圍巖灌漿深度對(duì)水封石油洞庫(kù)水封效果的影響

左 崇 張繼勛 任旭華 方明泉

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098；2.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 西寧 810007)

地下水封石油洞庫(kù)是在地下水位下適當(dāng)深度處開挖巖石形成洞庫(kù)，根據(jù)油水不混合，水壓大于油壓的原理，將石油水封在洞庫(kù)中.在運(yùn)營(yíng)期間，只要始終使洞庫(kù)上方的地下水位維持在一定高度就能保證儲(chǔ)油不向外滲漏.在降雨較少，地下水位較低的地區(qū)，運(yùn)行期地下水位可能低于安全值，可采用在洞庫(kù)上方開鑿一系列的水幕洞，通過(guò)水幕洞向巖體補(bǔ)充地下水以達(dá)到良好的水封效果.

劉貫群[1]利用Visual Modflow軟件建立了某地下水封石油洞庫(kù)無(wú)水幕和有水幕條件下的三維地下水?dāng)?shù)值模擬模型，模擬了地下水封石油洞庫(kù)區(qū)的滲流場(chǎng).巫潤(rùn)建等[2]以錦州某地下水封洞庫(kù)工程為例，利用Visual Modflow建立了地下水封洞庫(kù)在不同水幕條件下的三維地下水滲流模型，預(yù)測(cè)了洞庫(kù)周圍地下水等水位線擴(kuò)展情況及洞庫(kù)上方地下水位變化情況.王者超[3-4]以中國(guó)首個(gè)大型地下水封石油洞庫(kù)為背景，開展了巖石三軸壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)水文試驗(yàn)，獲得了洞庫(kù)圍巖變形特征和滲透特性，采用應(yīng)力-滲流耦合理論，分析了地下石油洞庫(kù)的自然水封性與穩(wěn)定性.蔣中明等[5]運(yùn)用flac3d軟件對(duì)惠州地下水封石油洞庫(kù)施工期與運(yùn)行期地下水位情況進(jìn)行了數(shù)值模擬.時(shí)洪斌[6]，嚴(yán)冬青等[7]研究了各水幕參數(shù)對(duì)于地下水封石油洞庫(kù)涌水量的影響.針對(duì)地下水封石油洞庫(kù)涌水量的估算，劉青勇等[8]利用地下水動(dòng)力學(xué)方法估算涌水量，張繼勛等[9]對(duì)大島洋志公式進(jìn)行修正，并用數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了修正公式的準(zhǔn)確性，許建聰?shù)萚10]利用flac3d軟件計(jì)算得到流固耦合情況下的單個(gè)洞室涌水量，并將其與大島洋志公式及規(guī)范推薦公式進(jìn)行比較.

滲控措施如圍巖灌漿能有效降低圍巖滲透系數(shù)，本文主要研究圍巖灌漿深度對(duì)于洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)期地下水位情況及水封效果的影響，希望研究結(jié)果能對(duì)類似工程灌漿方案起到一定的參考作用.

1 分析方法

1.1 應(yīng)力-滲流耦合分析基本理論

地下水封石油洞庫(kù)建設(shè)過(guò)程中隨著洞庫(kù)的開挖，洞庫(kù)周圍的飽和區(qū)域可能變成非飽和區(qū)，若再考慮人工水幕的補(bǔ)水作用，非飽和區(qū)又可能變成飽和區(qū).洞庫(kù)的開挖影響圍巖應(yīng)力場(chǎng)，而圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化會(huì)引起圍巖體積的變化，從而影響孔隙水壓力，孔隙水壓力的變化又會(huì)影響圍巖應(yīng)力.利用有效應(yīng)力原理反映圍巖應(yīng)力和孔隙水壓力的相互關(guān)系，將應(yīng)力與滲流耦合進(jìn)行分析，就是本文采用的應(yīng)力-滲流耦合理論.該理論認(rèn)為當(dāng)介質(zhì)孔隙水壓力為負(fù)時(shí)，介質(zhì)飽和度減小.

本文將洞庫(kù)巖體視作等效連續(xù)介質(zhì)，介質(zhì)中的滲流采用考慮飽和度影響的達(dá)西滲透定律，該定律表示為：

式中，s為飽和度；ne代表滲流通過(guò)的有效孔隙度；v為滲流速度；k為滲透張量；H為總水頭.非飽和狀態(tài)下有效應(yīng)力原理為：

式中，σ'ij為有效應(yīng)力；σij為總應(yīng)力；α為比例系數(shù)，對(duì)巖石材料可取1；δij為Kronecker符號(hào)；χ與飽和度有關(guān)，通?？杉俣é?s；uw為孔隙水壓力；ua為孔隙氣壓力.式(1)、式(2)結(jié)合平衡方程、幾何方程、物理方程、連續(xù)方程和邊界條件即可得到應(yīng)力-耦合問(wèn)題的控制方程.

1.2 飽和非飽和滲流計(jì)算在ABAQUS中的應(yīng)用

ABAQUS作為國(guó)際上一款先進(jìn)的大型非線性有限元計(jì)算分析軟件，可以進(jìn)行滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，可以進(jìn)行飽和及非飽和滲流計(jì)算.在非飽和巖體中，滲透系數(shù)同時(shí)受到孔隙水壓力和飽和度的影響.

社會(huì)工作作為傳統(tǒng)意義上解決或緩解現(xiàn)代化進(jìn)程中各種社會(huì)問(wèn)題的專業(yè)和職業(yè)，在我國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)型、社會(huì)結(jié)構(gòu)變動(dòng)、社會(huì)形態(tài)變遷的轉(zhuǎn)型期迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，取得了一定的發(fā)展成績(jī)。然而，客觀地講，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還有待進(jìn)一步提高，并且存在三元區(qū)域與二元城鄉(xiāng)的分化以及其他一些復(fù)雜的制度性因素，這使得我國(guó)一線社會(huì)工作者的平均薪資待遇普遍不高，社會(huì)工作從業(yè)者流失率漸高成為現(xiàn)實(shí)。本文嘗試對(duì)傳統(tǒng)視角下社會(huì)工作專業(yè)教育培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生所面臨的職業(yè)發(fā)展困境進(jìn)行解析，以探索社會(huì)工作專業(yè)教育從“傳統(tǒng)”走向“非傳統(tǒng)”的一種可能性。

ABAQUS內(nèi)部是以一個(gè)折減系數(shù)ks來(lái)考慮飽和度對(duì)滲透性的影響.若出現(xiàn)非飽和滲流，ABAQUS/Standard默認(rèn)當(dāng)飽和度Sr＜1.0時(shí)，ks=

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某地下水封石油洞庫(kù)工程是我國(guó)一個(gè)大型戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備庫(kù)，其設(shè)計(jì)庫(kù)容為300萬(wàn)m3.地下工程主要包括9個(gè)主洞庫(kù)、6個(gè)豎井、2條施工巷道及5條水幕巷道.其中的9個(gè)主洞庫(kù)是平行設(shè)置的，每3個(gè)主洞庫(kù)之間通過(guò)4條支洞相連組成一個(gè)洞庫(kù)組，共分為3個(gè)洞庫(kù)組，具體布置如圖1所示.主洞庫(kù)的設(shè)計(jì)底面標(biāo)高為-50 m，長(zhǎng)度為484～717 m，洞高30 m，洞的跨度20 m，洞庫(kù)截面為直墻圓拱形.水幕巷道布置在主洞庫(kù)頂面以上20 m處，間隔10 m布置一個(gè)水幕鉆孔，注水壓力取0.3 MPa計(jì)算.水幕系統(tǒng)局部簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖1 石油洞庫(kù)布置圖

圖2 水幕系統(tǒng)局部簡(jiǎn)圖(單位：m)

庫(kù)區(qū)主要發(fā)育東北向及近東西向兩條斷裂帶，斷裂僅對(duì)洞庫(kù)選址有影響，對(duì)工程建設(shè)影響不大.庫(kù)區(qū)地層主要為花崗片麻巖.按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5218-94)對(duì)庫(kù)區(qū)巖體分級(jí)，洞庫(kù)巖體多為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，整體穩(wěn)定性較好.

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

將地下石油洞庫(kù)工程簡(jiǎn)化為二維平面模型處理，模型的左右方向計(jì)算范圍從洞庫(kù)外邊緣向外延伸400 m，底部范圍從洞室地面向下延伸400 m.網(wǎng)格剖分為四邊形單元，共計(jì)11 734個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 522個(gè)單元，洞庫(kù)周圍網(wǎng)格作了加密處理，網(wǎng)格剖分情況如圖3所示.

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格圖

模型左右邊界橫向位移為0，底部邊界縱、橫向位移均為0，其他為自由位移邊界，模型左右及底部為已知水頭邊界，上方為流量邊界考慮降雨入滲.在儲(chǔ)油工況下，液態(tài)油品上部為飽和蒸汽，油品密度取850 kg/m3，飽和蒸汽壓力為0.1 MPa，按洞壁受力大小在油庫(kù)洞壁施加第一類水頭邊界條件，洞庫(kù)內(nèi)壁不同位置受力如圖4所示.

儲(chǔ)油條件下，洞庫(kù)設(shè)計(jì)地下水位距洞庫(kù)頂部50 m.根據(jù)水文資料，該地多年平均降水入滲補(bǔ)給量為53.8 mm.降水入滲過(guò)程是一個(gè)非常不穩(wěn)定的過(guò)程，本文并不謀求對(duì)降雨入滲過(guò)程的精確模擬，擬將年降雨總量

圖4 儲(chǔ)油期洞庫(kù)內(nèi)壁受力圖(單位：MPa)

平均到每天中以流量邊界加在模型表面上.

圍巖體干容重為27.44 k N/m3，彈性模量取17.1 GPa，泊松比為0.21，巖體摩擦角取32°，剪脹角為20°，粘聚力為8.3 MPa，本文孔隙水壓力與飽和度取為線性相關(guān)：孔隙水壓力為0時(shí)，飽和度為1；孔隙水壓力為-5 MPa時(shí)，飽和度為0.9.滲透系數(shù)受飽和度影響，關(guān)系也為線性：飽和度為0.9時(shí)的滲透系數(shù)是飽和度為1時(shí)的0.9倍.考慮到工程實(shí)際情況下圍巖的滲透系數(shù)存在不確定性，可在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的圍巖滲透系數(shù)1×10-9m/s條件下增加4組滲透系數(shù)力圖全面反映洞庫(kù)儲(chǔ)油期滲流場(chǎng)、涌水量以及水封情況.計(jì)算采用的圍巖及灌漿圈滲透系數(shù)見(jiàn)表1.

表1 各組圍巖及灌漿圈滲透系數(shù) (單位：m·s-1)

2.3 計(jì)算方案說(shuō)明

表2 計(jì)算方案說(shuō)明

續(xù)表2 計(jì)算方案說(shuō)明

3 結(jié)果分析

水封石油洞庫(kù)實(shí)現(xiàn)水封的基本條件為洞庫(kù)壁水壓力大于洞庫(kù)儲(chǔ)油壓力，文中洞庫(kù)油氣壓力為0.1 MPa，即10 m水頭.水封厚度是指儲(chǔ)油期地下水位距洞頂?shù)母叨?，水封厚度必須達(dá)到一定的數(shù)值才能保證儲(chǔ)油期儲(chǔ)油不發(fā)生泄露.在洞壁水壓力大于儲(chǔ)油壓力的情況下，洞庫(kù)周圍地下水會(huì)向洞內(nèi)涌入，適量的涌水可以保證油品水封性，但過(guò)大的涌水量容易使油品和地下水產(chǎn)生對(duì)流，造成油品流失和地下水污染.因此，適當(dāng)?shù)乃夂穸群陀克坎拍鼙ＷC洞庫(kù)儲(chǔ)油期的水封效果.綜上所述本文取洞庫(kù)單位長(zhǎng)度涌水量和水封厚度作為評(píng)價(jià)洞庫(kù)水封效果的指標(biāo).限于篇幅本文僅展示灌漿深度3 m，圍巖滲透系數(shù)1×10-9m/s時(shí)3種情況的儲(chǔ)油期孔隙水壓力分布云圖(如圖5～7所示).

圖5 無(wú)水幕無(wú)降雨情況孔隙 水壓力分布云圖

圖6 無(wú)水幕有降雨情況孔隙水壓力分布云圖

圖7 有水幕無(wú)降雨情況孔隙水壓力分布云圖

3.1 灌漿效果分析

本文選取有水幕無(wú)降雨情況下，圍巖滲透系數(shù)為1×10-9m/s時(shí)未灌漿與灌漿深度為3 m儲(chǔ)油期滲流速度分布云圖(如圖8～9所示)作為對(duì)比來(lái)說(shuō)明灌漿對(duì)于滲流的影響.由圖8可以看出，未灌漿時(shí)滲流速度最大值出現(xiàn)在靠近水幕的各洞洞頂部位，洞周滲流

圖8 未灌漿時(shí)滲流速度分布云圖

3.2 涌水量分析

從圖10～12中可以看出，圍巖灌漿對(duì)于儲(chǔ)油期洞庫(kù)涌水量有著顯著的影響，圍巖灌漿后滲透系數(shù)減小，洞庫(kù)周邊滲透坡降降低，巖體向洞內(nèi)的涌水也相應(yīng)地減少.3種情況下灌漿深度為3 m時(shí)相比未灌漿速度比洞頂小，且越往外滲流速度越小.圖9結(jié)果表明灌漿后滲流速度最大值降低，滲流速度最大值出現(xiàn)在洞庫(kù)兩側(cè)上緣.不僅滲流速度最大值降低，洞周滲流速度分布表明洞周滲流速度也有明顯下降.由此說(shuō)明灌漿能顯著降低洞庫(kù)周圍的滲流速度，改變滲流速度分布，從而減少涌水量.時(shí)涌水量已有明顯減少，隨著灌漿深度增大至6、9、12 m，涌水量依次減少.圍巖滲透系數(shù)不大于1×10-9m/s的方案(方案3～5，方案8～10，方案13～15)結(jié)果表明，灌漿深度超過(guò)6 m后，涌水量減少已趨于緩慢.計(jì)算方案1、2、6、7(圍巖滲透系數(shù)大于1×10-9m/s)結(jié)果顯示，灌漿深度超過(guò)6 m時(shí)，涌水量減少未見(jiàn)趨緩.考慮到灌漿深度越深灌漿難度和成本都會(huì)上升并綜合各種因素，3種情況下灌漿深度取6 m就能有效地減少涌水量.

圖9 3m灌漿深度滲流速度分布云圖

圖10 無(wú)水幕無(wú)降雨涌水量結(jié)果圖

圖11 無(wú)水幕有降雨涌水量結(jié)果圖

圖12 有水幕無(wú)降雨涌水量結(jié)果圖

對(duì)比無(wú)水幕降雨與無(wú)水幕無(wú)降雨情況，由于將降雨平均到每天當(dāng)作流量條件處理，降雨對(duì)涌水量的影響不是很顯著，不論是否灌漿都僅僅是略微增加了涌水量.此外，計(jì)算方案1、2、6、7中灌漿深度為0時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)值流量監(jiān)控，洞庫(kù)內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)正流量，意味著洞庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)油開始出現(xiàn)泄露.而灌漿深度不為0時(shí)，各計(jì)算方案均未發(fā)現(xiàn)洞庫(kù)內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)正流量現(xiàn)象，可見(jiàn)灌漿圈的存在可以有效防止洞庫(kù)儲(chǔ)油泄露.圍巖灌漿使得洞庫(kù)周圍圍巖滲透系數(shù)減小，能防止洞庫(kù)周圍圍巖因涌水量過(guò)大由飽和狀態(tài)向非飽和甚至疏干狀態(tài)的演變，從而使洞庫(kù)內(nèi)壁保持相當(dāng)?shù)目紫端畨毫?

有水幕補(bǔ)水的情況下，即使洞庫(kù)周圍未灌漿，方案11～15都未出現(xiàn)洞壁節(jié)點(diǎn)數(shù)值流量為正的現(xiàn)象.對(duì)比圖7與圖5，有水幕補(bǔ)水條件下洞庫(kù)周圍滲透坡降要大于無(wú)水幕情況，這也解釋了有水幕比無(wú)水幕情況涌水量要大不少的現(xiàn)象.水幕的補(bǔ)水作用可以增加

洞庫(kù)的涌水量并防止儲(chǔ)油期油品泄露，未采用灌漿措施時(shí)可設(shè)置水幕保證儲(chǔ)油期儲(chǔ)油安全.

3.3 水封效果分析

涌水量分析時(shí)提到無(wú)水幕兩種情況下，計(jì)算方案1、2、6、7中灌漿深度為0時(shí)發(fā)生儲(chǔ)油外泄，圖13、圖14中計(jì)算方案1、2、6、7結(jié)果表明此時(shí)水封厚度在10 m左右，不足以保證儲(chǔ)油安全.

由圖13～15可以看出3種情況下隨著灌漿深度的增大，地下洞庫(kù)的水封厚度也在增加.無(wú)水幕兩種情況下，灌漿深度3 m時(shí)的水封厚度均超過(guò)10 m，洞壁節(jié)點(diǎn)流量未發(fā)現(xiàn)有正流量存在，儲(chǔ)油期儲(chǔ)油未發(fā)生泄漏.無(wú)水幕兩種情況下灌漿深度大于6 m時(shí)，隨著灌漿深度增加，水封厚度的增加趨于緩慢，6 m灌漿深度條件下的水封厚度已經(jīng)足夠.對(duì)比無(wú)水幕有降雨情況和無(wú)水幕無(wú)降雨情況，相同滲透系數(shù)和灌漿深度條件下水封厚度增加有限，即降雨對(duì)水封厚度的增加同樣影響不大.

圖13 無(wú)水幕無(wú)降雨水封厚度計(jì)算結(jié)果圖

圖14 無(wú)水幕有降雨水封厚度計(jì)算結(jié)果圖

圖15 有水幕無(wú)降雨水封厚度計(jì)算結(jié)果圖

有水幕無(wú)降雨與無(wú)水幕無(wú)降雨情況相比，由于水幕起到補(bǔ)水作用，水封厚度有明顯增加.未灌漿時(shí)方案11～15計(jì)算結(jié)果顯示洞庫(kù)洞壁節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)正流量，儲(chǔ)油不會(huì)發(fā)生泄漏，且水封厚度已有50 m左右.當(dāng)采用灌漿措施時(shí)，水封厚度隨灌漿深度的增加而增加，但增加有限，方案11的最小水封厚度與方案15的最大水封厚度相比增加僅有6%.因此水幕補(bǔ)水可以有效防止儲(chǔ)油泄露，并保持較大的水封厚度.若不采取灌漿措施，設(shè)置水幕即能滿足洞庫(kù)水封性要求.

4 結(jié) 論

本文以某國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬分析了不同情況下，灌漿深度對(duì)于洞庫(kù)涌水量以及洞庫(kù)水封性的影響，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)隨著灌漿深度的增加，3種情況各計(jì)算方案中儲(chǔ)油期洞庫(kù)涌水量逐漸減少，灌漿可有效減少涌水量.

2)無(wú)水幕情況下，水封厚度隨著灌漿深度的增加而增加，灌漿深度超過(guò)6 m時(shí)，水封厚度趨于穩(wěn)定.

3)有水幕情況下，未灌漿時(shí)洞庫(kù)未出現(xiàn)儲(chǔ)油泄露.洞庫(kù)水封厚度明顯大于無(wú)水幕情況，水封厚度隨灌漿深度的增大而增加，但增加極為有限.

本文結(jié)論可為未來(lái)大型地下水封石油洞庫(kù)的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考.結(jié)合工程區(qū)域?qū)嶋H情況(滲流場(chǎng)分布及滲透系數(shù)等)，本文成果可幫助建設(shè)人員解決地下水封石油洞庫(kù)是否采取灌漿措施以及灌漿深度取多大能較好滿足安全性與經(jīng)濟(jì)性要求等一系列問(wèn)題.