地下水封洞庫不設(shè)人工水幕系統(tǒng)可行性探討

彭振華，李俊彥，楊森，王金昌，王敬奎

（中海油石化工程有限公司，山東 青島266000）

1 引言

地下水封油庫相比于其他石油儲(chǔ)備方式具有占地少、安全性高和經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界各國石油儲(chǔ)備的首選方式。圍巖穩(wěn)定性和水封可靠性是地下水封洞庫儲(chǔ)油研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。為保證圍巖穩(wěn)定性，地下洞庫大多建造在巖體性質(zhì)較好的結(jié)晶巖體中[1，2]；為保證水封可靠性，地下洞庫多埋置在地下水位下方一定位置處，且通常設(shè)置水幕系統(tǒng)來補(bǔ)給地下水[3]。本文分析了人工水幕系統(tǒng)的作用原理，探討了在一定地質(zhì)條件下建設(shè)地下水封洞庫不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)的可行性，并提出了不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)的必要條件，對(duì)今后我國類似地下水封洞庫水幕系統(tǒng)的布設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

2 水封原理及人工水幕系統(tǒng)概況

地下水封洞庫大多建造在致密、物理力學(xué)性質(zhì)優(yōu)越、完整性好和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的巖體中。地下洞庫開挖后，洞庫圍巖中包含有各種成因的裂隙，地下水位以下的裂隙被地下水充填，即利用巖石和水共同組成容器，通過較大的水壓力將油氣封存于石洞中，并不使油、氣向洞庫外部滲漏。

在一定地質(zhì)條件下，為防止油氣外溢，通常在地下洞庫上方設(shè)置水幕系統(tǒng)以保證在地下洞庫上方有一定厚度的穩(wěn)定水蓋層。水幕系統(tǒng)的布置形式一般為水平水幕與垂直水幕2 種，兩者均為在主洞庫上方一定高度布置水幕巷道，分別在水幕巷道兩側(cè)沿水平方向和底部沿垂直方向鉆取水幕孔，通過向水幕巷道充水達(dá)到給水幕提供壓力的目的（見圖1）。

圖1 水幕系統(tǒng)布置圖

3 人工水幕系統(tǒng)存在的問題

地下水封洞庫對(duì)地質(zhì)的依賴性遠(yuǎn)大于其他地下工程，洞庫圍巖的巖體滲流具有明顯的各向異性，由于其圍巖性質(zhì)特殊，加之高跨比較大，仍然采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，鉆爆法對(duì)巖體完整性有著極大程度的破壞。因水幕巷道長度較大，距離儲(chǔ)油洞室較近，水幕孔數(shù)量較多，因此，必然形成了人為地制造的裂隙系統(tǒng)，從而造成對(duì)儲(chǔ)油洞庫圍巖的累進(jìn)性破壞（見表1），新形成的裂隙會(huì)增加儲(chǔ)油洞庫圍巖中的裂隙連通性，使巖體的滲透性變強(qiáng)，儲(chǔ)油洞庫的滲水量增加，從而增大水資源、能源的消耗，導(dǎo)致運(yùn)營費(fèi)用的增加。

表1 洞庫圍巖開挖累進(jìn)性破壞類型表

4 不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)的探討

4.1 地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件

4.1.1 補(bǔ)給條件

某洞庫所在地區(qū)雨量充沛（年降雨量為2000～2700mm），植被十分發(fā)育，加之上部構(gòu)造裂隙連通性好，這些條件均將有利于大氣降水的垂直滲入補(bǔ)給。另外，當(dāng)進(jìn)入枯水期地下水位必將下降，此時(shí)，庫區(qū)附近水庫和位于庫區(qū)的多處魚塘、溝、溪等地表水體亦可成為地下水的少量補(bǔ)給源。

4.1.2 徑流、排泄條件

洞庫所在地的山體溝谷切割深度較大，從而導(dǎo)致地形起伏、溝谷坡降比均較大，呈現(xiàn)出開挖前后不一致的徑流、排泄條件。

1）開挖前：呈現(xiàn)出：補(bǔ)給、徑流與排泄條件的短程循環(huán)，網(wǎng)狀裂隙水流失較快較多的態(tài)勢。溝谷水流既接受大氣降水補(bǔ)給（次要），又接受網(wǎng)狀裂隙水補(bǔ)給（主要）。網(wǎng)狀裂隙水沿地勢高低就近以潛流形式排泄，局部以泉或滲流形式在坡腳或低洼地段外溢。

2）開挖后：補(bǔ)給、徑流、排泄發(fā)生了顯著變化。徑流路程系經(jīng)網(wǎng)狀裂隙水→脈狀裂隙水→拱頂、側(cè)墻出水點(diǎn)→泵坑；另一條路徑為：網(wǎng)狀裂隙水→施工巷道儲(chǔ)水體→脈狀裂隙水→拱頂、側(cè)墻出水點(diǎn)→泵坑。

洞庫的水封條件優(yōu)劣是決定是否設(shè)置水幕的至關(guān)重要條件。這與地下水的滲透性、垂直變化規(guī)律以及上部水蓋層的穩(wěn)定補(bǔ)給程度密切相關(guān)。

4.2 洞庫圍巖滲透性

地下水封洞庫圍巖體滲透性具有明顯的垂直分帶性。在區(qū)域水文網(wǎng)排泄作用較強(qiáng)的網(wǎng)狀裂隙水分布地段產(chǎn)生特別強(qiáng)烈的水交替作用。而巖體裂隙隨深度的增加而減弱，水文網(wǎng)的排泄影響也逐漸減小，因而水交替的積極程度也降低下來。含水體的裂隙性質(zhì)也隨之產(chǎn)生互相連通的裂隙系統(tǒng)（網(wǎng)狀）轉(zhuǎn)化為孤立的水交替接近停滯的脈狀水。根據(jù)水交替程度和含水類型（見圖2），某洞庫大致可分出如下3 帶。

1）迅速交替帶：網(wǎng)狀裂隙潛水，具有統(tǒng)一地下水面，分布比較均勻，滲透系數(shù)約≥10-3cm/s，接受充沛的大氣降水補(bǔ)給，沿水文網(wǎng)排泄，水交替迅速，其分布范圍大體為10～60m。

2）緩慢交替帶：網(wǎng)狀裂隙水分布比較均勻，水交替緩慢。滲透系數(shù)約在10-3～10-5cm/s，它相當(dāng)于含水類型由網(wǎng)狀轉(zhuǎn)化到脈狀的過渡地帶（或稱網(wǎng)脈組合帶），其厚度大體約為40m，局部可達(dá)100m。

3）停滯交替帶：本帶主要分布脈狀水，與上帶銜接并接受上帶水補(bǔ)充。脈間缺乏水力聯(lián)系。水基本處于停滯狀態(tài)。這一帶的不含水裂隙均屬不開啟裂隙。某庫的停滯交替帶中的斷裂規(guī)模不大以及侵入體（二長花崗巖）對(duì)圍巖的破壞程度也不強(qiáng)烈，但其埋深較大，儲(chǔ)油主洞室大部分都處于這一帶巖體中。

圖2 某洞庫圍巖裂隙組合形式

4.3 水封條件的評(píng)價(jià)

良好的水文地質(zhì)條件為較好的水封條件提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。某地下水封洞庫在施工過程中，地下水滲流場雖有較大改變，但其主洞室拱頂以上仍能保持20～32m 的水層厚度。雖然地表地形切割較劇烈，導(dǎo)致網(wǎng)狀裂隙含水體的水資源流失不少。但是當(dāng)?shù)毓┧疅o工業(yè)需求，各項(xiàng)用水量均不高，因而可以保證天然水封的成功實(shí)施。

4.4 不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)的條件

通過對(duì)場區(qū)圍巖滲流補(bǔ)給條件的分析，以及洞庫場區(qū)圍巖裂隙滲透性的識(shí)別，可以得出地下水封洞庫場區(qū)具備不設(shè)人工水幕的基本條件如下：

1）庫區(qū)水資源豐富。庫區(qū)內(nèi)有較大的外部補(bǔ)給并且地下水資源豐富，對(duì)某洞庫所在地的花崗巖區(qū)域進(jìn)行了水資源論證，得出在論證范圍內(nèi)可開采的地下水資源量為3888m3/d。同時(shí)調(diào)查了論證范圍內(nèi)用水狀況。洞庫區(qū)域生活工業(yè)地下取水及洞庫用水合計(jì)約1500m3/d。洞庫附近各村莊現(xiàn)狀及近期生活用水均取自溝谷中水流。其水源主體為網(wǎng)狀裂隙水，其次為大氣降水，洞庫場區(qū)地下有充足的地下水資源。

2）嚴(yán)格封堵洞室圍巖滲水。封堵工作對(duì)保證一個(gè)洞庫的水封可靠性至關(guān)重要。洞庫施工過程中洞室圍巖裂隙較小的出水點(diǎn)較難封堵，不僅要求注漿液質(zhì)量高（配合比尤其重要），而且施工工藝也必須嚴(yán)格，否則可能會(huì)事倍功半。

為保證注漿封堵效果，應(yīng)做好以下工作：（1）提出科學(xué)的封堵標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)規(guī)范或者參照已建洞庫的經(jīng)驗(yàn)值；（2）須全過程檢查封堵施工質(zhì)量，對(duì)于超標(biāo)滲水點(diǎn)重復(fù)封堵。

3）選擇合理的滲透試驗(yàn)。目前，地下洞庫大部分建設(shè)在結(jié)晶巖體中，無論其補(bǔ)給如何充分，但由于其裂隙發(fā)育規(guī)律限制，其滲透性自上而下總是有規(guī)律的。滲透系數(shù)從上部的10-3～10-4cm/s到0～-50m 之間的10-8～10-9cm/s。后者是洞庫建設(shè)所關(guān)注的。在這樣一種弱透水的巖體之中，最好保持其原有裂隙特性。須根據(jù)滲透試驗(yàn)的深度及巖體的性質(zhì)選擇合理的滲透性試驗(yàn)方式。

5 結(jié)論與建議

本文探討了地下水封洞庫人工水幕設(shè)置的優(yōu)缺點(diǎn)，并探討了地下水封洞庫不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)的可行性，得到以下結(jié)論建議：

1）人工水幕系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致地下水封洞室開挖過程中圍巖的累進(jìn)性破壞加大及圍巖裂隙滲水量的增加；

2）在一定的地質(zhì)和外部補(bǔ)給條件下，地下洞庫不設(shè)置人工水幕系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)水封可靠性的；

3）現(xiàn)場滲透試驗(yàn)宜采用不破壞巖體完整性的滲透試驗(yàn)手段如注水試驗(yàn)。同時(shí)為保證水封可靠性，應(yīng)嚴(yán)格做好主洞室的注漿封堵工作。