基于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的煙臺水封洞庫滲水點分析

黎照洪，胡 成，陳 剛，劉靜華

(中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北武漢430074)

基于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的煙臺水封洞庫滲水點分析

黎照洪，胡 成，陳 剛，劉靜華

(中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北武漢430074)

建立在致密結(jié)晶巖地區(qū)的地下水封洞庫開挖過程中洞室及水幕巷道的滲水具有不均勻性，而現(xiàn)階段主要在開挖后根據(jù)實際滲水量組織施工排水，若排水不及時容易造成洞室或巷道大面積浸水而形成安全風險。為在洞室開挖前對滲水點分布及滲水量進行一定預(yù)測，從而提前且合理安排排水工作，降低施工風險，以煙臺地下水封洞庫丁烷庫區(qū)為例，在對該庫區(qū)裂隙調(diào)查結(jié)果進行一定的統(tǒng)計分區(qū)后，采用Monte-Carlo隨機模擬方法建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，通過多次迭代確定裂隙模擬置信區(qū)間，并選取在置信區(qū)間范圍內(nèi)的裂隙模擬結(jié)果按照立方定律求取滲透系數(shù)，按區(qū)間進行水封洞庫滲水點分布區(qū)劃分，同時與實測大流量滲水區(qū)域進行比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，表明該方法能借助前期裂隙統(tǒng)計結(jié)果預(yù)測洞室開挖后滲水情況，協(xié)助組織施工期洞室排水。

地下水封洞庫;離散裂隙網(wǎng)絡(luò);隨機模擬;滲水預(yù)測;煙臺市

地下工程施工過程中巷道滲水是影響工程進度乃至引發(fā)事故的常見工程地質(zhì)問題，而地下水封洞庫一般建于致密基巖地區(qū)地下水位以下，開挖過程中洞室滲水問題尤為普遍。由于裂隙介質(zhì)不均勻的導水性，滲水點的水量差異明顯，故采取一定手段合理預(yù)判地下洞庫涌水量，能幫助施工過程中合理安排排水工作或指導進行其他工程措施。目前，預(yù)測地下洞室滲水量的方法主要包括水文地質(zhì)比擬法、經(jīng)驗解析法或公式法和數(shù)值模擬法。水文地質(zhì)比擬法一般通過類比同類工程經(jīng)驗，但目前我國已建成地下水封洞庫較少且地質(zhì)條件差異較大，適合作為類比的工程項目不多。經(jīng)驗解析法以地下水動力學為基礎(chǔ)，通過概化庫區(qū)的地下水滲流條件而對洞室中的涌水量進行預(yù)測，如大島揚志方法、佐藤邦明方法、我國鐵道工程關(guān)于洞室初期涌水量和穩(wěn)定涌水量的計算公式等。數(shù)值模擬法則根據(jù)概念模型對開挖區(qū)地下水滲流場進行計算機模擬，如王者超等［1］、何國富［2］綜合運用多種方法分析了地下水封洞庫工程的涌水量;龐家偉等［3］運用數(shù)值模擬手段分析煙臺地下水封洞庫在施工及運營期的涌水量;韓曼［4］分析了有無水幕條件下地下水封洞庫涌水量的差異。上述三種方法在粗略估算地下水滲水總量方面起到了良好效果，但對于巖體各向異性方面考慮不足，不能較好地預(yù)測滲水點具體分布區(qū)域。為了對滲水點具體區(qū)域進行預(yù)測，需要對地下水封洞庫地下滲透系數(shù)張量進行評估，如張龍等［5］引入試井理論，介紹了地下水封洞庫水平水幕鉆孔滲透張量的求解方法;季惠彬［6］則根據(jù)Hyung等［7］總結(jié)的地下水封洞庫巖體滲透系數(shù)張量的合理范圍，評價了黃島水封洞庫巖體滲透系數(shù)張量。此外，通過建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的方法，可有效研究地下裂隙的不均勻分布，并借用立方定律，可求取巖體滲透系數(shù)［8-13］。但目前在地下水封洞庫領(lǐng)域應(yīng)用較少，僅有馬峰［14］根據(jù)黃島水封洞庫裂隙統(tǒng)計結(jié)果求解了裂隙巖體滲透系數(shù)張量，并分析了滲透系數(shù)張量的整體特點，尚缺乏根據(jù)滲透系數(shù)與實際滲水量進行對比的研究。

本文以煙臺地下水封洞庫丁烷庫區(qū)為例，基于裂隙調(diào)查結(jié)果，按裂隙密度對研究區(qū)進行劃分后，采用模擬軟件Fracman的Monte-Carlo隨機模擬方法生成離散裂隙網(wǎng)絡(luò)，通過多次迭代確定裂隙模擬置信區(qū)間，并選取在置信區(qū)間范圍內(nèi)的裂隙模擬結(jié)果按照立方定律求取裂隙巖體滲透系數(shù)，按區(qū)間進行水封沿庫滲水點分布區(qū)統(tǒng)計劃分，同時與實測滲水點進行對比，結(jié)果表明該方法能較好地預(yù)測洞庫滲水區(qū)域及滲水特點。

1 煙臺水封洞庫工程概況

工程項目為煙臺某公司商業(yè)儲備區(qū)，分為丁烷洞庫庫區(qū)、LPG洞庫庫區(qū)和丙烷洞庫庫區(qū)，其中丁烷洞庫庫區(qū)為本文的研究對象。該煙臺地下水封洞庫丁烷庫區(qū)截面呈馬蹄形，拱頂跨度約18 m，高度約26 m，包含3條水幕巷道、1個豎井和3個主洞室，分別編號為BC1、BC2、BC3，主洞室之間配有連接巷道，水幕巷道在洞室上方20 m，總長度784 m。庫址區(qū)地形地貌上屬山間河谷沖洪積丘陵到平原地貌過渡帶，基巖為燕山早期的黑云母二長花崗巖，主要巖脈為閃長玢巖脈、煌斑巖脈、燕山期花崗斑巖脈等，庫址西側(cè)靠近丁烷庫區(qū)發(fā)育一局部斷裂段。

2 離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的建立

2．1 裂隙測量統(tǒng)計

本次通過8組鉆孔電視成像、2組已開挖洞室地質(zhì)素描，對研究區(qū)結(jié)構(gòu)面裂隙進行了測量，得到水幕巷道裂隙314條、水幕巷道下方儲藏品主洞室裂隙 388條，裂隙優(yōu)勢產(chǎn)狀為:NE62°～74°∠79°～89°、SE111°～118°∠78°～84°、SW242°～253°∠83°～89°、NW289°～305°∠66°～79°。

2．2 模擬區(qū)劃分

將洞室施工區(qū)域適當向外擴展，選取長為500 m、寬為250 m、高為200 m的空間區(qū)域作為模擬區(qū)，如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)范圍平面圖Fig．1 Plan of simulation area

根據(jù)工程重要性在水平方向劃分為中部洞室主體區(qū)域以及左、右兩側(cè)外圍區(qū)域共3部分，并根據(jù)裂隙密度隨深度變化特征，將每個部分在垂直方向上各劃分為3個裂隙等密度區(qū)域，共計9個分區(qū)，具體分區(qū)位置見圖2，其中V區(qū)為洞庫工程的水幕巷道及油氣品洞室所在區(qū)域。各分區(qū)空間位置、裂隙密度及優(yōu)勢產(chǎn)狀統(tǒng)計見表1。

2．3 裂隙結(jié)構(gòu)面幾何要素統(tǒng)計及裂隙網(wǎng)絡(luò)生成

裂隙結(jié)構(gòu)面幾何要素統(tǒng)計包括產(chǎn)狀統(tǒng)計、裂隙跡長統(tǒng)計、裂隙隙寬統(tǒng)計等，本次研究對洞室主體部分Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區(qū)裂隙結(jié)構(gòu)面幾何要素進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示:裂隙跡長服從對數(shù)正態(tài)分布;裂隙隙寬服從負指數(shù)分布;Ⅳ、Ⅴ區(qū)產(chǎn)狀分布類型為二元賓漢類型，Ⅵ區(qū)產(chǎn)狀分布類型為費雪類型。

圖2 模擬區(qū)分區(qū)示意圖Fig．2 Zoning of the simulation area

表1 離散裂隙模擬分區(qū)情況統(tǒng)計表Table 1 Statistics of the simulation zone of the discrete fracture

在裂隙結(jié)構(gòu)面幾何要素統(tǒng)計結(jié)果基礎(chǔ)之上，采用Monte-Carlo法隨機生成各個分區(qū)內(nèi)的裂隙，研究區(qū)裂隙結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果見圖3。

圖3 研究區(qū)離散裂隙網(wǎng)絡(luò)Fig．3 Discrete fracture network of the study area

圖3中每一種顏色的片狀六邊形分別表示子分區(qū)中某一優(yōu)勢產(chǎn)狀控制的裂隙集，六邊形的分布位置及密集程度表示裂隙集的空間發(fā)育密集位置及其密集程度。由圖3可見，垂向上(沿Z軸正方向)，自上而下裂隙發(fā)育程度逐步降低;水平方向上，自西向東(即X軸正方向)裂隙發(fā)育密集程度下降，裂隙發(fā)育特點受研究區(qū)西側(cè)的局部斷裂帶影響明顯。

3 滲透系數(shù)求取與滲水區(qū)域?qū)Ρ?/h2>

3．1 置信區(qū)間分析與滲透系數(shù)求取

為合理預(yù)測地下封洞庫滲水情況，需從模擬結(jié)果中選取與洞室開挖空間相連通的裂隙。雖然Monte-Carlo方法［15］是一種統(tǒng)計意義上概率分布的隨機模擬方法，不同模擬結(jié)果間存在一定程度差異，但隨著模擬次數(shù)增加能表現(xiàn)其宏觀規(guī)律性，故利用Fracman軟件的宏命令功能產(chǎn)生100次連通性分析隨機模擬結(jié)果，并分別統(tǒng)計每次所得出的與洞室連通的裂隙數(shù)量，最終得到丁烷洞庫各個子洞室(BC1、BC2、BC3)的連通裂隙數(shù)量分布，詳見圖4至圖6。

圖4 子洞室BC1連通裂隙數(shù)量迭代統(tǒng)計結(jié)果Fig．4 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC1

圖5 子洞室BC2連通裂隙數(shù)量迭代統(tǒng)計結(jié)果Fig．5 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC2

本文利用SPSS軟件對裂隙數(shù)據(jù)進行分析，采用95%置信率下的連通裂隙數(shù)數(shù)量范圍作為置信區(qū)間，用于滲透性分析。各子洞室對應(yīng)的連通裂隙數(shù)量置信區(qū)間見表2。

圖6 子洞室BC3連通裂隙數(shù)量迭代統(tǒng)計結(jié)果Fig．6 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC3

同樣，為保證裂隙模擬結(jié)果的可靠性，進行了多次模擬，得到一個在置信區(qū)間范圍內(nèi)的連通裂隙數(shù)量模擬結(jié)果值，再根據(jù)立方定律求取對應(yīng)的滲透系數(shù)，并根據(jù)滲透系數(shù)數(shù)量級進行分區(qū)間裂隙數(shù)量統(tǒng)計，其結(jié)果見表3。

表2 子洞室連通裂隙數(shù)量置信區(qū)間Table 2 Confidence interval of the numbers of fractures connecting to the sub-caverns

表3 子洞室連通裂隙數(shù)量模擬結(jié)果及對應(yīng)的滲透系數(shù)Table 3 Simulation result of the numbers of fractures connecting to the sub-carvens and the corresponding permeability coefficients

3．2 模擬結(jié)果與實測滲水區(qū)域?qū)Ρ?/p>

將連通裂隙數(shù)量多(取連通裂隙數(shù)量大于10條的部分)且滲透性相對較大的部分作為預(yù)測大流量滲水區(qū)，即BC1子洞室的K090～130 m及K0240～270 m區(qū)域、BC2子洞室的K0150～200 m區(qū)域以及BC3子洞室的K0150～230 m區(qū)域，并在洞室開挖完成后對現(xiàn)場實測滲水點進行統(tǒng)計，劃分實測大流量滲水區(qū)域，對3個子洞室共劃分出6個實測大流量滲水區(qū)域，詳見表4。

表4 丁烷洞庫各子洞室大流量滲水區(qū)域Table 4 High-flux seepage zones in each sub-carven of the butane reservoir

在丁烷洞庫平面圖上將實測和預(yù)測大流量滲水區(qū)域這兩部分區(qū)域進行投影，可得到該丁烷洞庫實測與預(yù)測大流量滲水區(qū)域的對比圖，見圖7。從實測滲水區(qū)域與預(yù)測滲水區(qū)域在平面圖上的重疊情況來看，6個實測滲水區(qū)域中，有5個實現(xiàn)了較準確的預(yù)測，其預(yù)測效果良好。

圖7 丁烷洞庫實測與預(yù)測大流量滲水區(qū)域?qū)Ρ葓DFig．7 Comparison of the measured and predicted high-flux seepage zone in butane reservoir

4 結(jié) 論

本文通過對煙臺地下水封洞庫丁烷庫區(qū)開展離散裂隙網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建工作與現(xiàn)場滲水統(tǒng)計工作，對比了通過數(shù)值模擬得到的滲透系數(shù)偏大區(qū)域與實測大流量滲水區(qū)域的分布差異，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。因此，在洞室未開挖階段，通過收集整理前期的裂隙展布數(shù)據(jù)，建立離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型，在一定程度上可以實現(xiàn)對開挖階段大流量滲水區(qū)域的預(yù)測，以便協(xié)助組織施工期洞室排水。

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Seepage Analysis of the Water-sealed Cavern in Yantai City Based on the Discrete Fracture Network Model

LI Zhaohong，HU Cheng，CHEN Gang，LIU Jinghua
(School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Seepage inhomogeneity is common characteristics in carvens and water curtain tunnels during excavation which are built in compact crystalline rock area．At presentthe site drainage is deployed after the excavation has begun according to the actual seepage quantity．Once the water is not discharged in time，the caves or the tunnels tend to immerse to a large extent with a hysteretic drainage，which may cause safety risk．To forecast the seepage point and its quantity before the caves are dug，so as to arrange reasonably the drainage in advance and lower the constructive risk，this paper calculates and classifies the fracture in the water-sealed cavern of Yantai city and builds the discrete fracture network model based on the stochastic method by Monte-Carlo．With multiple iterations，the paper confirms the confidence interval of the fracture simulation，then calculates the permeability coefficients using cubic law according to the simulated result of fractures which lies in confidence interval．Furthermore，the paper divides seepage points of water-sealed cavern into several parts by the confidence interval and compares with the virtual parts．The results exhibit fine consistency between the simulated and the measured parts，showing that the method can predict the seepage after caving，which helps in site drainage in construction period．

underground water-sealed cavern;discrete fracture network;stochastic simulation;seepage prediction; Yantai City

X948;TU926

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．029

1671-1556(2016)05-0170-04

胡 成(1976—)，男，博士，副教授，主要從事3S技術(shù)在水文地質(zhì)中的應(yīng)用以及工程水文地質(zhì)方面的研究。E-mail:hu-cheng @cug．edu．cn

2015-11-09

2016-08-24

黎照洪(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為工程水文地質(zhì)。E-mail:526152304@qq．com