關于地下水封洞庫水幕系統(tǒng)試驗的討論

劉靜華，黃圣楠，陳　剛，胡　成

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院，武漢　430074;2.中國石油集團測井有限公司，西安　710077)

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關于地下水封洞庫水幕系統(tǒng)試驗的討論

劉靜華1,2，黃圣楠1，陳剛1，胡成1

(1.中國地質(zhì)大學(武漢) 環(huán)境學院，武漢430074;2.中國石油集團測井有限公司，西安710077)

摘要：為了評價洞庫水幕系統(tǒng)密封效果，進行了水幕系統(tǒng)效率試驗，通過水幕孔在不同水動力狀態(tài)下的壓力變化情況判斷其效率值的高低，進而在低效率巖體區(qū)域增加水幕孔來改善巖體連通性和滲透性，提升水幕效率值。討論了水幕系統(tǒng)水平水幕孔效率試驗中關鍵參數(shù)臨界壓力值的求解方法，并以煙臺某地下洞庫水平水幕孔效率試驗為例，應用該方法求解的臨界壓力值對水幕效率進行判斷。試驗結果證明，該臨界壓力值的求解方法有一定可行性，能夠準確判斷需要補孔的區(qū)域，進而顯著提升該區(qū)域的水幕系統(tǒng)效率值；巖體滲透性與水幕效率關系密切，一般情況下，滿足洞室密封要求的巖體的滲透系數(shù)在10-7～10-5m/s 范圍內(nèi)；文中臨界壓力值的求取是在一定假設基礎之上完成，在實際工程中還需要進一步完善。

關鍵詞：地下水封洞庫; 水幕系統(tǒng); 水幕效率試驗; 水幕系統(tǒng)密封性; 臨界壓力值

1研究背景

地下水封洞庫是在穩(wěn)定的地下水位以下一定深度的天然巖體中，人工開挖的以巖體和巖體中地下水共同構成儲油空間的一種特殊地下工程[1]。洞庫修建在穩(wěn)定地下水位以下可以確保洞室圍巖中的裂隙水壓力始終大于洞庫儲存溫度下油氣的飽和蒸汽壓力，既可防止洞庫儲存的油氣隨圍巖裂隙滲透出，又可保證少量地下水沿著裂隙流入洞庫內(nèi)。由于液態(tài)油氣較水輕且互不相溶，流入洞庫中的水沿著巖壁匯集到洞庫底部，形成防止?jié)B漏的水墊層[2-4](如圖1)。

圖1　地下水封洞庫原理示意圖Fig.1　Schematic diagram of water-sealedunderground storage cavern

由于天然條件下能夠滿足地下水封洞庫建設條件的位置較少，尤其是在遇到干旱的年份，對于地下水水封密閉效果具有很大的影響[4]。因此，為確保洞室密封性、改善地下水滲流狀態(tài)，通常在洞室上方一定位置設置人工水幕系統(tǒng)，通過人工注水的方式在洞室上部形成水蓋層，提供額外的水頭對洞庫進行水動力密封，以防止內(nèi)部氣體或液體泄漏[5-6]。

水幕系統(tǒng)主要由在洞室上方的水幕巷道和水幕孔組成，通過在水幕孔中人為提供設定的供水壓力，一定間距的水幕孔以線帶面，在水幕層平面上形成穩(wěn)定水頭，滲流到巖體的裂隙空隙中[6-8](圖2)。

圖2　水幕系統(tǒng)示意圖Fig.2　Schematic of water curtain system

水幕系統(tǒng)主要有2個作用：①維持了洞室?guī)r體的飽水狀態(tài)，保障了洞室?guī)洪_挖的施工條件，避免因洞室開挖形成降落漏斗進而造成洞室圍巖失水；②運營期間通過水幕孔在洞室上方巖體中形成穩(wěn)定水頭，保證洞室密封性[9]。水幕孔主要分為水平水幕孔、垂直水幕孔和傾斜水幕孔[10]。

水幕系統(tǒng)作為地下水封洞庫的重要組成部分，對于地下水封洞庫的密封性起到了關鍵作用[11]。如何通過試驗手段有效檢驗和評價水幕系統(tǒng)的密封效果、制定相應的改善水幕系統(tǒng)密封性的工程措施，成為洞庫設計、施工領域的一個熱點和難點。

水幕系統(tǒng)效率試驗是目前評價水幕系統(tǒng)密封性的主要試驗方法。由于具有較高的商業(yè)價值，目前國內(nèi)外關于水幕系統(tǒng)效率試驗流程及數(shù)據(jù)處理方法的文獻報道較少，本文在煙臺某地下洞庫水平水幕孔效率試驗基礎上，總結歸納了水幕效率試驗一般流程，并從水封洞庫的原理出發(fā)，探討了水幕效率關鍵判斷參數(shù)——臨界壓力值的求解思路。

2水幕系統(tǒng)效率試驗

水幕效率是用來衡量一定間距的水幕孔在人工定壓供水時維持水幕層巖體穩(wěn)定裂隙水壓力的能力，水幕孔的壓力傳導效果因巖體導水裂隙發(fā)育程度不同而存在一定的差異。若巖體導水裂隙發(fā)育程度低、連通性差造成巖體內(nèi)裂隙水壓力低于儲庫允許的最低儲存壓力，就可能影響洞庫的整體密封性，造成儲物的泄漏。

通常，水幕孔布設間距越小、水幕孔數(shù)量越多水幕系統(tǒng)的水封效果越好，但實際工程中根據(jù)場地地質(zhì)條件并考慮到成本、工期等因素，水幕孔布設間距通常設計在5～20 m之間。由于巖體裂隙發(fā)育程度不同，固定間距的水幕孔在注水條件下產(chǎn)生的裂隙水壓力在水幕層巖體中的傳導效果也不同。

水幕系統(tǒng)效率試驗通過水幕孔在不同水動力狀態(tài)下的壓力變化情況，分析和判斷水幕孔之間巖體的連通性和滲透性特征，是針對水幕層巖體水頭傳導效果差異性的測試。通過效率試驗來判斷水幕孔布設間距是否滿足洞室密封要求，決定是否需要在低滲透性巖體區(qū)域增加水幕孔進而縮短孔間距、改善水幕系統(tǒng)密封性。

2.1水幕系統(tǒng)效率試驗的一般流程

水幕效率試驗一般分為3個不同的水動力階段(如圖3)：

(1) 第1階段為天然靜水壓力階段，在該階段，關閉所有水幕孔供水閥門，停止水幕供水。觀察無注水條件下巖體內(nèi)裂隙水壓力分布情況。

(2) 第2階段為第1水動力狀態(tài)階段，在該階段，間隔打開水幕孔供水閥門(設定打開奇數(shù)號或偶數(shù)號水幕孔)，關閉其它孔(偶數(shù)號或奇數(shù)號)，記錄所有水幕孔壓力，注意觀察閥門關閉的水幕孔的壓力值大小。判斷注水水幕孔對臨近水幕層巖體裂隙水壓力的提升能力。

(3) 第3階段為第2水動力狀態(tài)階段，該階段與第2階段相反，第2階段關閉的閥門打開，第2階段打開的閥門關閉，記錄所有水幕孔壓力值，注意觀察閥門關閉的水幕孔的壓力值大小。判斷注水水幕孔對臨近水幕層巖體裂隙水壓力的提升能力。

圖3　水幕效率試驗各階段水幕孔狀態(tài)示意圖

圖4　臨界壓力與非注水孔壓力對比Fig.4　Critical pressures andnon-injection borehole pressures

2.2水幕系統(tǒng)效率評價標準

通過水幕效率試驗，觀察非注水水幕孔(觀測孔)在相鄰水幕孔注水條件下的穩(wěn)定壓力值大小，評價裂隙水壓力在巖體中的傳導效果，捕捉到水幕層中裂隙連通性、滲透性差的巖體的具體位置。

臨界壓力值(PC)是評價水幕效率的關鍵參數(shù)，是指在保證洞室密封性的條件下觀測孔允許的最小壓力值。如圖4，若注水孔(孔1，孔3)注水壓力在傳導至相鄰非注水孔后(孔2)的壓力值低于臨界壓力值(P2-1PC)，則認為兩孔之間巖體壓力傳導效果好，是高效率區(qū)域，不需要進一步處理。

3臨界壓力值的求解

臨界壓力值的求取是準確判斷水幕效率高低、評價洞室密封性好壞的關鍵。臨界壓力值的大小與很多因素有關，如天然地下水位、水幕孔間距、巖體滲透性、洞室埋深等。筆者從水封洞庫的原理出發(fā)探討了水幕系統(tǒng)水平水幕孔臨界壓力值的求解方法。

水封洞庫通常修建在穩(wěn)定地下水位以下一定深度的天然巖體中。為保證周邊地下水位不受洞室開挖的影響，在洞室開挖之前，水幕系統(tǒng)已完成施工并實現(xiàn)供水。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，由于水幕系統(tǒng)的作用，在洞室開挖及運營期間，天然地下水位位于洞室頂板以上位置。在臨界壓力值求解過程中，為使洞室獲得更好的密封效果，我們考慮這樣一種極端情況，即：當天然地下水位位于洞室頂板位置時，單純依靠水幕系統(tǒng)實現(xiàn)對洞室的有效密封。因此，本文做出以下假設：

(1) 天然地下水位位于洞室頂板位置。

(2) 在水幕系統(tǒng)作用下，洞室在運營期間處于臨界狀態(tài)，達到洞室密封的最低要求。

(3) 洞室?guī)r性為均值且各向同性。

水幕系統(tǒng)效率試驗期間，洞室內(nèi)部無儲物，洞室與外界連通，與洞庫運營過程中洞室內(nèi)有一定壓力情況不同。因此，應對試驗階段和運營階段分別進行考慮。

綜上所述，知識可視化與網(wǎng)絡媒介素養(yǎng)教育二者在互聯(lián)網(wǎng)技術高度發(fā)達的信息社會中結合，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡技術更好地促進人的發(fā)展，實現(xiàn)人們在高技術環(huán)境下能夠獲得豐富的知識、方便的交流，從而實現(xiàn)自身的發(fā)展，最終實現(xiàn)智慧的技術環(huán)境，培養(yǎng)智慧的人的目標。

水幕系統(tǒng)在洞室開挖、洞庫運營過程中是以一個整體在發(fā)揮作用，通過人工補水的方式在洞室上方巖體中形成一定覆蓋面積的穩(wěn)定、持續(xù)的水頭值，起到水動力密封作用以防止儲物泄露，如圖5所示。

圖5　臨界壓力值求解示意圖Fig.5　Schematic of solving critical pressure value

如圖5(a)所示，洞室在運營過程中水幕巷道充水，水幕孔以穩(wěn)定壓力持續(xù)供水。由于天然地下水位在洞室頂板位置，因此，若洞室頂板位置(A2)的水頭值大于或等于洞室內(nèi)儲物的儲存壓力(飽和蒸汽壓)，就可以滿足洞室密封要求。洞室頂板位置滿足密封條件(A1-A2)的臨界狀態(tài)為

(1)

式中：P注水為洞室運營期間水幕穩(wěn)定供水壓力；h為水幕層具有的位置水頭；P損1為水頭損失；P0為儲物儲存壓力(飽和蒸汽壓)。

如圖5(b)所示，洞室在試驗過程中洞室內(nèi)無儲物且與外界連通，因此，洞室內(nèi)無壓力。試驗期間水幕孔間隔供水，為保證洞室密封性，要求水幕系統(tǒng)在水幕孔間隔供水的狀態(tài)下所能提供的穩(wěn)定水頭值大于或等于臨界壓力值，試驗期間洞室頂板(B2)位置滿足密封條件(B1-B2)的臨界狀態(tài)為

(2)

式中P損2為水頭損失。

由于裂隙水滲流途徑相同，我們認為P損1=P損2，由式(1)和式(2)可求得臨界壓力值。

4實例分析

4.1數(shù)據(jù)分析與處理

以LPG水幕巷道2的西側水平水幕孔3個階段的效率試驗數(shù)據(jù)為例進行分析，通過上述方法求取觀測孔臨界壓力值，判斷水幕孔效率的高低，并根據(jù)結果設計水幕孔補孔方案，最后通過試驗手段對補孔效果進行驗證，評價臨界壓力值求取方法的可行性。

在洞庫運營過程中，LPG以氣-液混合的形式儲存在洞室內(nèi)(主要以液態(tài)LPG為主)，LPG的儲存壓力(飽和蒸汽壓)約為0.44 MPa，水幕運營期間提供的穩(wěn)定水頭值約為0.80 MPa，根據(jù)式(1)、式(2)，求得LPG水幕系統(tǒng)的臨界壓力值約為0.36 MPa。

4.1.1第1階段數(shù)據(jù)分析

在試驗第1階段，水幕孔供水閥門關閉，水幕孔內(nèi)壓力為天然靜水壓力。從表1中可以看出，孔LWC2-W1至LWC2-W5第1階段穩(wěn)定壓力值為0，說明這些水幕孔所在巖體保水能力較差，可能是潛在的低效率區(qū)域，在試驗第2、第3階段數(shù)據(jù)分析時應著重注意這些孔。

表1　LWC2-W側水幕孔試驗階段穩(wěn)定壓力值

4.1.2第2階段數(shù)據(jù)分析

試驗第2階段，奇數(shù)號水幕孔供水閥門打開，偶數(shù)號水幕孔保持關閉狀態(tài)。在該狀態(tài)下，偶數(shù)號水幕孔作為壓力觀測孔，若觀測孔壓力值小于該孔臨界壓力值，則認為該觀測孔為低效率水幕孔。

從圖6可以看出，除LWC2-W2, LWC2-W4外，其它偶數(shù)號水幕孔穩(wěn)定壓力均高于臨界壓力。LWC2-W2穩(wěn)定壓力為0 MPa，LWC2-W4穩(wěn)定壓力0.12 MPa，均低于臨界壓力，因此判斷，LWC2-W2,LWC2-W4為低效率水幕孔。

針對低效率水幕孔，通過在其周邊布設新水幕孔的方式提升其所在巖體的連通性，增強壓力傳導效果。根據(jù)試驗第2階段數(shù)據(jù)，增補新的水幕孔，補孔方案如表2所示。

圖6　第2階段水幕孔壓力與臨界壓力對比

孔號位置LWC2-W1aLWC2-W1與LWC2-W2之間LWC2-W2aLWC2-W2與LWC2-W3之間LWC2-W3aLWC2-W3與LWC2-W4之間LWC2-W4aLWC2-W4與LWC2-W5之間

4.1.3第3階段數(shù)據(jù)分析

試驗第3階段閥門狀態(tài)與第2階段相反，偶數(shù)號水幕孔的閥門打開，奇數(shù)號水幕孔的閥門關閉。在該狀態(tài)下，奇數(shù)號水幕孔作為壓力觀測孔，若觀測孔壓力值小于臨界壓力值，則認為該孔為低效率水幕孔。

通過圖7可以看出，LWC2-W3，LWC2-W5，LWC2-W11這3個孔為低效率孔，在其周邊布設新水幕孔，補孔方案如表3。

圖7　第3階段水幕孔壓力與臨界壓力對比

孔號位置LWC2-W2aLWC2-W2與LWC2-W3之間LWC2-W3aLWC2-W3與LWC2-W4之間LWC2-W4aLWC2-W4與LWC2-W5之間LWC2-W5aLWC2-W5與LWC2-W6之間LWC2-W10aLWC2-W10與LWC2-W11之間LWC2-W11aLWC2-W11與LWC2-W12之間

綜合3個階段的數(shù)據(jù)分析結果，試驗第2、第3階段有3個補孔的位置相同，第1階段壓力降為0的孔通過試驗第2、第3階段數(shù)據(jù)分析后驗證為低效率孔，需要在其周圍布設水幕孔。結合試驗第2、第3階段的階段性補孔方案，最終的補孔方案如表4。

表4　最終補孔方案

4.2補孔效果評價

水幕效率試驗的目的是評估水幕孔與洞室之間巖體內(nèi)裂隙水壓力的傳導效率，通過在低效率區(qū)人為增補新水幕孔對水幕系統(tǒng)結構做出改善，從而達到整體提升水幕效率的目的。補孔完成后，通過一定的試驗手段對補孔效果進行驗證。

保持增補水幕孔注水狀態(tài)，同時關閉增補孔兩側水幕孔的供水，將增補孔兩側水幕孔作為觀測孔，以評價增補孔在注水狀態(tài)下對鄰近非注水水幕孔壓力的提升能力。

低效率水幕孔在增補水幕孔后穩(wěn)定壓力變化情況，如表5。

表5　增補前后低效率水幕孔穩(wěn)定壓力變化情況

由表5可以看出，增補孔對低效率水幕孔在非注水狀態(tài)下的穩(wěn)定壓力有不同程度的提升，提升幅度最大的達到0.51 MPa，提升幅度較小的有0.30 MPa。除LWC2-W5外，其它水幕孔在非注水狀態(tài)下的穩(wěn)定壓力不但高于臨界壓力值，也高于儲物的飽和蒸汽壓，增補水幕孔對低效率水幕孔效率提升作用明顯，能夠顯著增強水幕巖體裂隙連通性和裂隙水水頭傳遞效果，補孔后能夠達到洞室水封要求。

對于LWC2-W5，由于其所在巖體連通性較差，已有增補孔對其效率值的提升能力有限，可在其兩側繼續(xù)增補水幕孔，通過減小孔間距來改善巖體連通性，進而提升其效率值。

5水幕效率與巖體滲透性關系

低效率區(qū)域是指連通性差、裂隙水壓力傳導效果差的巖體區(qū)域。巖體裂隙發(fā)育特征及滲透性特征是決定水幕系統(tǒng)效率的主要因素。因此，本文根據(jù)水幕孔單孔注水-回落試驗結果，嘗試從滲透性角度出發(fā)，討論巖體滲透系數(shù)與水幕效率的關系。同時，仍以LPG水幕巷道2的西側水平水幕孔為例進行說明，所有水幕孔均通過注水-回落試驗獲取其所在巖體的滲透系數(shù)。

由表6及圖8可知，低效率水幕孔滲透系數(shù)較其它水幕孔低，其滲透系數(shù)集中在1.02×10-8～2.48×10-8m/s范圍內(nèi)，高效率水幕孔的滲透系數(shù)一般大于7.5×10-8m/s。根據(jù)試驗實際情況，也存在巖體滲透系數(shù)很大，造成觀測孔穩(wěn)定壓力值很小甚至為0的情況，這與巖體內(nèi)導水裂隙過于發(fā)育、巖體保水能力很差有關，因此，不能單純地從滲透系數(shù)大小出發(fā)判斷水幕孔效率值的高低。若巖體滲透系數(shù)在合理范圍內(nèi)，則可以作為評價水幕孔效率高低的輔助性方法。

表6　水幕效率試驗結果與水幕孔滲透系數(shù)匯總

注:星號標注的為低效率孔圖8 水幕巖體滲透性與水幕孔效率對比Fig.8 Rockpermeabilityofwatercurtainandcorrespondingefficiencyvaluesofwaterboreholes

6結語及存在的問題

(1) 通過文中方法求取的臨界壓力值，能夠準確判斷出水幕巖體中潛在的影響洞室密封性的巖體區(qū)域，通過在這些區(qū)域內(nèi)增補新孔的方式來縮短孔間距、改善巖體裂隙的有效連通性和滲透性，進而提高洞室整體的密封性。經(jīng)過試驗驗證，低效率區(qū)域在采取補孔措施后效率提升明顯，能夠達到洞室密封要求，因此，該方法有一定的可行性及工程應用價值。

(2) 水幕系統(tǒng)水封效果與巖體滲透性有著直接的關系，滲透系數(shù)過大或過小都會造成水幕孔效率值偏低，通過相關滲透數(shù)據(jù)分析，滿足洞室密封要求的巖體的滲透系數(shù)在10-7～10-5m/s 范圍內(nèi)。

(3) 臨界壓力值是評價水幕系統(tǒng)效率的重要參數(shù)，其值的準確求解對整個水幕系統(tǒng)效率試驗極為重要。若求解的臨界壓力值過大，雖然可以提高水幕系統(tǒng)效率的評價標準，更有助于確保洞室密封性，但可能造成“低效率”水幕孔數(shù)量偏多進而大大增加補孔數(shù)量，這無疑增加了施工量和工程成本；若求解的臨界壓力值過小，可能無法準確判斷出巖體中的一些低效率區(qū)域，在洞庫運營過程中有造成儲物泄露的可能。本文中臨界壓力值的求取是在一定假設基礎上完成的，洞庫在運營過程中的實際情況比較復雜，因此，本文中臨界壓力值的求解方法仍需進一步完善。

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(編輯：占學軍)

Discussion on Efficiency Test of the Water Curtain Systemof Water-sealed Underground Storage Cavern

LIU Jing-hua1,2, HUANG Sheng-nan1, CHEN Gang1, HU Cheng1

(1.School of Environmental Studies, China University of Geosciences, Wuhan430074, China; 2.CNPC Logging Co.,Ltd., Xi’an710077,China)

Abstract:In order to evaluate the tightness of water-sealed underground storage cavern, we carried out test on the efficiency of water curtain system. According to the pressure values of water boreholes at different hydrodynamic levels, we estimated the efficiency of water curtain system, and then by drilling new boreholes in low efficiency area, we could improve the connectivity and permeability of rock mass. Furthermore we present a method of calculating the key parameter, namely critical pressure value, and applied the method to calculate the critical pressure value of a water-sealed underground storage cavern in Yantai as an example. Test results proved that the method of calculating the critical pressure value is feasible. According to the calculated critical pressure value, we can accurately determine the rock area which needs more boreholes. Moreover, rock permeability is closely related with the efficiency of water curtain. In most cases, rock permeability ranging from 10-7m/s to 10-5m/s could meet the cavern’s tightness requirements. The process of obtaining the critical pressure value in this research is based on assumptions and needs further improvement in engineering practice.

Key words:water-sealed underground storage cavern; water curtain system; efficiency test of water curtain; tightness of water curtain system; critical pressure value

中圖分類號：TU45

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0105-06

doi:10.11988/ckyyb.201501132016,33(05):105-110

作者簡介：劉靜華(1990-)，男，甘肅平?jīng)鋈耍T士，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的研究，(電話)18602915701(電子信箱)liujh.cc@foxmail.com。

收稿日期：2015-02-03；修回日期：2015-03-30