錦州某地下水封洞庫工程滲流場數(shù)值分析

巫潤建，李國敏，董艷輝，黎 明，喬小娟

1 概 述

地下水封原油洞庫（簡稱“水封洞庫”）是指在低于地下水位的巖體中由人工挖掘形成的具有一定形狀和容積的用于儲存原油的洞室群［1］。其基本原理是利用地下水壓力比洞內(nèi)介質(zhì)壓力大，地下水往洞內(nèi)滲透實(shí)現(xiàn)水封洞內(nèi)介質(zhì)。地下水封洞庫儲油的想法由瑞典人H．杰森在1939年提出［2］。20世紀(jì)40～70年代，瑞典、法國、芬蘭、挪威、美國、加拿大、韓國、日本及中東地區(qū)都將地下洞庫作為國家原油戰(zhàn)略儲備庫［3］。我國也于1977年在山東黃島設(shè)計建造了第一座總庫容為15×104m3的原油地下洞庫，20世紀(jì)80年代又在浙江象山建成了第一座容積為4 000 m3的地下成品油庫［4］。

地下水封洞庫能夠儲油的關(guān)鍵是洞庫周圍需要有穩(wěn)定的地下水位。國內(nèi)外學(xué)者在地下水封洞庫周圍地下水水位變化方面做過一些研究工作。T．Kim等［5］通過對地下儲氣庫庫區(qū)觀測孔水頭、儲存的油氣壓力、地下水壓力、地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行時間序列分析，闡述了地下儲氣庫周圍水頭的影響因素主要為降水及洞室儲氣運(yùn)營時油氣的壓力。H．S．Yang等［6］用 NAP－SAC和 NAMMU軟件模擬分析了地下水從裂隙巖體里流到地下洞庫的路徑和時間。張秀山［7］分析了地下油庫周圍裂隙巖體中的地下水位動態(tài)預(yù)測方法。楊明舉等［8］用有限元法建立了地下水滲流穩(wěn)定流數(shù)值模擬模型，分析了水封式地下儲氣洞庫的滲流場。劉貫群等［9］利用Vis－ual MODFLOW軟件建立了某地下水封石油洞庫的三維地下數(shù)值模擬模型，模擬了地下水封石油洞庫周圍的滲流場。張振剛等［10］用3D－Flow三維滲流分析軟件對汕頭LPG地下儲氣庫的丙烷儲庫作了滲流場三維分析，通過洞庫內(nèi)LPG的壓力和水幕的水頭壓力計算了地下水平均水力梯度，簡單分析了水幕系統(tǒng)的作用，但尚未建立包括水幕系統(tǒng)在內(nèi)的三維地下水滲流數(shù)值模型。

本文作者以錦州某地下水封洞庫工程為例，對研究區(qū)水文地質(zhì)條件和地下水封石油洞庫、水幕系統(tǒng)進(jìn)行了概化，利用MODFLOW軟件，建立了無水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3種條件下的三維地下水滲流數(shù)值模擬模型，模擬了3種條件下的滲流場，分析了洞庫周圍的地下水等水位線擴(kuò)展情況和洞庫上方地下水等水位線變化情況。

2 地下水封洞庫工程概況

2．1 工程概述

錦州某地下水封洞庫工程設(shè)計總?cè)萘繛?00×104m3。地下油庫儲油設(shè)施由4組儲油洞罐、施工巷道、操作豎井、水幕系統(tǒng)（包括水幕巷道、水幕孔）等組成。石油儲備庫由4組儲油洞罐組成，每組洞罐都由2條洞室組成，共8條洞室，洞底標(biāo)高－76m，洞頂標(biāo)高－53 m。儲油洞室斷面為20 m（寬）×23 m（高），洞室軸向?yàn)闁|西向，洞室長946 m，相鄰洞室間的間距是45 m。

本工程在儲油洞室洞頂上方20 m處設(shè)置水幕系統(tǒng)來保證儲油洞庫的水封效果。水幕系統(tǒng)由2部分組成：一部分是水幕巷道1和水幕巷道2，底標(biāo)高為－34 m；另一部分是與水幕巷道相連接的水平和垂直水幕孔。水幕巷道1南北向布置，由6條洞室構(gòu)成，南北方向超出儲油洞室范圍以外14．5 m；水幕巷道2東西向布置，由5條洞室構(gòu)成，在東西方向上超出儲油洞室范圍各13 m。水平水幕孔按東西方向布置，直徑為100 mm，兩孔之間的間距為10 m；垂直水幕孔直徑亦為100 mm，兩孔之間的間距為10 m，孔深52 m，底標(biāo)高為－86 m。

2．2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)出露的巖石類型主要有2大類，即太古代混合巖和燕山期花崗巖。燕山期花崗巖為中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，在研究區(qū)內(nèi)分布廣泛。地表風(fēng)化強(qiáng)烈，多呈散砂狀，強(qiáng)風(fēng)化層厚一般可達(dá)20～30 m。

研究區(qū)內(nèi)巖脈分布較多，但規(guī)模較小，巖脈總體走向?yàn)楸睎|向和北西向，脈體巖性以花崗偉晶巖、輝綠巖居多?；◢弾r層中存在很多節(jié)理，節(jié)理的發(fā)育與巖脈有比較密切的關(guān)系。研究區(qū)內(nèi)斷層性質(zhì)多呈壓性、壓扭性，斷層規(guī)模一般較小，均屬穩(wěn)定性斷裂，導(dǎo)水能力較差，對區(qū)域地殼穩(wěn)定性影響不大?？傊芯繀^(qū)的工程地質(zhì)條件適宜建設(shè)地下水封洞庫工程。

2．3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水按巖土體賦水條件和含水介質(zhì)的不同分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水［11］。第四系松散巖類孔隙水的含水巖組具有典型雙層結(jié)構(gòu)，上部由粉質(zhì)黏土、粉土構(gòu)成，下部由粗砂、砂礫石組成。含水層厚度變化較大，一般厚3～25 m，最厚為33 m。地下水埋深為1．15～7．80 m，標(biāo)高14．22～39．98 m，為潛水，局部為上層滯水，單井出水量小于100 m3／d?；鶐r裂隙水的存在形式主要是網(wǎng)狀裂隙水和脈狀裂隙水，地下水富水性不均，單井出水量小于100 m3／d。在洞室開挖的深度范圍內(nèi)，地下水的主要類型是基巖裂隙水。

研究區(qū)地下水的主要補(bǔ)給方式是大氣降水垂向滲入。地下水的排泄主要表現(xiàn)形式是向區(qū)外（主要為研究區(qū)西南部）徑流排泄和大氣蒸發(fā)。研究區(qū)地下水的徑流主要受地形地貌條件的影響和控制，研究區(qū)主體地貌類型為剝蝕丘陵，地下水從NE向SW流，為弱徑流型地下水。

3 滲流場數(shù)值分析

3．1 地下水滲流模型建立

為了分析儲油洞室的密封性，需要分析洞室周圍地下水等水位線的變化情況及水力梯度的變化情況。這就需要研究地下洞室周圍地下水滲流場分布，建立三維地下水滲流數(shù)值模擬模型。研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型為：非均質(zhì)各向異性，上邊界為降水補(bǔ)給、蒸發(fā)和井泉排泄邊界，下邊界為隔水邊界。四周小尺度上的分水嶺概化為零通量邊界，在模型左下角的水洼地概化為定水頭邊界。地下油庫和水幕系統(tǒng)設(shè)為定水頭邊界。

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型可寫出其數(shù)學(xué)模型［12］，如公式（1）所示：

式中：Ω表示地下水滲流區(qū)域；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；kxx，kyy，kzz分別表示x，y，z主方向的滲透系數(shù)（m／s）；w表示源匯項(xiàng)，包括降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)、井的抽水量和泉的排泄量（m3／s）；μs表示彈性釋水系數(shù)（m2／s）；H0（x，y，z）表示初始地下水水頭函數(shù)（m）；H1（x，y，z）為第一類邊界地下水水頭函數(shù)（m）；q（x，y，z，t）為第二類邊界單位面積流量函數(shù)（m3／s）。

3．2 模型范圍及網(wǎng)格劃分

圖1 模型范圍示意圖Fig．1 Sketch map of the model range

模型的模擬范圍為東西向長3 000 m，坐標(biāo)自587 000至590 000；南北向?qū)挒? 800 m，坐標(biāo)自4 525 400至4 527 200（如圖1所示，x表示東西向，y表示南北向）；高為210 m，自海拔－150 m至海拔60 m。模型東西向網(wǎng)格和南北向網(wǎng)格大小為20 m，在洞室開挖區(qū)和水平水幕孔和垂直水幕孔區(qū)域適當(dāng)加密；垂向高程自－150 m至60 m剖分為30 m一層，為使模擬更為合理，在洞室上下即洞底－76 m和洞頂－53 m處分別加剖1 m的微層，水幕高程－33 m加剖1 m的微層。最終剖分共計235列，156行，10層，總共有366 600個節(jié)點(diǎn)。

3．3 計算參數(shù)和初始條件

為確定水文地質(zhì)參數(shù)，在可行性研究勘察階段選擇了研究區(qū)內(nèi)10個鉆孔中的4個鉆孔進(jìn)行綜合水文地質(zhì)試驗(yàn)，并對所有鉆孔短段水文地質(zhì)試驗(yàn)所得滲透系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖體滲透系數(shù)為30%～40%測試值大于1×10－7m／s；巖體滲透系數(shù)隨深度的增加并沒有減小的趨勢，巖體滲透性和深度沒有明顯的聯(lián)系。根據(jù)上述分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，確定含水層滲透系數(shù)非常困難，在模型中使用等效多孔介質(zhì)模型來模擬等效裂隙含水層，含水層滲透系數(shù)k的選取是從1×10－5～1×10－9m／s，水平滲透系數(shù)比垂向滲透系數(shù)大。選取含水層的貯水系數(shù)Ss＝0．000 5，給水度 Sy＝0．01。

圖2 無水幕條件地下水等水位線擴(kuò)展情況Fig．2 Extension of groundwater level contours without water curtain system

在研究區(qū)范圍內(nèi)，與地下水相關(guān)的動態(tài)資料很少，難以取得合適的地下水初始水位，故采取以穩(wěn)定流計算的水位值作為非穩(wěn)定流計算的初始水位值的方法，先進(jìn)行地下水穩(wěn)定流一年（365 d）計算，然后把地下水穩(wěn)定流計算的穩(wěn)定地下水水位值作為后期非穩(wěn)定流計算的初始水位。

3．4 計算結(jié)果及分析

將初始水位、邊界流量、水文地質(zhì)參數(shù)等代入模型，分別計算洞室在無水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3種條件下運(yùn)營5 a，10 a至50 a時，洞室周圍地下水等水位線擴(kuò)展范圍和擴(kuò)展速度。在模型中選取典型剖面A－A（剖面位置見圖1），以剖面A－A上洞室上方16 m等水位線擴(kuò)展情況為例進(jìn)行分析。地下水等水位線擴(kuò)展情況見圖2～圖4（y表示南北向，z表示垂向深度）。

圖5是上述3種條件下洞室上方地下水16m等水位線垂直擴(kuò)展范圍情況。

無水幕時，運(yùn)營期開始洞室上方地下水16 m等水位線向外擴(kuò)展很快，由洞庫運(yùn)行5 a后的11 m升至10 a后的16 m，再到20 a后的20 m，最終至50 a后的24 m。

圖3 有水平水幕條件地下水等水位線擴(kuò)展情況Fig．3 Extension of groundwater level contours with horizontal water curtain system

圖4 有水平水幕和垂直水幕條件地下水等水位線擴(kuò)展情況Fig．4 Extension of groundwater level contours with horizontal and vertical water curtain system

圖5 洞室上方地下水16 m等水位線垂直擴(kuò)展范圍情況Fig．5 Vertical development of groundwater 16 m level contour above oil－storage caverns

有水平水幕時，運(yùn)營初期洞室上方地下水16 m等水位線向外擴(kuò)展也較快，10 a后趨于穩(wěn)定，由洞庫運(yùn)行5 a后的8．5 m最終至50年后的8．7 m。

有水平水幕和垂直水幕時，運(yùn)營期洞室上方地下水16 m等水位線向外擴(kuò)展很慢，基本上不再擴(kuò)展，地下水位比較穩(wěn)定。

對比無水幕系統(tǒng)和有水幕系統(tǒng)（水平水幕和垂直水幕）條件下的結(jié)果可知，水幕系統(tǒng)在洞室運(yùn)行初始階段作用很小，之后逐漸起到補(bǔ)給作用，在10 a后作用尤其明顯，可見水幕系統(tǒng)保證了洞庫周圍穩(wěn)定的地下水位，對洞庫上方的地下水環(huán)境起到了一定的保護(hù)作用。

4 結(jié) 論

本文以錦州某地下水封洞庫工程為例，建立了研究區(qū)地下水封洞庫周圍地下水三維滲流數(shù)值模擬模型，將無水幕條件、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3種條件下洞庫周圍地下水等水位線的擴(kuò)展范圍和速度、洞室上方地下水16m等水位線隨時間的變化進(jìn)行對比，分析了水幕系統(tǒng)（水平水幕和垂直水幕）在地下水封洞庫水平方向和豎直方向上的作用，可得出如下結(jié)論：

（1）地下水封洞庫通過水幕系統(tǒng)可以阻止洞內(nèi)石油向外泄露，保證了工程的有效性和儲油的安全性。

（2）有水平水幕時，地下水等水位線在水平方向上的擴(kuò)展速度與無水幕時基本相同，開始時擴(kuò)展較快，隨后逐漸小。

（3）有水平水幕和垂直水幕時，洞庫周圍的地下水等水位線基本不再向外擴(kuò)展，被封閉在水幕范圍內(nèi)，說明水平水幕和垂直水幕對垂直方向尤其是洞庫上方的地下水等水位線的擴(kuò)展起到了抑制作用，這就大大減少了洞庫上方的地下水位下降。

由此可見，水幕系統(tǒng)不僅保證了地下水封洞庫的儲油安全，而且保護(hù)了洞庫周圍地下水資源和生態(tài)環(huán)境。因此，在地下水封石油洞庫工程中水幕系統(tǒng)有著十分重要的作用。

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