某地下水封石油洞庫滲流場模擬研究及水封效果評價(jià)

梁 斌， 陳 剛，胡 成

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074）

國內(nèi)、外學(xué)者在地下水封石油洞庫，特別在液化石油氣（LPG）儲庫的滲流場數(shù)值模擬方面做過一些研究［6-13］。

地下儲油洞庫的建設(shè)對洞庫區(qū)域水文地質(zhì)條件要求較高，本次研究利用地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)可以有效刻畫水文地質(zhì)模型，反應(yīng)儲油洞庫區(qū)施工期和運(yùn)營期地下水滲流場變化情況，提前預(yù)判和了解儲油庫水封效果，為洞庫的施工和管理提供必要的技術(shù)支持。

1 庫區(qū)水文地質(zhì)條件

研究區(qū)的含水介質(zhì)主要以燕山一期片麻狀花崗巖為主。地下水的主要存在類型為松散巖類孔隙水和淺層基巖網(wǎng)狀、深層脈狀裂隙水。

于2009年9月—2010年8月對研究區(qū)共約25 km2區(qū)域內(nèi)的居民用水井及鉆孔進(jìn)行了調(diào)查，主要為松散巖類孔隙水，部分為淺層基巖網(wǎng)狀裂隙水。水位調(diào)查的結(jié)果顯示，雨季地下水位較高，旱季地下水位較低，研究區(qū)內(nèi)地下水水位受降雨影響明顯，變幅為0.5～4 m。

研究區(qū)內(nèi)含水層主要為上覆的松散巖類孔隙含水層和下伏的基巖裂隙含水層。對孔隙含水層主要利用提水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)獲得其滲透系數(shù)，對基巖裂隙含水層，主要利用分段單栓塞壓水試驗(yàn)獲得其滲透系數(shù)，圖1、2為部分壓水試驗(yàn)結(jié)果。

2 研究區(qū)數(shù)值模擬研究

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)的含水介質(zhì)主要是淺層的松散孔隙和深層的基巖裂隙，且滲透性較小，滲透系數(shù)多為10-3～10-5m·d-1，同時(shí)滲透性的空間分布也有很大不同，含水層各向異性特征明顯，將裂隙含水層概化為非均質(zhì)各向異性的含水層，根據(jù)地下水運(yùn)動特征，整個(gè)含水層地下水運(yùn)動按三維非穩(wěn)定滲流問題處理。

圖1 洞頂 （-80 m）滲透系數(shù)水平分布Fig.1 Horizontal distribution of conductivity（roof， -80 m）

圖2 ZK28滲透系數(shù)垂直分布Fig.2 Vertical distribution of conductivity in ZK28

地下水封油庫研究區(qū)東、南、西有河流為自然邊界，研究區(qū)北邊發(fā)育有區(qū)域性F1斷裂帶，根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)判定F1斷層為定水頭邊界（一類邊界）。西邊（排干河），南邊（西河），東邊 （東河）由于河流切割深度淺，所以在刻畫邊界條件時(shí)，北部邊界 （F1斷層）刻畫為定水頭邊界，其他邊界刻畫為流量邊界；研究區(qū)模型上邊界概化為降雨入滲和蒸發(fā)排泄邊界，由研究區(qū)鉆孔柱狀圖知模型下邊界區(qū)域未風(fēng)化，巖石完整性較好，滲透性極低，所以概化下邊界為隔水邊界

結(jié)合上述，實(shí)際施工中，地質(zhì)工程風(fēng)險(xiǎn)的影響因素較多，比如，其對工程的經(jīng)濟(jì)效益就會產(chǎn)生較大的影響，故此在工程建設(shè)的過程中，相關(guān)人員需要充分保證安全投資。在安全投資決策中，注意不斷加強(qiáng)決策的科學(xué)性與合理性，這樣才能使安全投資充分發(fā)揮其重要作用，并有助于地質(zhì)工程的持續(xù)向前。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)條件的概化，得出研究區(qū)的地下水滲流場數(shù)學(xué)模型。其表達(dá)式如下：

式中：D—研究區(qū)地下水滲流區(qū)域；Kxx，Kyy，Kzz—分別為 x， y， z方向的主滲透系數(shù)，L·T-1；SS—給水度；H0—初始地下水水位，L；H1—洞庫或水幕的定水位，L；Hf—潛水面水位，L；n—邊界外法線方向；q—研究區(qū)流量邊界的單寬流量，L2·T-1，流入為負(fù)，流出為正；B1—一類邊界，地下水封洞庫和人工水幕的標(biāo)高；B2—第2類邊界，流量邊界；w—上邊界降雨入滲量， L·T-1； ε—上邊界潛水蒸發(fā)量， L·T-1。

2.3 網(wǎng)格剖分

為建立研究區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，模型采用三角網(wǎng)格剖分滲流區(qū)域，三角剖分法采用FEFLOW軟件里面的TMesh剖分方法。模型垂向分層主要參考研究區(qū)地下水封洞庫功能、鉆孔的柱狀圖與鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果。在水幕高程-55 m處剖分0.1 m微層，在洞室開挖區(qū)-110～-80處剖分2層，并在洞室下0.2 m處剖分0.2 m的控制層，其他按照鉆孔柱狀圖和壓水試驗(yàn)結(jié)果來分層。

由此模型總共垂向上分為：第四系沉積物、中風(fēng)化裂隙含水層、微風(fēng)化裂隙含水層，模型總共分為10層，如圖3。

圖3 三維網(wǎng)格剖分Fig.3 3D mesh

2.4 初始條件及邊界條件

根據(jù)研究區(qū)地下水賦存條件和分布規(guī)律以及地下水動態(tài)特征，取2009年9月的地下水位作為初始水位，見圖4研究區(qū)地下水位初始等值線。

研究區(qū)東、南、西、北側(cè)邊界概化為水頭邊界，下邊界概化為隔水邊界，洞室和水幕概化為水頭邊界。研究區(qū)多年平均降雨量為1 700 mm，蒸發(fā)量為1 200 mm，降水主要集中在夏季，夏季降雨量占全年降雨量的76%，降雨入滲系數(shù)按照區(qū)內(nèi)鉆孔水位變化及降雨資料推求得到，取平均值為0.033。

2.5 含水層參數(shù)

圖4 研究區(qū)初始等水位線Fig.4 Initial water level of the study area

研究區(qū)上覆為第四系松散巖類孔隙含水層，在該層主要利用提水試驗(yàn)獲得其滲透系數(shù)；深部為基巖裂隙含水層，主要利用分段單栓塞壓水試驗(yàn)獲得其滲透系數(shù)。在模型中對研究區(qū)裂隙介質(zhì)的各向異性的刻畫，主要體現(xiàn)在研究區(qū)含水層滲透系數(shù)的各向異性的刻畫，在水平方向上根據(jù)研究區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)得出的含水層滲透系數(shù)在水平上的分布差異，進(jìn)行了分區(qū)，在研究區(qū)垂向上由研究區(qū)壓水試驗(yàn)以及鉆孔裂隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和滲透張量的計(jì)算得出滲透主值以及其滲透方向。選取最大滲透主值投影到x、y、z坐標(biāo)上所得的數(shù)值為本次建立模型含水層的滲透系數(shù)。由于前期的勘察工作主要集中在洞庫區(qū)域，而對洞庫外圍沒有進(jìn)行水文地質(zhì)試驗(yàn)，在洞庫區(qū)域主要利用各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行滲透系數(shù)的分區(qū)，而在洞庫外圍則根據(jù)同一層洞庫區(qū)內(nèi)部滲透系數(shù)的平均值賦值。覆蓋層給水度賦值為0.01，其余層貯水系數(shù)賦值為1E-4。含水層分區(qū)圖5如下所示。

圖5 滲透系數(shù)分區(qū)圖Fig.5 Map of conductivity partition

2.6 模型水文地質(zhì)參數(shù)的識別

模型以提水實(shí)驗(yàn)和壓水試驗(yàn)的水文地質(zhì)參數(shù)為初始參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)擬合與驗(yàn)正。時(shí)間步長為365 d。本次研究選取第1層 （第四系）、第2層（中風(fēng)化）、第6層（洞室層）來反演擬合和驗(yàn)證，由圖6可知觀測水位和計(jì)算水位基本擬合，驗(yàn)證了模型的可靠性。模型識別后的水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

圖6 研究區(qū)部分鉆孔地下水位擬合曲線Fig.6 Fitting curves for dynamic simulation of groundwater level in some boreholes from the study area

表1 擬合后的水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Fitting of hydrogeological parameters

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 無水幕條件下模擬結(jié)果分析

洞室周圍的水頭變化在運(yùn)營期開始時(shí)最大，隨時(shí)間延長變化逐漸減小，變化幅度在洞室周圍最大，向兩側(cè)逐漸變小。洞庫上方地下水位最低，5 a為-22 m，10 a為-27.1 m，20 a為-30 m，30 a為-31 m，前期下降較快，后期逐漸穩(wěn)定。洞庫上方水位能保證儲油洞庫的水封效果。至運(yùn)營30 a時(shí)，洞室上方形成明顯的水位降落漏斗（圖7）。

3.2 有水幕條件下模擬結(jié)果分析

有水幕條件下洞室上方未形成明顯的地下水降落漏斗，可見，由于水幕的補(bǔ)水作用，有效防止了降落漏斗的形成，更好保證了洞室的水封性。只是在洞室上方水位緩慢降低，最低水位為-3 m。洞室周圍的水頭變化在運(yùn)營期開始時(shí)仍然最大，隨時(shí)間延長變化逐漸減小，影響程度在洞室周圍最大，向兩側(cè)逐漸變小，這與無水幕條件下相同，相對于無水幕條件下，能在洞庫上方形成地下水封水位，運(yùn)營20 a后就穩(wěn)定在-3 m，由于水幕對上方水位的限制作用，洞庫上方水位能保證儲油洞庫的水封效果。

3.3 有水幕和無水幕對比分析

3.3.1 兩種條件下洞室水平方向上0 m等水位線向外擴(kuò)展對比

圖7 無水幕運(yùn)營30 a等水位線Fig.7 Water level after operating 30 years without water curtain

圖8 有水幕運(yùn)營30 a S1S1’剖面等水位線Fig.8 Water level after operating 30 years of S1S1’ section with water curtain

由圖9中分析得出：在無水幕條件下，洞室水平方向上0等水位線逐年向外展，說明漏斗面積逐年增加，在前期 （5～15 a）水幕擴(kuò)展速度較快，達(dá)到5.6 m·a-1，在后期（15～30 a）水幕擴(kuò)展速度相對減緩，為3.15 m·a-1趨于穩(wěn)定，這也是由于洞室涌水量的逐漸減小，后期達(dá)到穩(wěn)定的結(jié)果，運(yùn)營后期洞庫水平方向上的擴(kuò)展雖然逐年減小，但也以一定的速度向外擴(kuò)展，漏斗影響面積逐年增加。

圖9 運(yùn)營期兩種條件下0 m標(biāo)高等水位線水平擴(kuò)展Fig.9 0 m water level under two kinds of the conditions in operation period

由圖9中分析得出：在有水幕條件下，洞室水平方向上0 m等水位線逐年外擴(kuò)，說明漏斗面積逐年增加，在前期（5～15 a）擴(kuò)展速度較快，達(dá)到3.5 m·a-1，但相對于無水幕條件下洞庫水平擴(kuò)展速度較小，在后期（15～30 a）水幕擴(kuò)展速度相對于前期逐漸減緩，為0.32 m·a-1，該條件下后期水平擴(kuò)展速度較小，漏斗面積基本穩(wěn)定，漏斗水平影響區(qū)域穩(wěn)定，這主要是由于水幕的補(bǔ)水作用，限制洞庫漏斗影響范圍，也保證了洞庫周圍地下水位的相對穩(wěn)定，洞庫周圍的水資源也得到很好的保護(hù)。

3.3.2 兩種條件下洞庫上方最低水位對比分析

洞庫上方地下水位的變化情況，與洞庫的水封條件密切相關(guān)，洞庫上方最低水位是保證洞庫水封效果的關(guān)鍵。

圖10 運(yùn)營期兩種條件下洞庫上方最低地下水水位Fig.10 The lowest groundwater level above the caverns under two kinds of the conditions in operation period

由圖10分析得出：在無水幕條件下，洞庫上方最低水位逐年降低，在5～15 a期間洞庫上方最低水位由-22 m減少到-27.1 m，15～30 a期間由-27.1減小到-30 m，從圖中看出洞庫上方水位不斷下降，前期下降速度較大，后期下降較慢，最后逐漸穩(wěn)定。

由圖10分析得出：在有水幕條件下，洞庫上方最低水位在5～15 a期間，由2.03 m減小到-1.37 m，相比無水幕條件水位變化明顯減小。在15～30 a間洞庫上方最高水位一直保持在-2.2 m左右，這主要是由于洞庫上方設(shè)置的水幕限制了洞庫周圍地下水漏斗的擴(kuò)展，保證了洞庫儲油運(yùn)營后洞上方的水封地下水位，保證了儲油洞庫的水封效果。

4 結(jié)論

1）有水幕條件和無水幕條件0 m等水位線擴(kuò)展在水平方向上變化趨勢相近，前期擴(kuò)展較快，后期擴(kuò)展較慢逐漸趨于穩(wěn)定。但有水幕條件下比無水幕條件下擴(kuò)展速率相對較小，沒有形成明顯的降落漏斗；無水幕條件下洞室上方形成明顯的降落漏斗。

2）運(yùn)營期間在無水幕條件下水位變幅較大，在有水幕條件下洞庫上方水位變幅較小，有力保證洞庫的水封條件，水封效果較好。在極端氣候條件下，如連續(xù)一年無降雨補(bǔ)給，水幕也能很好的保證水封效果。

3）無降水補(bǔ)給條件下，水幕系統(tǒng)設(shè)置是非常必要的。在無降水補(bǔ)給條件下研究區(qū)在無水幕下運(yùn)行一年的最低水位為-98 m，已經(jīng)低于洞頂-80 m標(biāo)高，達(dá)不到水封效果。同樣條件下有水幕運(yùn)行一年最低水位為-3.1 m，保證了在研究區(qū)遭遇特殊氣候情況下的儲油洞庫的水封效果。

4）水幕系統(tǒng)作用效果隨著時(shí)間變化越來越明顯。尤其在垂向上對漏斗的抑制作用可以有效降低原油泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。