè)的水封油庫一般都未設(shè)水幕系統(tǒng).為了提高水封油庫的可靠性，近期新建的大型水封洞庫都設(shè)有水幕系統(tǒng).水幕系統(tǒng)的設(shè)置可以有效維持洞庫頂部的地下水位，確保洞庫水封壓力長期穩(wěn)定.洞庫的涌水量可以作為評價庫址優(yōu)劣、排水設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，過大的涌水還會增加洞庫的運(yùn)營成本.《地下水封石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］中規(guī)定水封石油庫處理后的日涌水量，每100萬m3庫容不宜大于100m3.人工水幕的設(shè)置勢必會影響水封洞庫的涌水量，研究不同的水幕設(shè)計(jì)參數(shù)對涌水量的影響規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義.人工水幕設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括：人工水幕距洞室頂部高度、水幕鉆孔間距、水幕鉆孔注水壓力、水封幕覆蓋范圍（本文未涉及）［2］.此外洞庫頂部距穩(wěn)定地下水位的埋深也是影響涌水量的重要因素.

1 滲流分析方法［3］

將巖體視為均質(zhì)各向同性等效連續(xù)介質(zhì)，運(yùn)用二維有限單元法進(jìn)行滲流的數(shù)值計(jì)算.

1.1 滲流基本方程和定解條件

二維均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的穩(wěn)定滲流控制方程

式中，h為水頭函數(shù)，k為滲透系數(shù)，Q為源或匯項(xiàng).

其定解條件包括初始條件和邊界條件.其中初始條件

邊界條件（包括水頭邊界和流量邊界）

式中，h0（x，z，t）為初始時刻滲流區(qū)域內(nèi)的地下水位分布，h1（x，z，t）為已知水頭邊界上的水頭，qn為已知流量邊界上的流量.

1.2 有限單元法計(jì)算公式

穩(wěn)定滲流有限單元法計(jì)算公式

式中，［K］為總滲透系數(shù)矩陣，｛h｝為水頭向量列陣，｛F｝為右端項(xiàng)列陣.

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某地下水封石油洞庫工程是我國在建的第一個大型國家戰(zhàn)略石油儲備庫，設(shè)計(jì)庫容300萬m3.地下工程主要包括2條施工巷道、9個主洞室、6個豎井及5條水幕巷道.其中9個主洞室平行設(shè)置，每3個主洞室組成一個罐體，共3個洞罐組.主洞室設(shè)計(jì)底面標(biāo)高為－50m，洞跨20m，洞高30m，長度為484～717m，洞室截面為直墻圓拱形.相鄰主洞室之間設(shè)計(jì)凈間距為30m，主洞室與相鄰施工巷道之間設(shè)計(jì)凈間距為25.25m，水幕巷道布置在主洞室頂面以上25 m（標(biāo)高為5m）處，每間隔10m布置水幕鉆孔.布置情況如圖1所示.

2.2 模型及邊界條件

利用大型商業(yè)軟件ABAQUS建立二維平面有限元計(jì)算模型.模型由9個主洞室組成，不考慮施工洞，模型的左右方向計(jì)算范圍從洞室外邊緣向外延伸400m，底部范圍從洞室地面向下延伸400m（標(biāo)高為－450m），模型頂面高程250m，網(wǎng)格剖分為四邊形單元，對洞室及水幕鉆孔附近單元加密，具體布置及網(wǎng)格剖分情況見圖2.

圖1 石油洞庫布置圖

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

模型底部邊界設(shè)定為隔水邊界，左右邊界設(shè)為已知水頭邊界，圍巖滲透系數(shù)取為2.5×10－4m／d，邊界水位按高出洞庫頂部高程130m設(shè)定（標(biāo)高為110 m），水幕注水孔按高出水幕巷道2m水頭控制.在開挖工況下，施工期開挖邊界按自由滲透邊界處理；在儲油工況下，液態(tài)油品浮在水墊層上，液態(tài)油品上部為飽和蒸氣，本文算例中忽略水墊層的厚度，油品密度取850kg／m3，飽和蒸氣壓取0.1MPa，按洞壁受力大小在油庫洞壁施加第一類水頭邊界條件［4］.

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

取上述水幕布置方式和邊界條件作為典型工況，計(jì)算至平衡狀態(tài)所得開挖和儲油工況孔隙壓力等值線分布如圖3～4所示.

圖3 開挖工況下孔隙壓力等值圖（單位：kPa）

由圖3～4可知，在施加人工水幕下，無論開挖工況還是儲油工況，洞室頂部的地下水位都得到了有效維持，并且從局部放大的圖5～6可以看出洞室頂部擁有較大的水頭梯度，可以有效地對油品及其蒸氣形成水封作用，防止儲油外泄.

圖4 儲油工況下孔隙壓力等值圖（單位：kPa）

圖5 開挖工況有水幕洞室局部孔壓等值圖（單位：kPa）

圖6 儲油工況有水幕洞室局部孔壓等值圖（單位：kPa）

在上述典型工況的計(jì)算基礎(chǔ)上，調(diào)整水幕設(shè)計(jì)參數(shù)和地下水位高度，研究人工水幕設(shè)計(jì)參數(shù)及地下水位的變化對洞庫涌水量的影響規(guī)律.

2.3.1 人工水幕距洞室頂部高度對涌水量的影響

《規(guī)范》［1］中規(guī)定水幕巷道底面至洞室頂面的垂直距離不宜小于20m，本文算例中取20m、25m、30 m、35m4種情況，分開挖和儲油2種工況.洞室涌水量隨人工水幕距洞室頂部高度的變化規(guī)律見圖7.

圖7 洞室涌水量隨水幕巷道高度變化圖

從圖7知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕巷道高度降低而增加，變化幅度明顯.開挖工況下水幕巷道高度為20m時的涌水量比水幕巷道高度為35m時高出38.6%，這個值在儲油工況下為39.1%.

2.3.2 水幕鉆孔間距對涌水量的影響

《規(guī)范》［1］中規(guī)定水幕孔的間距宜10～20m，本文算例中分別取10m、15m、20m3種情況，分開挖和儲油兩種工況.洞室涌水量隨水幕鉆孔間距的變化規(guī)律如圖8所示.

圖8 洞室涌水量隨水幕鉆孔間距變化圖

從圖8可知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕鉆孔間隔減少而增加，變化幅度較為明顯.開挖工況下水幕鉆孔間距為10m時的涌水量比水幕鉆孔間距為20m時高出15.8%，這個值在儲油工況下為15.9%.

2.3.3 水幕鉆孔注水壓力對涌水量的影響

水幕鉆孔注水壓力一般按高出水幕巷道2m水頭控制，本文為研究其一般規(guī)律，水幕鉆孔注水壓力分別取高出水幕巷道2m、4m、6m、8m、10m5種情況，分開挖和儲油2種工況.洞室涌水量隨水幕鉆孔注水壓力的變化規(guī)律如圖9所示.

圖9 洞室涌水量隨水幕注水孔壓力變化圖

從圖9知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕注水孔壓力上升而增加，但變化幅度有限.開挖工況下鉆孔注水壓力高出水幕巷道10m時的涌水量比高出水幕巷道2m時高出5.3%，這個值在儲油工況下為5.8%.

2.3.4 不同地下水位下人工水幕對涌水量的影響

《規(guī)范》［1］中規(guī)定洞室拱頂距設(shè)計(jì)穩(wěn)定地下水位垂直距離Hw應(yīng)按下式計(jì)算且不宜小于20m：

其中P為洞室內(nèi)的氣相設(shè)計(jì)壓力（MPa）.

本文算例中洞室內(nèi)氣相設(shè)計(jì)壓力取P＝0.1 MPa，相應(yīng)地Hw＝25m.工程中往往實(shí)際值要遠(yuǎn)大于該式的計(jì)算值，并且一年中不同季節(jié)的地下水位變化幅度往往較大.故計(jì)算中為研究其一般規(guī)律，地下水位至洞室拱頂?shù)拇怪本嚯x從30m變化到250m，同時水幕巷道的位置距主洞室頂面的距離分20m、25m、30m3種情況，水幕注水孔均按高出水幕巷道2m水頭控制，分開挖和儲油兩種工況.

圖10 不同工況下洞室涌水量隨地下水位高度變化圖

由圖10可知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，無論開挖工況還是儲油工況，洞室涌水量隨地下水位的上升線性增加.其他條件不變，洞室涌水量隨水幕系統(tǒng)高度降低而增加，并且地下水位越高，水幕系統(tǒng)高度的變化對涌水量的影響幅度越大.

3 結(jié) 語

本文以某在建水封石油洞庫為工程背景，重點(diǎn)分析水幕設(shè)計(jì)參數(shù)中人工水幕距洞室頂部高度、水幕鉆孔間距、水幕鉆孔注水壓力3個參數(shù)對涌水量的不同影響，同時分析了不同地下水位下人工水幕對涌水量的影響.得到以下結(jié)論：

1）人工水幕設(shè)計(jì)參數(shù)不變，開挖工況的涌水量總要大于儲油工況.水封鉆孔與儲洞庫頂部間距的變化對涌水量的影響幅度最大，水幕鉆孔間距對涌水量的影響幅度居中，而水幕鉆孔注水壓力對涌水量的影響幅度最小.

2）無論開挖工況還是儲油工況，洞室涌水量受地下水位變動的影響顯著，隨水位的上升線型增加.其他條件不變，洞室涌水量隨人工水幕高度降低而增加，并且地下水位越高，人工水幕高度的變化對涌水量的影響越大.

［1］ 國家發(fā)展和改革委員會.GB 50455－2008地下水封石洞油庫設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

［2］ 時洪斌.黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［3］ 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］ 時洪斌，劉保國.水封式地下儲油洞庫人工水幕設(shè)計(jì)及滲流量分析［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（1）：130－137.