地下水封石洞油庫設(shè)置水幕系統(tǒng)必要性研究

，， ，

(1．海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061；2．黃島國家石油儲備基地有限責(zé)任公司， 山東 青島 266510； 3．武警水電第七支隊(duì)， 武漢 430223)

1 地下水封洞庫水幕系統(tǒng)特點(diǎn)

近幾十年來,隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,能源問題的日益突出,建立必要的石油儲備體系不僅是保障國家社會經(jīng)濟(jì)安全、應(yīng)對突發(fā)事件的必要手段,更是平抑油價、穩(wěn)定供求關(guān)系的有效手段。中國作為一個石油消費(fèi)大國,目前凈進(jìn)口量超過了我國石油消費(fèi)量的30%,預(yù)計(jì)2020年達(dá)到50%以上,建立必要的國家石油戰(zhàn)略儲備是非常必要的[1-4]。

石油儲備從儲存設(shè)施和形式上可分為陸上儲罐、地下儲罐、地下洞庫等。由于地下水封洞庫存儲相對于其他存儲方式具有占地少、投資少、損耗少、污染小、運(yùn)營管理費(fèi)用低、安全性能高、裝卸速度快等優(yōu)點(diǎn),這種儲油方式已被越來越多的國家采用,美國、日本、德國、芬蘭、瑞典、法國等國都已建成并投入運(yùn)營。水幕系統(tǒng)設(shè)置與否直接影響地下水封洞庫的水封效果，但水幕系統(tǒng)洞室截面相對較小，大型施工機(jī)械無法進(jìn)入施工，因而水幕系統(tǒng)的施工具有施工工序復(fù)雜、工期長、成本高的特點(diǎn)。因此，設(shè)置水幕系統(tǒng)的必要性也就成為地下水封洞庫的研究課題之一[5-7]。

2 國內(nèi)外相關(guān)案例

2.1 國外案例

目前,在世界范圍內(nèi)已建造了200多座地下水封石洞儲油庫,主要分布在斯堪的納維亞半島、韓國、日本、德國、法國和沙特等。上世紀(jì)50—60年代在國際上建造的地下洞庫由于規(guī)模較小，所選庫址都是在海邊，石油庫一般按常壓庫設(shè)計(jì)，即使操作過程中有少量油氣泄漏，但未引起足夠重視，所以當(dāng)時的設(shè)計(jì)一般都沒有設(shè)水幕系統(tǒng)。

瑞典斯德哥爾摩市附近一煉油廠的260萬m3的地下洞庫，距海邊約2 km，該庫始建于上世紀(jì)70年代，采用的操作巷道模式，即操作豎井設(shè)在操作巷道內(nèi)。洞室設(shè)在海平面下30 m，操作巷道底距洞室頂30 m，當(dāng)時沒設(shè)水幕系統(tǒng)。于1999年發(fā)現(xiàn)該庫有氣體泄漏現(xiàn)象，現(xiàn)已停用，正準(zhǔn)備增設(shè)水幕。具體方案是利用原操作巷道做水幕巷道，打水平水幕孔，操作系統(tǒng)另外做。

韓國在濟(jì)州島建造地下水封石洞油庫的試驗(yàn)庫，洞室的埋深在海平面30 m以下，洞室分3個獨(dú)立的洞罐，1號洞罐未設(shè)水幕系統(tǒng)，2，3號洞罐設(shè)有水幕系統(tǒng)，區(qū)域的巖性為花崗巖。建設(shè)方對1，2，3號洞罐的監(jiān)測井進(jìn)行了為期2 a的水位和水質(zhì)測量，結(jié)果表明1號洞罐未設(shè)水幕系統(tǒng)區(qū)域的苯系化合物和多環(huán)芳烴的濃度比2,3號洞罐要高很多，其地下水位線比其他2個洞罐低。

2.2 國內(nèi)案例

象山地下油庫位于浙江省象山市石浦鎮(zhèn)，該地下油庫于1973年設(shè)計(jì)施工，1976年裝油投產(chǎn)，現(xiàn)隸屬中石化銷售公司浙江分公司，為中轉(zhuǎn)型經(jīng)營油庫?？?cè)萘繛?萬m3，建有2組2萬m3地下水封巖洞油罐，儲存柴油。洞罐采用“圓趾斜墻拱頂”罐型，長75 m，底寬16 m，高20 m，頂拱矢高4 m，趾部倒圓角，倒角半徑2 m。側(cè)墻自下而上向內(nèi)傾斜，坡度5%，罐頂標(biāo)高-5 m，兩洞罐間距30 m，未設(shè)置水幕系統(tǒng)。運(yùn)營初期有油氣泄漏和洞室間串油現(xiàn)象，但由于當(dāng)?shù)亟邓S沛，地表水資源也較豐富，水封作用得以維持，未造成嚴(yán)重的油品泄漏事故。

由以上幾個國內(nèi)外案例可以看出，對于地下水封洞庫特別是大型地下水封洞庫，設(shè)置水幕系統(tǒng)是保證水封效果的一個最有效的措施。在我國現(xiàn)行的《地下水封石洞油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中，對于水幕系統(tǒng)的設(shè)置也做出了明確的規(guī)定。

3 理論計(jì)算研究

3.1 工程概況

以在建某大型地下水封洞庫為例，改洞庫總庫容量為300萬m3, 共分為3個洞罐組，每組洞罐由3個主洞室組成，主洞室設(shè)計(jì)底板面標(biāo)高為-50 m，長度為484～717 m不等，設(shè)計(jì)洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形。主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計(jì)間距為25 m，2個主洞室之間設(shè)計(jì)間距為30 m。主洞室頂面以上25 m設(shè)置5條水幕巷道，垂直主洞室方向布置，設(shè)計(jì)洞跨為5 m，洞高為4.5 m。

3.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)勘察資料，按巖性并考慮對洞庫的影響程度，各層圍巖的分類及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要圍巖的巖石力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of surrounding rock mass

3.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)該地下水封洞庫工程水資源報告，該區(qū)山丘1980—2000年期間降水入滲補(bǔ)給量的多年平均值即為該山丘多年平均地下水資源量，得出該區(qū)多年平均降水入滲補(bǔ)給量為53.8 mm，該區(qū)多年年平均降水量為736.2 mm，降水入滲系數(shù)為0.073。由此可見，該區(qū)降水入滲補(bǔ)給地下水的量是相當(dāng)少的，主要降水都通過地表徑流排泄至水塘或水庫。該區(qū)巖體滲透系數(shù)在1×10-3～1×10-5m/d。多數(shù)區(qū)域滲透系數(shù)量級在1×10-4m/d 左右。

3.4 建模分析計(jì)算

洞室開挖引起地應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致徑向應(yīng)力的減小和切向應(yīng)力的增大。當(dāng)洞室開挖在水位以下進(jìn)行時，地下水與洞室圍巖將發(fā)生相互作用：應(yīng)力狀態(tài)改變引起的圍巖體積變化導(dǎo)致孔隙水壓力的變化，而孔隙水壓力的變化反過來又將影響圍巖的應(yīng)力狀態(tài)?？紫端畨毫εc圍巖應(yīng)力狀態(tài)的相互作用符合有效應(yīng)力原理。在這里流動方程可取為

(1)

式中：Kx，Ky，Kz分別為x，y，z方向的滲透系數(shù)；H為總水頭；Q為流量；mw為阻流系數(shù)；γw為水的重度；z為標(biāo)高；t為時間。

考慮洞庫開挖引起的應(yīng)力和地下水的耦合作用，采用ABAQUS軟件進(jìn)行建模分析。洞室圍巖被視為各向同性的等效連續(xù)孔隙介質(zhì)，并根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，描述介質(zhì)連通性的滲透系數(shù)取值為1×10-3～1×10-5m/d，力求可以涵蓋洞庫圍巖的連通性。其中，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果滲透系數(shù)為1×10-4m/d的工況為代表性工況。由于洞庫洞室長度(500～600 m)遠(yuǎn)大于洞室截面尺寸(20～30 m)，視為平面應(yīng)變問題求解。洞庫截面網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 洞庫截面網(wǎng)格劃分模型Fig.1 Meshes of the section of the storage cavern

按照地表起伏情況，指定初始地應(yīng)力場和孔隙水壓力場。圖2為考慮地表起伏情況下獲得的初始豎向應(yīng)力分布情況，圖3為初始孔隙水壓力分布情況。從圖2、圖3中可以看出，初始豎向應(yīng)力和孔隙水壓力分布與地表起伏情況相關(guān)：在同一高程埋深較大部位，初始豎向應(yīng)力和孔隙水壓力比其他部位高。

圖2 洞庫初始豎向應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of initial vertical stress in the cavern

圖3 洞庫初始孔隙水壓力分布Fig.3 Distribution of initial pore waterpressure in the cavern

由水文地質(zhì)條件可知，本研究中滲透系數(shù)選取1×10-4m/d，用以最大限度地反映地下水位的變化情況。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，洞庫圍巖的飽水密度取為2.78×103kg/m3，孔隙比取為0.6%。洞庫開挖后3，10，50 a地下水壓力的分布圖見圖4。

圖4 洞庫開挖3，10，50 a后地下水壓力分布Fig.4 Distribution of groundwater pressure after the excavation for 3, 10, and 50 years

從圖中可以看出，洞庫的開挖引起了洞庫上方山丘地下水壓力的下降，地下水壓力下降表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

(1) 由于排水路徑較短，洞庫左側(cè)地下水壓力下降較快；

(2) 隨著時間增長，各工況地下水壓力下降均較為明顯；

(3) 開挖50 a后，主洞室拱頂部分地下水壓力為0，這說明地下水位線基本上降到了主洞室的拱頂以下，水封作用效果降低，發(fā)生泄露事故的可能性將增大。

4 結(jié) 語

在地下水封石洞油庫建設(shè)中，一個至關(guān)重要的問題是地下水位要滿足地下水封石洞油庫密封性要求，這樣才能產(chǎn)生較好的水封效果。本研究運(yùn)用孔隙介質(zhì)流固耦合理論，開展了無水幕巷道條件下地下水封石洞油庫工程地下水流場變化特點(diǎn)研究，重點(diǎn)分析了無水幕條件下地下水位變化情況，并結(jié)合國內(nèi)外已建成的洞庫工程案例，得到如下結(jié)論：

(1) 在不設(shè)置水幕系統(tǒng)的條件下，洞庫地下水位隨時間增加而降低，若地下水水位線降到主洞室頂板以下，水封作用將大大降低，發(fā)生泄露事故的可能性將增大。一旦發(fā)生滲漏事故將會污染地下水，使洞庫區(qū)甚至更大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。

(2) 近些年發(fā)生極端氣候的幾率不斷增加，在洞庫運(yùn)營期不排除發(fā)生重大旱災(zāi)的可能性，在不設(shè)置水幕系統(tǒng)的情況下，若地下水源得不到有效的供給，將會嚴(yán)重地影響水封效果，對洞庫的運(yùn)營造成不利影響。

(3) 從國內(nèi)外地下水封洞庫的建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)以及我國現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，地下水封洞庫特別是大型的地下水封洞庫設(shè)置水幕系統(tǒng)是十分必要的。

(4) 由于洞室爆破開挖使圍巖節(jié)理、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，使得洞室群周圍的圍巖滲透系數(shù)增大，因此在主洞室開挖時，可運(yùn)用超前注漿等工程手段對主洞室圍巖中存在的節(jié)理、裂隙進(jìn)行封堵，這樣能有效地減小運(yùn)營期主洞室的涌水量，減小地上循環(huán)水場的運(yùn)營壓力，降低運(yùn)營成本。

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