地下水封石洞油庫的泄漏風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)對策

張汝鴻 馮紅民

〔1 中國石化燃料油銷售有限公司 北京 100029；2 中國石化股份公司工程部 北京 100728〕

地下水封石洞油庫的泄漏風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)對策

張汝鴻1馮紅民2

〔1 中國石化燃料油銷售有限公司 北京 100029；2 中國石化股份公司工程部 北京 100728〕

在簡要介紹地下水封石洞油庫和水幕系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合某地下水封石洞油庫的實(shí)際情況，基于水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對不同條件下出現(xiàn)的如水封失效、獨(dú)立裂隙，進(jìn)油管布置不合理和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)異常等主要風(fēng)險(xiǎn)的分析，提出了防止介質(zhì)泄漏的相應(yīng)對策，指出水封失效是介質(zhì)泄漏的主要因素，在施工中加強(qiáng)水位監(jiān)測、及時(shí)分析異常數(shù)據(jù)，采取適當(dāng)措施是預(yù)防水封失效的主要手段。為相關(guān)單位做好地下水封石洞油庫的防泄漏工作提供了借鑒。

地下水封石洞油庫泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析對策

社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要穩(wěn)定安全的能源供給。國家石油儲備的建立是實(shí)現(xiàn)能源穩(wěn)定安全供給的有效途徑。地下水封石洞油庫具有安全性高、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為我國戰(zhàn)略石油儲備的一種重要方式[1]。

1 地下水封石洞油庫和水幕系統(tǒng)

地下水封石洞油庫(以下簡稱洞庫)是在穩(wěn)定的地下水位以下的巖體中開挖出來的,用于儲存原油、汽油、柴油等介質(zhì)的地下空間系統(tǒng)。密封是通過地下水往洞內(nèi)滲透實(shí)現(xiàn)的，而儲存介質(zhì)的壓力與洞的埋深有關(guān)，即由洞庫周圍地下水和洞內(nèi)儲存介質(zhì)之間的壓力差來保證介質(zhì)不泄漏[2-3]。

水幕系統(tǒng)是保持洞庫水封壓力的人工設(shè)施，一般包括水幕巷道、水幕孔、注水井等。按洞庫密封原理，在具有穩(wěn)定的地下水補(bǔ)給、能確保水封壓力的情況下，可不設(shè)計(jì)水幕系統(tǒng)。洞庫周邊一般設(shè)有監(jiān)測孔，以監(jiān)測地下水位、壓力、水質(zhì)等，確保水封有效。但是，即便設(shè)計(jì)有水幕系統(tǒng)，在某些情況下也會存在介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)與有關(guān)變量之間的關(guān)系，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相關(guān)措施是避免介質(zhì)泄漏的重要手段[5-7]。然而在實(shí)際工程中，由于各種因素的影響，洞庫介質(zhì)也有泄漏風(fēng)險(xiǎn)，給工程質(zhì)量和安全帶來巨大隱患。本文通過典型洞庫的風(fēng)險(xiǎn)分析，提出了應(yīng)對介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的對策，將有效避免洞庫介質(zhì)的泄漏，保障工程質(zhì)量和安全。同時(shí)，通過分析實(shí)際工程中的典型案例，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對洞庫介質(zhì)泄漏的原因進(jìn)行分析，并以相應(yīng)的工程措施應(yīng)對，為在地下水封洞庫建設(shè)中防止介質(zhì)泄漏提供了具有指導(dǎo)意義的經(jīng)驗(yàn)和方法。

2 水封洞庫介質(zhì)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)及對策

介質(zhì)泄漏是洞庫運(yùn)行的最大風(fēng)險(xiǎn)，水封失效、獨(dú)立裂隙、進(jìn)油管布置不當(dāng)?shù)榷际墙橘|(zhì)泄漏的因素，其中水封失效是主要因素，而水位監(jiān)測是水封能否有效的重要指標(biāo)，即通過分析監(jiān)測水位數(shù)據(jù)，可判斷水封是否有效，是否存在介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 水封失效

(1)不設(shè)水幕系統(tǒng)的水封洞庫，因地下水位下降、水封失效而導(dǎo)致的介質(zhì)泄漏。

可采取的對策有：①長期監(jiān)控地下水位，并分析與庫區(qū)降水的關(guān)系(可在庫區(qū)建立雨量觀測站)；②發(fā)現(xiàn)水位下降趨勢后，結(jié)合氣候情況，盡快決定是否采取人工干涉措施(如引入其它水源、從注水孔注水等)；③預(yù)測水位到達(dá)下限的時(shí)間，及時(shí)做出介質(zhì)調(diào)運(yùn)安排。

(2)設(shè)水幕系統(tǒng)的水封洞庫，因水幕系統(tǒng)覆蓋范圍有限或有效性差，部分洞室和區(qū)域的水封壓力下降，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

可采取的對策有：①及早建立水位觀測孔，并完善監(jiān)測數(shù)據(jù)采樣制度和數(shù)據(jù)庫；②及時(shí)分析各

監(jiān)測孔水位與相鄰巷道或洞室的開挖進(jìn)度、水幕注水量以及與注水壓力之間的關(guān)系，及時(shí)分析所發(fā)現(xiàn)的問題并采取針對性措施;③重視水幕有效性試驗(yàn)，除全孔長試驗(yàn)外，對水幕孔尚應(yīng)考慮選擇性地開展分段有效性試驗(yàn)，確保水幕孔之間的連通，如發(fā)現(xiàn)水幕有效性差，應(yīng)采取加密水幕孔、巖層改造等措施；④若發(fā)現(xiàn)水幕系統(tǒng)覆蓋范圍有限，應(yīng)采取加長水幕孔、增設(shè)地面注水孔等措施。在施工過程中對水位數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，分析原因、判斷風(fēng)險(xiǎn)并采取措施，可有效避免泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 獨(dú)立裂隙

(1)洞室圍巖裂隙發(fā)育的不確定性以及巖土工程勘察未明的獨(dú)立節(jié)理裂隙帶的存在等，可能導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

可采取的對策有：①提高巖土工程勘察水平，采用工程物探等技術(shù)盡可能查明工程所在區(qū)域的節(jié)理裂隙帶；②加強(qiáng)施工勘察，對發(fā)現(xiàn)的未揭露節(jié)理裂隙帶采取注漿封堵措施；③重視水封洞庫最外側(cè)洞壁節(jié)理裂隙的注漿封堵工作，適當(dāng)提高注漿壓力、長度及范圍。

(2)水墊層不能及時(shí)建立，或水墊層建立時(shí)間短、覆蓋范圍內(nèi)獨(dú)立裂隙并未完全充滿水，因油流沖刷底板，導(dǎo)致介質(zhì)由洞室底部滲漏擴(kuò)散。應(yīng)在建立的水墊層穩(wěn)定一段時(shí)間后(即水墊層覆蓋范圍內(nèi)裂隙已充滿水)再儲油。

2.3 進(jìn)油管布置

進(jìn)油管布置不合理，若油流持續(xù)對某一位置沖刷，可導(dǎo)致介質(zhì)由洞室壁部或底部滲漏擴(kuò)散，且可能危及洞室穩(wěn)定。應(yīng)慎重考慮進(jìn)油管布置，使油流對洞室壁及底部的沖刷力降至最低。

3 洞庫水位監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

某洞庫儲油洞室縱軸線按近NW向平行設(shè)置，洞室拱頂高程為-20 m、底板高程為-50 m；洞室上方設(shè)有水平水幕系統(tǒng)，其中水幕巷道底板高程為5 m，水幕巷道內(nèi)布置有水幕孔，孔長至少覆蓋洞室壁外10 m；洞室周圍布置了12個(gè)水文觀測孔，終孔孔深均超過洞室底板，孔底高程約-60 m。

施工過程中，發(fā)現(xiàn)有的水文觀測孔水位數(shù)據(jù)異常，其中觀測孔1和2數(shù)據(jù)較為典型。其背景數(shù)據(jù)為當(dāng)時(shí)該洞庫所有監(jiān)測孔的平均水位高程為90.77 m，剔除4個(gè)異?？缀笃骄桓叱虨?12.02 m。

3.1 觀測孔1

該孔位于洞室⑨(最東側(cè)洞室)東邊墻東68.64 m，最高水位曾達(dá)54.17 m，工程實(shí)施中，該孔水位緩慢下降，最低降至高程-42.37 m，僅高于洞室底板高程7.63 m。此孔最低水位已不能滿足水封要求，在此水位下儲油將發(fā)生介質(zhì)泄漏。

經(jīng)鉆孔示蹤試驗(yàn)，表明該孔地下水由洞室⑨底板排泄。2013-11-23至2014-01-02該孔水位從-41.86 m單邊下降至-42.37 m，在一直穩(wěn)定注水的情況下，可基本判定水幕未覆蓋至此范圍。

采取加設(shè)水幕孔的措施后，該孔水位恢復(fù)至設(shè)計(jì)水位以上，可保證介質(zhì)不泄漏。

3.2 觀測孔2

該孔距洞室⑧北邊墻20.3 m，最高水位曾達(dá)240.01 m，工程實(shí)施中，該孔水位緩慢下降，最低降至高程10.05 m，仍比洞室底板高60.05 m。2013-11-03至2013-11-09至2013-11-26至2013-12-05該孔水位由10.16 m升至11.66 m、下降至10.05 m、后又升至11.53 m，可基本判定水幕系統(tǒng)覆蓋了此范圍，但該范圍節(jié)理裂隙連通性差，水幕雖補(bǔ)充了部分水源，但補(bǔ)水量小于流失量。

由于節(jié)理裂隙連通的不確定性，雖不能判定水位下降最終是否影響洞室水封性能，但介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)很大。后經(jīng)采取加密水幕孔、改善水幕孔連通性等措施，該孔水位恢復(fù)至設(shè)計(jì)水位以上，可保證介質(zhì)不泄漏。

4 結(jié)語

洞庫介質(zhì)泄漏涉及工程的設(shè)計(jì)、施工、投用、監(jiān)測等諸多因素，其中水封失效是介質(zhì)泄漏主要因素，在施工中加強(qiáng)水位監(jiān)測，及時(shí)分析異常數(shù)據(jù)，判斷介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)并采取適當(dāng)措施是預(yù)防水封失效的主要手段。此外，在工程實(shí)施過程中，應(yīng)持續(xù)開展地下水滲流場模擬分析，根據(jù)水位監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，結(jié)合正演和反演分析，不斷修正相關(guān)模擬參數(shù)，及時(shí)預(yù)測有關(guān)問題并提前采取措施。

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50455—2008地下水封石洞油庫設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

[2] 錢七虎, 戎曉力. 中國地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的現(xiàn)狀、問題及相關(guān)建議[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(4):649-655.

[3] Yiguo XUE,Shucai LI. A new evaluation method for site selection of large underground water-sealed petroleum storage depots[J], Science China Technological Sciences, 2015 ,58(6).

[4] 田昊, 李術(shù)才, 王者超,等. 地下水封石洞油庫施工期監(jiān)控量測與穩(wěn)定性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(9):1710-1720.

[5] 馬秀媛, 張立, 蘇強(qiáng),等. 大型地下水封石洞油庫水幕系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(3):776-782.

[6] 王者超, 李術(shù)才, 薛翊國,等. 大型地下水封石洞油庫圍巖完整性、變形和穩(wěn)定性分析[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版, 2011, 41(3):112-117.

[7] 王者超, 李術(shù)才, 薛翊國,等. 大型地下水封石洞油庫施工過程力學(xué)特性研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(1):275-282.

2017-06-13。

張汝鴻，男，高級工程師，1990年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)機(jī)械系流體傳動與控制專業(yè)，現(xiàn)在中國石化燃料油銷售有限公司從事安全、設(shè)備及工程方面的技術(shù)工作。