水封洞庫建設中水文監(jiān)測井水位變化的影響研究

李 世 銀

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

水封洞庫建設中水文監(jiān)測井水位變化的影響研究

李 世 銀

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

結(jié)合煙臺萬華地下水封洞庫水文監(jiān)測井水位變化的工程實例，對水文監(jiān)測井水位下降進行了分析研究，研究了對水文監(jiān)測井地下水位變化的控制措施，并提出了一些地下水封洞庫的建設建議。

地下水封洞庫，水文監(jiān)測井，地下水位，水封條件

0 引言

國際上利用地下水封式洞庫儲存石油及液化氣的技術已廣泛應用，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和對油氣資源的需求增大，我國目前已經(jīng)進入大規(guī)模建設地下水封洞庫時期。地下水封洞庫的原理主要是在穩(wěn)定的地下水位以下一定深度挖空巖石形成一定容積的洞室，通過洞室周圍巖體和裂隙中的地下水，借助人工水幕系統(tǒng)來達到在巖石內(nèi)儲存石油及液化氣。根據(jù)其原理可知，在地下洞室建設過程中，儲存洞室以上必須有長期穩(wěn)定的地下水位，且要達到一定的水頭差(靜水壓力)，使洞室周圍地下水的靜水壓力大于油(氣)壓力，同時還要求在人工水幕系統(tǒng)中通過水幕孔將地下水連通，在洞室周圍形成連續(xù)的水幕簾或水幕墻，才能保證將油(氣)長久密封儲存。地下水封洞庫儲存原理如圖1所示。

一般在地下水封洞庫建設中，地下洞室開挖后會出現(xiàn)大量涌水，導致地下水流失，從而引起地下水位的陡降，形成降水漏斗。為了監(jiān)測建庫場區(qū)地下水位的變化，及時規(guī)避地下水位下降對地下洞庫水封效果的風險，在地下水封洞庫建設期都會布設一定的水文監(jiān)測井，為地下水封洞庫的成功建設保駕護航。

在地下水封洞庫建設中，影響其建設的因素很多，作為巖石洞室本身，其實與其他地下工程(發(fā)電站、隧道)并無本質(zhì)上的差別，主要是圍巖完整性和穩(wěn)定性方面的要求，其設計和施工技術也在國內(nèi)比較先進和成熟；而水封原理是儲存石油及液化氣的地下巖洞與其他地下工程最大的不同或者本質(zhì)上的區(qū)別，可以說，水封能否成功是制約地下水封洞庫成敗的關鍵，也是其最大的風險所在。地下水位的變化(主要是下降)直接決定著地下洞庫的水封效果，是影響地下水封洞庫建設的重要因素。本文通過對煙臺萬華地下水封洞庫建設中水文監(jiān)測井地下水位變化的分析研究，希望在以后的地下水封建設中，重視水文地質(zhì)監(jiān)測井的設置、注重水文地質(zhì)監(jiān)測井水位變化的影響分析，以保證地下洞庫的水封效果。

1 庫區(qū)水文監(jiān)測井

1.1 庫區(qū)水文監(jiān)測井布設

擬建煙臺萬華地下水封洞庫設計庫容100萬m3，按儲存介質(zhì)分為三個洞庫，其中液化丙烷庫50萬m3，液化丁烷(或LPG)庫25萬m3，LPG庫25萬m3，主要地下工程包括9個主洞室、4個豎井、10條水幕巷道、1條施工巷道。一般地，建庫區(qū)水文監(jiān)測井布設基本原則如下：

1)當需要觀測庫區(qū)的巖體裂隙水與地表水體的水力聯(lián)系時，應布置垂直地表水體岸邊線的監(jiān)測井，同時監(jiān)測地表水體的水位變化；

2)在可研階段勘察的地下水監(jiān)測井可利用已有鉆孔；

3)初步設計階段勘察的地下水動態(tài)監(jiān)測井，可在已完鉆的各種勘探孔中選擇一部分加以利用；不足時，再補充觀測井；

4)施工圖設計及施工階段勘察的地下水動態(tài)監(jiān)測井布置應在初步設計階段勘察觀測網(wǎng)基礎上對洞庫有針對性的部署，如各洞庫的拱頂部位，洞庫周圍臨近洞庫排水邊界一帶的主要含水帶；

5)在地下洞庫的建設期，應盡早盡快建立水文監(jiān)測井，開展地下水位監(jiān)測工作。

根據(jù)地下水封洞庫設置水文監(jiān)測井的原則，在煙臺萬華地下洞庫的選址勘察、初步勘察及詳細勘察期間，布設了36個水文地質(zhì)監(jiān)測井(ZK01～ZK37，其中，ZK27號鉆孔因洞庫布置調(diào)整，未施鉆)。在地下洞庫建設后期，為確保地下水封洞庫的水封效果，及時了解地下洞庫開挖對場地地下水的影響，保障地下水封洞庫及其水幕系統(tǒng)的安全施工和正常營運，在充分利用原有勘察鉆孔的基礎上，盡可能的將建庫區(qū)域內(nèi)的已有勘探鉆孔改造為長期的地下水監(jiān)測孔，因此在地下水封洞庫施工期，根據(jù)新近庫區(qū)水文地質(zhì)監(jiān)測資料分析及確保運營期地下洞庫的水封要求，新增水文地質(zhì)監(jiān)測井15個。最后，在煙臺萬華地下水封洞庫建設中，共布設了51個水文地質(zhì)監(jiān)測井。這些監(jiān)測井分布于地下洞室、水幕巷道、巖脈、斷層及破碎帶上及其周圍，主要用于監(jiān)測洞室及水幕巷道周圍巖體深層裂隙水、淺層地下水、巖脈及破碎帶水等等。

1.2 水文監(jiān)測井地下水位介紹

擬建庫區(qū)地下水位主要受洞庫施工影響變化，在地下洞庫建設中，隨著施工開挖，巖石深層裂隙水勢必受到影響。自洞庫選址勘察階段開始，對洞庫區(qū)域內(nèi)各水文地質(zhì)監(jiān)測井進行水位監(jiān)測。一般情況，所有監(jiān)測井每日進行1次地下水位監(jiān)測，遇特殊水文地質(zhì)情況每日2次～3次的地下水位監(jiān)測。截止到地下洞庫主體建設結(jié)束，共對51個水文地質(zhì)監(jiān)測井進行了3個階段的地下水位監(jiān)測工作。

1)施工開挖初期。

在地下洞庫施工開挖初期，主要對洞庫施工巷道明槽段和淺埋段進行了開挖，該階段的洞室開挖對場地地下水水位基本無影響，洞庫區(qū)域地下水大部分一般在地表以下10.0 m范圍內(nèi)。庫址區(qū)的地下水主要隨季節(jié)發(fā)生自然波動，地下水位變幅受降水、蒸發(fā)和開采條件等因素的影響。地下水水位動態(tài)隨季節(jié)性變化明顯，年平均變幅可達2 m～3 m。

2)施工開挖高峰期。

在地下洞庫施工開挖高峰期，洞室及巷道開挖大規(guī)模展開。該階段的洞室開挖對距離開挖工作面較近的監(jiān)測井地下水影響較大，但在洞庫開挖過程中，通過采取一定的堵水措施，避免了水文監(jiān)測井地下水位持續(xù)的下降，大部分監(jiān)測井地下水位保持在洞庫設計地下水水位(高程：±0 m)以上。本階段水文地質(zhì)監(jiān)測井水位下降較大的監(jiān)測井主要有ZK06，ZK07，ZK23，ZK25，ZK30，ZK44及ZK37，其中有6個監(jiān)測井的水位降到了洞庫區(qū)域設計地下水水位(高程：±0 m)以下。

ZK23監(jiān)測井，位于公共交通巷道附近，距離交通巷道僅3.0 m，且井內(nèi)地下水與交通巷道洞室已經(jīng)相連，施工開挖時水位降至交通巷道底板高程處。ZK25監(jiān)測井，位于公共施工巷道和丁烷水幕巷道之間，受洞室開挖影響，洞內(nèi)大量涌水引起該監(jiān)測井內(nèi)水位陡降，水位降至洞庫區(qū)域設計地下水水位(高程：±0 m)以下后開始平緩下降。ZK44監(jiān)測井，位于丁烷水幕巷道附近，距離洞室僅5.0 m，根據(jù)水幕巷道開挖過程中的出水量監(jiān)測，該監(jiān)測井內(nèi)地下水與水幕巷道水幕孔裂隙連通性很好，由于水幕巷道水幕孔多次間斷供水，導致該監(jiān)測井水位降深較大。后期水幕巷道水幕孔供水正常后，該孔水位也基本穩(wěn)定。ZK30監(jiān)測井位于丁烷洞庫和丙烷洞庫之間，該監(jiān)測井穿過場地內(nèi)的花崗斑巖脈，該巖脈貫穿整個場地，與丁烷水幕巷道、丙烷水幕巷道和丙烷豎井相連，這些洞室的大量涌水造成ZK30監(jiān)測井內(nèi)水位發(fā)生持續(xù)下降。

3)開挖后期到氣密試驗。

在洞室開挖后期，施工開挖工作基本已經(jīng)結(jié)束，洞室內(nèi)大的滲水點已經(jīng)注漿封堵，洞庫區(qū)域內(nèi)各水文監(jiān)測井地下水位基本穩(wěn)定，大部分地下水位位于洞庫區(qū)域設計地下水水位(高程：±0 m)以上。各水文監(jiān)測井水位均呈現(xiàn)上升趨勢。洞庫主體建設全部完成后繼續(xù)進行場地地下水位監(jiān)測，至洞庫氣密試驗期間場地所有監(jiān)測井地下水位均能恢復至設計地下水位(高程：±0 m)以上。

總體來說，在地下水封洞庫建設過程中，通過對洞庫區(qū)域內(nèi)51個水文監(jiān)測井3個階段的地下水位監(jiān)測工作，可以隨時準確掌握洞庫區(qū)域內(nèi)地下水水位變化情況，為洞庫的超前預報、超前注漿、洞室開挖、洞室支護、后注漿方案、洞庫設計和施工方案等提供了詳細的場地地下水水位情況，對煙臺萬華地下洞庫項目的建設意義重大。同時，通過對場地水文監(jiān)測井地下水位的監(jiān)測也驗證了在洞庫交通巷道和水幕巷道灌滿水至高程±0 m后，洞庫區(qū)域內(nèi)場地地下水水位也恢復至高程±0 m以上。洞庫區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況滿足洞庫水封的基本要求。

2 水文監(jiān)測井水位陡降對水封條件的影響

按水封洞庫密封原理，在地下洞室開挖時出現(xiàn)的大量涌水，導致地下水流失，若引起地下水位的陡降，會形成降水漏斗。當?shù)叵滤幌陆档浇◣靾鰠^(qū)地下水位安全界限(設計水位高程：±0 m)以下時將威脅到地下水封洞庫的水封條件。在該地下水封洞庫建設中，主要有ZK30，ZK44，ZK07，ZK23及ZK37水文監(jiān)測井影響到地下水封洞庫的水封條件。而從影響程度來看，ZK30水文監(jiān)測井水位的陡降直接威脅到地下洞庫水封效果，嚴重影響到地下洞庫建設的水封條件。

水文監(jiān)測孔ZK30是位于丙烷主洞庫和丁烷主洞庫間的斜孔，方位角為N75°E，頂角為30°，孔深250.2 m。該監(jiān)測井穿過地下洞庫場區(qū)15號，16號花崗斑巖脈，主要監(jiān)測15號，16號花崗斑巖脈對丁烷主洞庫與丙烷主洞庫之間的深層地下水。ZK30監(jiān)測井與巖脈平面位置圖如圖2所示。

自2011年12月25日開始對ZK30監(jiān)測井水位開始監(jiān)測以來，隨著地下洞庫開挖施工的進行，ZK30監(jiān)測井水位開始出現(xiàn)緩慢的下降，隨后多次出現(xiàn)陡降與上升現(xiàn)象。2014年3月13日～3月14日期間，ZK30監(jiān)測井水位出現(xiàn)異常陡降，埋深由56.60 m陡降至90.58 m(標高-49.27)，陡降深度達29 m。3月15日，水位埋深為72.35 m(標高-33.49 m)，相比3月14日該監(jiān)測井水位又上升了15.79 m。具體的地下水位變化情況如表1所示。

表1 ZK30監(jiān)測井地下水位變化表 m

從整體來看，ZK30水文監(jiān)測井水位主要表現(xiàn)為下降趨勢，局部表現(xiàn)為上下波動變化，波動幅度差在20 m左右。前期主要受地下洞室開挖影響，在洞室內(nèi)巖脈大量出水、丙烷豎井大量涌水及水幕孔施鉆等造成ZK30監(jiān)測井水位的持續(xù)下降；但在后期隨著施工開挖的完成、水幕供水的穩(wěn)定，ZK30監(jiān)測井水位一段時間內(nèi)趨于穩(wěn)定；隨后由于丙烷水幕巷道水幕孔供水間斷，ZK30監(jiān)測井水位上下波動變化明顯。丙烷水幕供水的中斷對ZK30監(jiān)測井水位產(chǎn)生了很大的影響，最終導致該監(jiān)測井水位最低降至90.58 m(標高-49.27)。

經(jīng)分析，ZK30水文監(jiān)測井水位下降的直接原因是：與貫穿丙烷主洞庫、丁烷主洞庫及ZK30監(jiān)測井的15號，16號花崗斑巖脈有關，該監(jiān)測井內(nèi)導水裂隙帶通過花崗斑巖脈與丁烷主洞庫和丙烷主洞庫的個別水幕孔相連通。而ZK30監(jiān)測井通過花崗斑巖脈與丙烷豎井內(nèi)的某個裂隙也存在連通。在花崗斑巖脈及水幕孔出現(xiàn)大量涌水時，ZK30監(jiān)測井地下水位出現(xiàn)陡降。

因此ZK30水文監(jiān)測井水位陡降對地下洞庫水封條件的影響如下：

1)ZK30監(jiān)測井位于丙烷水幕巷道和丁烷水幕巷道之間。其中丙烷水幕巷道頂標高為-95 m，丁烷水幕巷道頂板標高為-65 m。而地下水封洞庫的最低警戒水位為水幕巷道頂板以上20 m，因此丙烷主洞室區(qū)域為-75 m，丁烷主洞室區(qū)域為-45 m。根據(jù)本次ZK30監(jiān)測井地下水位最低降落標高為-49.27 m，該標高已經(jīng)超過了該區(qū)域最低警戒水位(標高-45 m)，在該監(jiān)測井附近形成了較大的陡降漏斗，將直接威脅地下洞庫的水封效果。

2)在ZK30監(jiān)測井水位下降可能導致深層裂隙水體大量流失，水幕巷道頂板20 m以上的毛細水出現(xiàn)不飽和狀態(tài)，而這種不飽和是不可逆的，勢必影響到地下洞庫區(qū)域地下水位的恢復情況，從而影響到地下水封的效果。

3 水文監(jiān)測井地下水位的控制措施

為了監(jiān)測建庫場區(qū)地下水位的變化，及時規(guī)避地下水位下降對地下洞庫水封效果的風險，并對出現(xiàn)陡降的水文監(jiān)測井地下水位實現(xiàn)有效安全的控制。通過實際工程實例，提出以下幾點措施：

1)及早建立地下水位監(jiān)測井，完善監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并及時分析各監(jiān)測孔水位與相鄰巷道和洞室開挖涌水量之間的關系；

2)合理布設水文監(jiān)測井，尤其在洞室的斷層及破碎帶、巖脈發(fā)育地帶，一定要布設有水文監(jiān)測井；

3)設置水幕巷道，重視水幕孔裂隙的連通性，分析水幕孔與水文監(jiān)測井的連通性，加強對水幕孔供水的檢查，確保水幕供水正常；

4)加強對洞室內(nèi)涌水量的監(jiān)測，如有大的涌水或者持續(xù)的流水裂隙，立即分析其對地下水位的影響；

5)在洞室或者巷道施工時采取超前預注漿，對大的涌水量進行超前注漿封堵，并加強超前地質(zhì)預報；

6)在地下水位監(jiān)測期，加強對水文監(jiān)測井的監(jiān)測和保護工作。

4 結(jié)語

本文通過對煙臺萬華地下水封洞庫建設中水文監(jiān)測井地下水位變化的分析研究，得出以下結(jié)論：

地下水封洞庫在建設中，施工開挖總會對洞室及巷道周圍地下水造成一定影響，地下水位會出現(xiàn)不同程度的下降。由于地下水封洞庫受水封條件的制約，對于地下水位有著嚴格的要求，當?shù)叵滤怀霈F(xiàn)大的陡降或者持續(xù)的下降，可能會威脅到最終的水封效果，進而決定地下水封洞庫的建設成敗。而作為地下水位的直接監(jiān)測通道，水文監(jiān)測井在地下水封洞庫的建設過程中扮演著極其重要的作用。

根據(jù)以上結(jié)論及對水文監(jiān)測井地下水位變化的研究，提出以下建議：

1)在水文監(jiān)測井監(jiān)測地下水位時，在對地下洞庫洞內(nèi)涌水量監(jiān)測基礎上，應查明水幕巷道與水文監(jiān)測井的連通程度。

2)在地下水封洞庫建設中，應詳細查明巖脈裂隙含水量及其導水性能。

3)在地下洞庫施工中，依據(jù)庫區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合開挖揭露的水文地質(zhì)條件，預測施工過程中出現(xiàn)突水或者涌水的可能；建議采取超前地質(zhì)預報查明裂隙水形態(tài)及水量，并采用超前預注漿的方式對涌水點進行注漿處理。

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Study on the impact of water level alteration of hydrological monitoring well in water-sealed cavern construction

Li Shiyin

(BeijingDongfangXinxingPetroleumEngineeringCo.,Ltd,Beijing100070,China)

Combining with water level alteration engineering of hydrological monitoring well of Wanhua water-sealed cavern in Yantai as the example, the article analyzes and studies the water level depression of hydrological monitoring well, studies measures of controlling underground water level alteration of hydrogeological monitoring well, and puts forward some underground water-sealed cavern construction suggestions as well.

underground water-sealed cavern, hydrogeological monitoring well, underground water level, water-sealing conditions

2015-01-29

李世銀(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)10-0091-03

P641

A