淺談水封洞庫安全監(jiān)測儀表的選型設計

劉秀琴，李莉

淺談水封洞庫安全監(jiān)測儀表的選型設計

劉秀琴，李莉

(海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061)

利用水封洞庫進行原油儲備，是國家的戰(zhàn)略建設重點,而水封洞庫地下工程的儀表選型，完全不同于石油化工行業(yè)過程儀表的選型原則。結合國內水封洞庫項目的設計、建設現(xiàn)狀，總結了地下工程中安全監(jiān)測儀表的設置目的、監(jiān)測階段以及監(jiān)測對象。通過對水封洞庫地下工程的儀表選型進行分析，提供了不同情況下各類儀表選型的設計方案。

水封洞庫 地下工程 洞室 水幕巷道 施工巷道 安全監(jiān)測

地下水封石洞油庫(簡稱水封洞庫)設計、建設的重點和難點集中在地下工程，而中國大規(guī)模水封洞庫的建設尚處于初級階段，工程設計、建設、運營經(jīng)驗都比較少。對從事石油化工工程自控設計的人員來說，地下工程安全監(jiān)測儀表的選型設計是一項全新的工作，儀表的種類、用途、安裝等內容和過程控制儀表完全不同。本文根據(jù)國內水封洞庫項目設計和建設的實際情況，探討水封洞庫地下工程安全監(jiān)測儀表的選型設計。

1 安全監(jiān)測儀表的設置目的

根據(jù)GB 50455—2008《地下水封石洞油庫設計規(guī)范》[1]要求，經(jīng)過選址勘察，水封洞庫庫址都選擇在巖體的巖質堅硬、完整性和穩(wěn)定性好，沒有張性斷裂分布，巖石礦物成分不影響儲存油品質量并具有相對穩(wěn)定的地下水位的地方。由于地質情況復雜多變，地下工程有很大的不可預見性，施工開挖過程才能反映出真實的地質特征，在工程施工中會遇到一些不良地質現(xiàn)象[2]，為保證施工安全,對原設計進行校對、補充和完善，在施工過程中應對洞庫的圍巖變形及支護結構應力應變進行安全監(jiān)測；而洞庫建成投用后，人員無法進入洞內，但是在設計使用期的50 a內不可避免地存在不可遇見的地質事件發(fā)生，如果沒有任何監(jiān)測手段了解洞庫圍巖安全及水密封性的真實狀態(tài)，將是一件非常危險的事情[3]。因此，為隨時了解洞庫的圍巖安全情況，需繼續(xù)對圍巖穩(wěn)定性進行監(jiān)測。水封洞庫原則上為不襯砌的地下洞室群，通過采用地下水水封來儲存油品，在施工和運營期間，地下水水位及水幕水位的監(jiān)測是地下洞庫建設與運營安全的關鍵技術之一[4]，所以應對洞室圍巖的水封壓力進行長期監(jiān)測，及時采取水封控制措施，以保證儲油洞室油品儲存的密封性。同時，為監(jiān)測水封洞庫是否泄漏，應在地下洞庫四周及附近地下水匯流處進行水質監(jiān)測。

2 安全監(jiān)測階段

2.1 施工期

施工期監(jiān)測的重點在于保證施工過程安全，其目的是及時掌握地下洞室圍巖在開挖施工過程中產(chǎn)生的變形、支護結構受力等，監(jiān)控施工過程中存在的安全隱患，是保證施工安全的措施之一。監(jiān)測項目主要有圍巖沉降收斂和圍巖應力。

2.2 運營期

運營期單位需實時掌握整個洞庫圍巖穩(wěn)定性情況、水幕巷道水封情況，永久監(jiān)測的重點在于了解施工期和運營期工程重點部位和重點監(jiān)測對象的變化，根據(jù)這些過程數(shù)據(jù)來綜合分析工程的結構安全性以及水封的可靠性，判斷洞庫的生命狀態(tài)或在危急情況下，進行緊急補救或總結經(jīng)驗教訓，利于后期洞庫的安全建設。監(jiān)測項目主要有圍巖變形、圍巖應力、地下水水位和水質。

目前的水封洞庫工程，大都采用不同原理的兩類監(jiān)測儀表對地下工程的圍巖穩(wěn)定性、安全性進行長期監(jiān)測。第一類是采用多點位移計對洞室、水幕巷道的關鍵位置、結構復雜處綜合監(jiān)測水封洞庫巖體結構的穩(wěn)定情況；第二類是采用微震儀，監(jiān)測巖體微震活動的發(fā)生、發(fā)展情況以及通過對微震源的定位和分析，判斷、評估和預報監(jiān)測范圍內巖體的穩(wěn)定性。多點位移計用于圍巖內部變形的監(jiān)測，監(jiān)測的是斷面，而微震儀用于地質結構變化的監(jiān)測，監(jiān)測的是區(qū)域。后者監(jiān)測的范圍大于前者，且能做到數(shù)據(jù)可視化，但監(jiān)測數(shù)據(jù)須依靠專業(yè)公司進行分析并提供分析報告。

采用的多點位移計、錨桿應力計、微震儀、滲壓計等儀表的信號引入中心控制室的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，進行長期監(jiān)測。

3 安全監(jiān)測儀表的設置

3.1 圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測儀表

圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測主要包括對洞室、水幕巷道、施工巷道和連接巷道等部位的安全監(jiān)測，主要有圍巖變形監(jiān)測、支護結構監(jiān)測。圍巖變形監(jiān)測項目有圍巖表面收斂、圍巖內部及表面變形、地質構造體的變形及位移等；支護結構監(jiān)測項目有支護錨桿應力及錨索應力、支護鋼格柵應力、襯砌混凝土鋼筋應力、混凝土應力應變、襯砌混凝土與圍巖結合面的變形監(jiān)測等。

根據(jù)洞庫區(qū)的地質情況，在主洞室、施工巷道、水幕巷道的關鍵部位即典型結構或地質條件不利處等,適當?shù)夭贾帽O(jiān)測斷面。在拱頂布置適量多點位移計，并配合在監(jiān)測斷面各處設置的錨桿應力計和收斂測點即收斂測樁或收斂標靶,以實現(xiàn)對地下工程的圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測。

對于不利地質條件洞段，根據(jù)洞段采用混凝土襯砌結構或采用鋼拱架結構分別在監(jiān)測斷面設置適量的混凝土應力應變計、測縫計或鋼筋計、鋼板計等監(jiān)測儀表。

3.2 滲壓計、滲壓監(jiān)測孔及水位計

滲壓監(jiān)測項目有洞罐內各洞室之間巖體的滲透壓力監(jiān)測，洞罐與洞罐之間巖體的滲透壓力監(jiān)測。在洞罐以及洞室間的巖石內分層埋設滲壓計以監(jiān)測洞罐間或洞室間的滲壓情況。

水位監(jiān)測主要包括水幕密封壓力監(jiān)測以及對洞室群周邊地下水位的監(jiān)測。在各水幕巷道內表面明裝滲壓計，在地下洞室群四周巖體內布置滲壓監(jiān)測孔，以監(jiān)測洞室群周邊地下水位。

水封控制是指對水幕巷道的水位進行監(jiān)測控制，通過監(jiān)測水幕巷道的液位高度，實現(xiàn)對水幕巷道的補水控制。通常在水幕監(jiān)測井內設置2套液位計，與補水閥一起構成水幕巷道自動補水系統(tǒng)。

3.3 水質監(jiān)測孔的布置

在水封洞庫周邊一定范圍內設置水質監(jiān)測孔，運營單位應定期檢測和分析地下水水質，確保周邊地下水不被污染，生態(tài)環(huán)境不被破壞。

3.4 微震儀

為了解施工期及運營期全庫區(qū)范圍內地下圍巖內部微破裂、結構錯位、體積變化以及斷層活化等現(xiàn)象，設置微震監(jiān)測系統(tǒng)，以實時掌控圍巖內部結構變化情況。微震監(jiān)測探頭的布置應根據(jù)不同水封洞庫的實際情況，通過建模使其監(jiān)測范圍能夠覆蓋儲油洞室、施工巷道以及水幕巷道等全部部位。

微震儀對震源強度的靈敏度要達到對0.5～1.0 m內的巖體開裂事件的有效監(jiān)控，因而微震儀的布置必須建立在對整個地下工程的整體模擬、運算以及仿真的基礎上，來確定其具體位置和數(shù)量，經(jīng)仿真后進行布局的微震儀呈網(wǎng)狀監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠有效覆蓋地下工程各洞室、施工巷道以及水幕巷道等主體部分。一般情況下，相鄰2臺微震儀的布置間距不超過250 m，每就近6臺微震儀分不同高程埋設構成一個小型監(jiān)測網(wǎng)絡，具體項目還需具體分析。

4 典型安全監(jiān)測儀表的選型設計

安全監(jiān)測儀表選擇的合適與否是關系到整個地下工程能否安全、順利建成和運行，并充分發(fā)揮其綜合效益的關鍵。而傳感器的選型是一項復雜而細致的工作，除了應考慮儀表的先進性、可靠性及經(jīng)濟性外，還需結合監(jiān)測對象的特殊性、預期的運行情況和土建工程的施工特點等因素進行研究和比選。

4.1 多點位移計

多點位移計[5]是在孔口的傳遞桿件或管件上安裝測量位移的傳感器。位移傳感器主要分為振弦式、差動電感式及電容感應式3種。

差動電感式與電容感應式位移傳感器均為國內生產(chǎn)，長期穩(wěn)定性較好，但都需要加裝變送器才能傳送較遠距離，由于線間電容、水下特性不佳、體積大等原因，實際應用受到工程條件的限制。進口振弦式多點位移計產(chǎn)品質量較好，其技術性能和長期穩(wěn)定性均優(yōu)于國內同類產(chǎn)品，水封洞庫項目建議優(yōu)先選用。

多點位移計傳遞桿件主要有兩種： 一種是不銹鋼桿，采用分段連接，訂購和安裝靈活，一般為國產(chǎn)儀器配套；另一種為碳磨纖維桿，受溫度影響小，為整根結構，攜帶方便，需按實際使用長度切割或訂購，一般為進口儀器配套，價格較貴?？紤]到地下洞庫的特殊工作環(huán)境和50 a的運行時間要求，水封洞庫項目建議優(yōu)先選用碳磨纖維桿。

4.2 錨桿應力計

常用的錨桿應力計主要分為振弦式、差動電阻式兩種。

振弦式錨桿應力計的分辨率和精度高于差動電阻式錨桿應力計，但價格一般高于差動電阻式錨桿應力計。對于主要用于施工期檢測，施工期結束后將進行封存的錨桿應力計，雖然差動電阻式錨桿應力計分辨率和精度低于振弦式錨桿應力計，但其長期運行穩(wěn)定、價格較為便宜，施工期可選用差動電阻式錨桿應力計。

由于差動電阻式錨桿應力計的監(jiān)測效果受電纜長度影響較大，用于運行期的設備必須采用振弦式錨桿應力計[6]。美國某公司生產(chǎn)的振弦式錨桿應力計品質較好，性能穩(wěn)定可靠，在國內水利水電工程中廣泛使用。因此，現(xiàn)階段已經(jīng)建成或正在建設的地下水封洞庫工程都優(yōu)先考慮采用進口的振弦式錨桿應力計。

4.3 滲壓計

根據(jù)不同測量原理，滲壓計主要有振弦式、差動電阻式、差動電感式以及壓阻式四種。

目前，振弦式[7]和差動電阻式滲壓計[8]使用較多，壓阻式和差動電感式滲壓計使用較少，且只能安裝在測壓管和水位觀測管中使用。

國產(chǎn)差動電阻式滲壓計在國內水電工程中已大量使用，但僅限于埋入式應用，安裝在測壓管和水位觀測管中使用時效果不理想。

進口振弦式滲壓計的分辨率、精度和可靠性有保證，也適合于安裝在測壓管和水位觀測管中使用，在要求較高的場合經(jīng)常使用?？紤]到水封洞庫工程的具體特點和儀器運行工作條件，建議選擇使用進口的振弦式滲壓計。

4.4 微震儀

目前國內已建或在建的水封洞庫工程，部分洞庫設置了微震監(jiān)測[9]系統(tǒng)，均采用進口微震儀。較為知名的微震系統(tǒng)供應商有加拿大的ESG、波蘭的SOS以及南非的ISS等。

微震儀通常使用速度計和加速度計作為傳感器。其中，加速度型微震儀頻率響應帶寬高、主要測量震級較小的微震，速度型微震儀頻率響應帶寬低、測量震級較大的微震。但是，在巖石浸水的環(huán)境里，頻帶高的微震儀傳遞波衰減很快，而頻帶低的微震儀傳遞波衰減慢，綜合考慮水封洞庫巖石充水情況、需要檢測到的微震程度以及在實際應用中的效果，大多選用速度型微震儀。

各公司的微震儀的安裝方式各不相同，同一公司位于不同位置的微震儀安裝方式也不相同，微震儀的安裝應在供貨商技術人員的指導下進行。

5 結束語

地下工程是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術先進、安全可靠的安全監(jiān)測儀表是保證洞庫安全建設和運營的關鍵，因而安全監(jiān)測儀表的選型設計是水封洞庫工程設計的重要環(huán)節(jié)，設計者應給予足夠的重視。文中對水封洞庫項目安全監(jiān)測儀表選型設計的介紹，僅供從事水封洞庫設計工作的同行參考，不同地區(qū)同類項目的安全監(jiān)測儀表選型設計應根據(jù)項目的具體情況綜合考慮后確定。

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Brief Discussion on Design of Safety Supervision Instrument Type Selection for Water Sealed Rock Caverns

Liu Xiuqin, Li Li

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266061, China)

s: Using water sealed rock cavern for crude oil reserves is the significant strategy of national construction. The instrument selection and design in underground engineering of water sealed rock cavern is entirely different from the principle in instrument selection design of petroleum and chemical industry. Together with design and construction status in domestic underground rock caverns project, the instrument setting aim, monitoring stage and monitoring object of safety supervision are summarized for underground engineering. Design schemes for all kinds of instrument selection under different environment are proposed through analysis of instrument selection for underground engineering of underground rock caverns.

underground rock caverns; underground engineering; cavern; water curtain tunnel;access tunnel; safety supervision

劉秀琴(1964—)，女， 1984年畢業(yè)于華東石油學院煉油儀表自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于海工英派爾工程有限公司從事石油化工工程自控設計工作，現(xiàn)任副總工程師，工程技術應用研究員。

TU249.6

B

1007-7324(2017)02-0017-03

稿件收到日期： 2016-12-02。