地下水封洞庫滲水特征與治理方法

劉曉亮 梁建毅 李康林 劉 歡

(1.黃島國家石油儲備基地有限責(zé)任公司，山東 青島 266426；2.東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819)

地下水封洞庫技術(shù)是在地下巖體中由人工挖掘形成的一定容積洞室中儲存石油產(chǎn)品[1，2]，并通過設(shè)計(jì)控制地下水由圍巖裂隙流入油庫實(shí)現(xiàn)密封儲油的一種技術(shù)。利用地下水封洞庫儲存石油產(chǎn)品具有安全性高、投資少、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，因此它已成各國儲存石油產(chǎn)品以保障國家能源安全、平抑國內(nèi)油價(jià)的主要存儲設(shè)施。

地下水封洞庫在建設(shè)和運(yùn)行期，維持比較穩(wěn)定的地下水位尤為重要，因此洞庫必須建在比較穩(wěn)定的地下水位以下，保證洞室以上具有一定高度的地下水，使洞室周圍地下水壓力大于洞室內(nèi)存儲石油產(chǎn)品的壓力，以此實(shí)現(xiàn)油庫密封。由于受地質(zhì)構(gòu)造影響，在洞室開挖過程中，地下水會沿導(dǎo)水裂隙滲入洞室，為防止大量地下水流失引起不可接受的地下水位降落，同時(shí)防止?jié)B入量大于設(shè)計(jì)的洞室滲水量，要及時(shí)注漿封堵。一般注漿前要完成支護(hù)，其一方面是防止抬動(dòng)，保證在注漿的過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，一方面規(guī)避了支護(hù)的過程中，由于錨桿的施工，對已完成注漿封堵的局部圍巖，又造成二次破壞。在錨噴支護(hù)鉆孔的過程中，可能會打穿隔水巖板或者連通了導(dǎo)水裂隙，通常情況由于水幕系統(tǒng)的存在，錨桿孔的出水量會較大，給錨桿注漿帶來了困難，且會對已完成注漿封堵的局部圍巖產(chǎn)生二次破壞，給注漿工作增加了難度；并且注漿孔的鉆孔也會對隔水巖體產(chǎn)生破壞，同樣孔深過大，一旦與上層的水幕形成連通，將增加注漿難度并導(dǎo)致地下水位下降。

針對上述工程中遇到的問題，結(jié)合對地下水封洞庫滲水特征的分析，在綜合考慮滿足注漿封堵減少滲水量、維持地下水位穩(wěn)定兼顧圍巖穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，提出了注漿與支護(hù)的新方式，為維持水封洞庫的穩(wěn)定地下水位和控制洞室滲水量大小提供方法。

1 地下水封洞庫工程特點(diǎn)

1.1 巖石整體性好，強(qiáng)度高

地下水封洞庫選址首先要滿足巖體的完整性，即應(yīng)選出無深性斷層和斷裂、裂隙不甚發(fā)育的結(jié)晶巖體，以保證有足夠的可用巖體范圍[3]。這些要求決定了其工程地質(zhì)條件要優(yōu)于常規(guī)隧洞，規(guī)避了施工中一些大的地質(zhì)災(zāi)害，如大體積的坍塌、突水突泥等。

1.2 柔性支護(hù)為主，不襯砌或基本不襯砌

公路、鐵路的隧道采用的支護(hù)方式為鋼性支護(hù)，開挖后錨噴支護(hù)只是作為初次支護(hù)，在其完成后要進(jìn)行二次混凝土襯砌，而地下水封洞庫柔性支護(hù)作為永久支護(hù)，只在局部的Ⅳ級巖體和Ⅴ級巖體進(jìn)行混凝土的襯砌。

1.3 隙存水補(bǔ)，水必不可少

密封性是地下水封洞庫存儲油品滿足運(yùn)行要求的關(guān)鍵。為滿足洞庫密封性，巖石裂隙和地下水始終應(yīng)保持“隙存水補(bǔ)”的關(guān)系，而這補(bǔ)足裂隙空隙的水來源于天然地下水和水幕系統(tǒng)產(chǎn)生的人工補(bǔ)水，為了防止在施工過程中地下水位降落過大導(dǎo)致洞室上部巖體裂隙處于無水、少水狀態(tài)，在主洞室施工過程中水幕始終要保持供水狀態(tài)。因此水既作為施工期間防治對象(限制滲水量)，也是水封洞庫不可或缺的一部分。而在常規(guī)的隧洞工程中，水通常都是以首要的致災(zāi)因素出現(xiàn)的，是工程建設(shè)中重要的防治對象之一。

2 地下水封洞庫滲水原因

由于地質(zhì)構(gòu)造作用，巖體中存在一些導(dǎo)水通道，在開挖洞室過程中，地下水會沿著這些導(dǎo)水通道滲入洞室內(nèi)；從水封性原理方面，洞室周圍地下水壓力大于洞室內(nèi)部存儲油品的壓力，因此，洞室外地下水不斷向洞室內(nèi)滲流，同時(shí)，為降低施工和運(yùn)營期成本，又要滿足洞室的滲水量盡量小。因此，適當(dāng)高度的穩(wěn)定地下水位與盡量小的滲水量成為地下水封洞庫水封性評價(jià)的重要指標(biāo)。由于水封洞庫的原理是建立在地下水的特性上，因此，了解與分析水封洞庫滲水類型與特點(diǎn)是洞室處理滲水的基礎(chǔ)。

2.1 水封洞庫滲水類型

以黃島國家石油儲備地下水封洞庫工程為例，根據(jù)出水部位及水量分為裂隙滲水、斷層滲水、侵入巖脈面滲水及其他滲水，如表1所示。

表1 地下水封洞庫滲水類型統(tǒng)計(jì)表(黃島洞庫為例)

第一類，優(yōu)勢節(jié)理裂隙滲水。此類滲水部位巖體較完整，強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育或較發(fā)育，滲水主要為少數(shù)貫通性較強(qiáng)的優(yōu)勢節(jié)理發(fā)生，由于出水點(diǎn)較少，滲水形式多為集中滲流，流量為10 L/m2～50 L/m2,當(dāng)裂隙與水幕孔相交時(shí)，會形成較大的壓力水。

第二類，斷層破碎帶滲水。此類滲水部位受斷層破碎帶的影響，圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，且有粘土礦物充填，出水點(diǎn)較多，且充填物質(zhì)的滲透性也較差，此類情況下多為面滲，局部為流水，水量為5 L/m2～15 L/m2。

第三類，巖脈的侵入面滲水。由于后期巖脈的入侵，巖脈的侵入面形成了水力通道，發(fā)生滲水，此種情況的流量由侵入巖與母巖的結(jié)合情況而定。

第四類，其他情況。在錨噴支護(hù)鉆孔的過程中，可能會把原始的隔水層或閉合的節(jié)理裂隙打通而形成的滲流水，通常情況由于水幕系統(tǒng)的存在，錨桿孔的出水量會較大。

2.2 地下水封洞庫的滲水特點(diǎn)

1)預(yù)見性差。地下水封洞庫的巖性以火成巖為主，巖石的完整性較好，水的附存狀態(tài)以基巖裂隙水為主，局部斷層儲水[4]。

2)滲流量小，出水壓力低。出水狀態(tài)以面淋為主，局部集中線狀流水，流量小、壓力低。對于洞內(nèi)的集中流水點(diǎn)，流量大約為50 L/h,而對于面滲區(qū)域其流量為4 L/(m2·h)～20 L/(m2·h)。

3)可灌性差，停灌標(biāo)準(zhǔn)高。巖體節(jié)理裂隙隨機(jī)性較大，一般網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬不了，以壓扭性為主的斷層有泥質(zhì)填充，充填多為粉—粘性土，張開度較小，吸漿量小，灌漿前后波速變化不明顯。在注漿處理的過程中，容易出現(xiàn)預(yù)注漿后效果不明顯，需要得到反復(fù)的后注漿處理。

4)以堵為主，原則上不建議排。地下水封洞庫一方面要保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，另一方面保持地下水的穩(wěn)定性及穩(wěn)定的補(bǔ)給源。而對于以基巖裂隙水為主的地下水，降雨入滲系數(shù)較小，施工過程中一旦流失過多，短時(shí)間難以恢復(fù)，因此對于開挖施工過程中揭露的滲流水要及時(shí)封堵，最小程度保持地下水在施工階段的流失，原則上不建議排水。

3 滲水治理方法研究

對滲水的治理目前較為常用的方法就是注漿，在開挖前進(jìn)行注漿為預(yù)注漿，開挖后進(jìn)行注漿的為后注漿。預(yù)注漿適用范圍主要是已探明的前方有富水構(gòu)造，水量較大，水壓較高。后注漿主要是對已揭露巖面而進(jìn)行的注漿，針對性較強(qiáng)，但相對于預(yù)注漿來說，壓力相對較小。對于地下水封洞庫來說，由其工程特點(diǎn)可以了解到，其巖石的完整性較好，因此注漿的目的主要為防滲、堵水，在具體的施工過程中，以后注漿為主。

在進(jìn)行注漿前首先要完成支護(hù)，一方面是防止抬動(dòng)，保證在注漿的過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，一方面規(guī)避了支護(hù)的過程中，由于錨桿的施工，對已注漿實(shí)現(xiàn)隔水層的圍巖，又造成二次破壞。因此支護(hù)要兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與維護(hù)地下水穩(wěn)定為目的。

洞室中存在局部裂隙較發(fā)育、不發(fā)育或斷層破碎帶，而錨噴支護(hù)在造孔的過程中，可能錨桿造孔會打穿隔水巖板或連通導(dǎo)水裂隙，通常情況由于水幕系統(tǒng)的存在，錨桿孔的出水量會較大，給錨桿注漿帶來了困難，且由于隔水巖板的二次破壞，給注漿工作也增加了難度。因此在支護(hù)的過程中，要“短錨密布”這樣不造成原生的巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，然后在注漿的過程中，注漿孔要根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀來布孔，孔向和巖體的走向大角度相交，壓力可以適當(dāng)提高。

而針對地下水封洞庫的工作原理，注漿的目的就是使?jié){液形成的結(jié)石和巖體共同形成隔水的帷幕，最深層次是控水，因此，注漿孔布設(shè)方式也要“短孔密布”，一方面本身注漿孔的打孔也是對隔水巖體的破壞，同樣孔深過大，一旦與上層的水幕形成有效的連通，就會由面滲轉(zhuǎn)為局部集中滲水。

4 結(jié)語

本文以黃島地下水封洞庫為例，分析得知洞室滲水類型主要有斷層滲水與優(yōu)勢裂隙滲水；通過提出注漿堵水中注漿孔“短孔密布”布設(shè)方式以及支護(hù)中“短錨密布”布設(shè)方式，以此避免長孔可能因打穿隔水巖板或者連通導(dǎo)水裂隙所導(dǎo)致的洞室滲水量增大、注漿封堵困難以及地下水位降落的工程風(fēng)險(xiǎn)。