物探和油品泄露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在地鐵下穿油庫(kù)中的應(yīng)用

劉慶濤，吳邵芳，冀東，王曄，3，仇革

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266032；3.青島海泊爾建設(shè)工程檢測(cè)有限公司，山東 青島 266032)

1 引 言

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的發(fā)展，交通壓力變得陡然增加，地鐵作為重要的交通工具變得日益重要，和我們?nèi)粘Ｉ钜彩敲懿豢煞?，?guó)內(nèi)許多重要城市地鐵建設(shè)也是如火如荼。由于地鐵屬于地下工程，在建設(shè)的過(guò)程中必然受地上及周邊環(huán)境的影響較大。地鐵近距離穿越既有管線、加油站、構(gòu)建筑物等重要基礎(chǔ)設(shè)施引起的不利影響已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1]。目前，地鐵線路下穿重要建筑物的實(shí)例比比皆是，但是下穿儲(chǔ)油罐的實(shí)例還比較少見(jiàn)。儲(chǔ)油罐一般位于地下，一旦發(fā)生泄漏事故，對(duì)地下巖土體造成的污染及地鐵建設(shè)至關(guān)重要?？涤朗2]通過(guò)有限元和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的方法，對(duì)地鐵下穿加油站進(jìn)行了的數(shù)值模擬。對(duì)于地鐵側(cè)穿既有加油站設(shè)施，任志亮等[3]采用控制爆破震速，停運(yùn)加油站，打設(shè)減震孔等施工措施。高春陽(yáng)等[4]結(jié)合使用膜界面探測(cè)法和地球物理法進(jìn)行了污染場(chǎng)地的調(diào)查，確定了場(chǎng)地中的渣油罐區(qū)、柴油罐區(qū)和汽油罐區(qū)存在污染現(xiàn)象。夏群等[5]采用高密度電阻法對(duì)某農(nóng)藥污染場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)查的同時(shí)對(duì)比了傳統(tǒng)取樣技術(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示兩種技術(shù)得出的污染結(jié)論基本吻合。石油類(lèi)物質(zhì)在土中的運(yùn)移研究得較多，李智霖[6]從試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩個(gè)方向出發(fā)，對(duì)汽油在非飽和土中的運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)研究。但是對(duì)于在巖石中，尤其微風(fēng)化巖石中的石油遷移研究還比較少。

本文結(jié)合工程案例采用地球物理探測(cè)結(jié)合油品泄露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的兩種方法分別對(duì)油庫(kù)是否會(huì)出現(xiàn)滲漏以及如果出現(xiàn)滲漏，是否會(huì)危及地鐵建設(shè)來(lái)進(jìn)行研究。其研究成果，對(duì)類(lèi)似工程具有指導(dǎo)和借鑒意義。

2 工程背景

青島某地鐵線路下穿油庫(kù)，經(jīng)調(diào)查該油庫(kù)位于巖石硐室中，經(jīng)與油庫(kù)相關(guān)人員訪談得知，油庫(kù)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始建造，80年代正式啟用，儲(chǔ)油罐材質(zhì)為鋼結(jié)構(gòu)，油庫(kù)于2008年廢棄，儲(chǔ)油罐及管道內(nèi)所儲(chǔ)油均已清理完畢。共分布有4個(gè)儲(chǔ)油罐，儲(chǔ)油罐長(zhǎng)約 72 m、寬約 9.5 m。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)資料可知，地鐵設(shè)計(jì)拱頂標(biāo)高大約為 3 m～5 m，油庫(kù)底部標(biāo)高約為 46 m，地鐵隧道下穿油庫(kù)段，油庫(kù)底部標(biāo)高與地鐵拱頂標(biāo)高高差約 40 m～45 m。地鐵拱頂覆巖以微風(fēng)化花崗巖為主，局部節(jié)理發(fā)育，局部揭露有煌斑巖巖脈，無(wú)明顯的斷裂構(gòu)造痕跡，地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

3 地球物理探測(cè)

3.1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)是利用電磁波傳播原理開(kāi)展工作的一類(lèi)探測(cè)技術(shù)，如圖2所示。工作時(shí)，發(fā)射天線T向地下介質(zhì)發(fā)射一定主頻的電磁波，電磁脈沖在地層介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到地下介質(zhì)中的物性分界面(主要指電導(dǎo)率和介電常數(shù)分界面)時(shí)，發(fā)生波的反射和透射；反射電磁波傳播到地表，被接收天線R接收，由主控臺(tái)控制并接收從接收天線傳回的地下反射回波的信息，再存儲(chǔ)每一測(cè)點(diǎn)的波形序列、振幅及波的旅行時(shí)間。沿整條測(cè)線等間隔移動(dòng)天線，在每一觀測(cè)點(diǎn)上可以獲得一個(gè)波形序列。

圖2 雷達(dá)探測(cè)時(shí)的工作原理

根據(jù)相關(guān)研究成果，污染后的水土介質(zhì)與原狀水土介質(zhì)相比，電磁波特性會(huì)發(fā)生改變。短期形成的石油污染土常呈現(xiàn)低介電常數(shù)和低電導(dǎo)率特征，經(jīng)歷長(zhǎng)期生化降解過(guò)程的污染土通常呈現(xiàn)高電導(dǎo)率特征，這是應(yīng)用物探方法開(kāi)展石油烴類(lèi)污染調(diào)查的物理前提。短期內(nèi)形成的包氣帶內(nèi)油污染區(qū)主要表現(xiàn)為厚度不一、形狀不定的反射信號(hào)增強(qiáng)的高幅異常區(qū)；毛細(xì)帶內(nèi)油類(lèi)污染區(qū)主要表現(xiàn)為圍繞潛水面上下分布散落的、有相連趨勢(shì)的斑點(diǎn)狀或混亂的片狀高幅異常區(qū)；含水層內(nèi)油類(lèi)污染區(qū)主要表現(xiàn)為聚集在含水層頂部的反射信號(hào)增強(qiáng)的振幅異常區(qū)。經(jīng)歷長(zhǎng)期生化降解過(guò)程的污染區(qū)在雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為信號(hào)衰減異常，且異常區(qū)下方再無(wú)有效反射信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)工作照片如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工作照片

3.2 數(shù)據(jù)處理分析

對(duì)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)。首先對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行批預(yù)處理，批預(yù)處理主要包括：修改文件頭參數(shù)、增益自動(dòng)調(diào)節(jié)、帶通濾波、背景消除、滑動(dòng)平均、反褶積等，依據(jù)雷達(dá)反射波的相位、頻率與幅值變化綜合判別，從異常中剔除地下管線、地下管井、地下建筑物及地面各種干擾引起的異常，并將確定的異常劃分為地下空洞、脫空異常、土層疏松異常、基巖構(gòu)造異常、富含水、石油烴污染等類(lèi)型。

測(cè)線1整體自南向北探測(cè)，沿巷道中部布設(shè)。根據(jù)圖4，0 m～3 m深度范圍內(nèi)同相軸連續(xù)，電磁波反射能量較強(qiáng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)為測(cè)線右側(cè)平行于雷達(dá)測(cè)線直徑約 40 cm的輸油管道的側(cè)向反射。圖中油庫(kù)位置自上而下形態(tài)相似的強(qiáng)反射弧為拱頂位置的管道反射信號(hào)，整個(gè)雷達(dá)剖面反射信號(hào)多為洞內(nèi)管道和構(gòu)件的側(cè)向反射和干擾反射，除輸油管道的側(cè)向反射和巷道拱頂?shù)墓艿栏蓴_雷達(dá)圖像未見(jiàn)其他明顯異常。

圖4 1號(hào)測(cè)線成果解譯

測(cè)線2整體自西向東探測(cè)，沿巷道中部布設(shè)。根據(jù)圖5，0 m～3 m深度范圍內(nèi)同相軸連續(xù)，電磁波反射能量較強(qiáng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況推測(cè)為測(cè)線右側(cè)平行于雷達(dá)測(cè)線直徑約 40 cm的輸油管道的側(cè)向反射。每隔 5 m雷達(dá)圖像在深度方向上呈現(xiàn)強(qiáng)反射，推測(cè)為測(cè)線一側(cè)用于支撐管道的金屬立柱的側(cè)向反射。圖中油庫(kù)位置自上而下形態(tài)相似的強(qiáng)反射弧為拱頂位置的管道反射信號(hào)，整個(gè)雷達(dá)剖面反射信號(hào)多為洞內(nèi)管道和構(gòu)件的側(cè)向反射和干擾反射，雷達(dá)圖像除上述強(qiáng)反射和巷道拱頂?shù)墓艿栏蓴_外未見(jiàn)其他明顯異常。

圖5 2號(hào)測(cè)線成果解譯

4 油品泄露風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

由于油庫(kù)所處圍巖巖性為微風(fēng)化花崗巖，油品向下滲漏遷移的能力較弱，但由于油庫(kù)歷史運(yùn)營(yíng)期久遠(yuǎn)，其歷史運(yùn)營(yíng)活動(dòng)等相關(guān)信息較為缺乏，因此不排除運(yùn)營(yíng)過(guò)程油庫(kù)存在油品泄漏的情形及泄漏產(chǎn)生潛在環(huán)境影響的可能性，因此需要對(duì)其開(kāi)展泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。

4.1 泄露情景

由于目前沒(méi)有關(guān)于油庫(kù)歷史運(yùn)營(yíng)的詳細(xì)信息(如油庫(kù)巡檢、維修、油庫(kù)構(gòu)造、防滲措施等資料)，因此本次評(píng)估通過(guò)假定油庫(kù)泄漏情景進(jìn)行分析，具體情景條件如下：

(1)油庫(kù)高度為4 m，即油液面標(biāo)高為50 m；

(2)油庫(kù)泄漏口設(shè)置在油庫(kù)罐體底部；

(3)油庫(kù)底面不考慮混凝土對(duì)泄漏的阻隔作用；

(4)僅考慮細(xì)微泄漏口缺陷造成泄漏；

(5)油庫(kù)泄漏的油品假定為20 C條件下汽油；

(6)油庫(kù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程配備有應(yīng)急機(jī)制，即存在人為階段性的巡檢活動(dòng)，預(yù)防大泄漏等事故發(fā)生及應(yīng)急補(bǔ)救。

4.2 泄漏源強(qiáng)分析

4.2.1 源強(qiáng)估算方法

根據(jù)《建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ/T169-2018)附錄F中關(guān)于液體泄漏的計(jì)算，即通過(guò)伯努利方程得出的泄漏量計(jì)算公式。如式(1)所示。

(1)

其中，QL—液體泄漏速率，kg/s；

P—容器內(nèi)壓力，Pa；

P0—環(huán)境壓力，Pa；

ρ—泄漏液體密度，kg/m3；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

h—裂口之上的液位高度，m；

Cd—液體泄漏系數(shù)，本次綜合參考相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于薄壁孔口的泄漏流量系數(shù)，取值0.62，屬于無(wú)量綱參數(shù)；

A—缺陷裂口面積，m2。

由于油庫(kù)僅用于儲(chǔ)油用途，不涉及其他生產(chǎn)工藝，油庫(kù)罐體不施加任何壓力，因此式(1)中關(guān)于容器壓力P=0；由于油庫(kù)與外界輸油管道聯(lián)通，不屬于密閉容器，因此不涉及環(huán)境壓力P0對(duì)罐體壓力的影響，因此對(duì)式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如式(2)所示。

(2)

4.2.2 源強(qiáng)估算結(jié)果

根據(jù)前期收集到關(guān)于油庫(kù)及區(qū)域資料，本次源強(qiáng)估算以最大泄漏高差條件下，對(duì)泄漏口為 1 mm圓形缺陷口、10 mm圓形缺陷口及20 mm圓形缺陷口的情景進(jìn)行計(jì)算分析。采用4.2.1章節(jié)中關(guān)于泄露量計(jì)算公式，具體泄露計(jì)算參數(shù)及取值如表1所示。

根據(jù)表1的源強(qiáng)參數(shù)計(jì)算出泄漏源強(qiáng)結(jié)果，如表2所示。

泄漏源強(qiáng)估算參數(shù)及取值 表1

泄漏源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果 表2

根據(jù)表2可知，在泄漏口半徑為5 mm及 10 mm的情形下，1天的泄漏量分別為 27.57 t和 110.27 t，因此在存在人員巡檢干預(yù)的情形下，該泄漏量極容易引起巡檢人員的關(guān)注并觸發(fā)泄漏應(yīng)急機(jī)制，因此在后續(xù)的評(píng)估中排除泄漏口半徑為 5 mm和 10 mm的情景，僅考量泄漏口為 1 mm時(shí)庫(kù)存容量變化差異不明顯的情形。

4.2.3 單個(gè)油罐泄漏排空時(shí)間估算

(1)無(wú)外加壓力維持油液面情景

為考察單個(gè)油罐在發(fā)生微小泄漏的情形下排空1個(gè)罐體所需的時(shí)間，對(duì)罐體泄漏過(guò)程的非恒定出流進(jìn)行建模分析。假定油罐在泄漏前后的t1和t2時(shí)間內(nèi)，油液面高度分別為H1和H2，油罐底面為S(如前表1所示，S=684 m2)，則泄漏前后的高差為dH，如圖6所示。

圖6 非恒定流的泄漏過(guò)程圖示

因此泄漏過(guò)程滿(mǎn)足方程(3)：

(3)

通過(guò)對(duì)方程(3)進(jìn)行微積分運(yùn)算得出泄漏時(shí)間滿(mǎn)足式(4)。

(4)

因此在非恒定流的泄漏、無(wú)外加壓力維持油液面的情景下排空1個(gè)罐體所需的時(shí)間滿(mǎn)足式(5)。

(5)

代入表1的計(jì)算參數(shù)取值得出，在無(wú)外加壓力維持油液面條件下，排空1個(gè)罐體內(nèi)油品即Vd=2 736 m3的油品量，需要的時(shí)間為T(mén)=3 672.2天，即約需要10年，泄漏流量為8.62e-06 m3/s。

(2)有外加壓力維持罐體滿(mǎn)容量情景

在有外力施加(如持續(xù)輸入油品)使罐體滿(mǎn)容，即油液面始終保持在 4 m的高度上，根據(jù)前述表2的源強(qiáng)計(jì)算結(jié)果可知，該條件下泄漏流量為 1.725E-05 m3/s，該情景下泄漏出口為恒定流。因此排空 2 736 m3的單個(gè)油罐內(nèi)油品所需時(shí)間為 1 836.12天，約為 5.03年。

4.3 泄漏穿透巖層時(shí)間估算

4.3.1 油品穿透模型概化

油庫(kù)所在位置以下為巖層主要為微風(fēng)化花崗巖，其節(jié)理較發(fā)育，賦水性及滲透性較差。由于實(shí)際情況下裂隙滲流運(yùn)動(dòng)屬于復(fù)雜的多相流運(yùn)動(dòng)，并且目前尚無(wú)關(guān)于微風(fēng)化花崗巖的裂隙分布、寬度等信息，本次評(píng)估將不對(duì)裂隙流中的復(fù)雜性問(wèn)題進(jìn)行細(xì)化分析、計(jì)算及驗(yàn)證，而是將穿越段區(qū)域的裂隙流概化為孔隙流進(jìn)行討論，即假設(shè)油庫(kù)以下地層視為可滲透的多孔介質(zhì)層，巖層內(nèi)為飽和含水層，以及水或油品在其間的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足達(dá)西定律進(jìn)行油品下滲遷移的評(píng)估。

4.3.2 油品穿透時(shí)間計(jì)算

假設(shè)油品泄漏可以持續(xù)維持油品下滲，根據(jù)達(dá)西定律，油品穿透 40 m厚的巖層滿(mǎn)足式(6)。

(6)

其中，Tat—油品穿透40 m厚巖層所需的時(shí)間(年，a)；

Dt—巖層厚度，即40 m；

Koil—油品在巖層中傳導(dǎo)系數(shù)，即滲透系數(shù)(m/d)；

θe—巖層的孔隙度，無(wú)量綱參數(shù)；通?；◢弾r的孔隙度在0.4%～2.8%，本次評(píng)估考慮保守情形，選取最大值2.8%，即0.028；

R—巖層的阻滯因子，即介質(zhì)孔隙本身對(duì)油品的阻滯作用，本次評(píng)估取值為孔隙度的70%；

根據(jù)青島地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，微風(fēng)化花崗巖段的滲透系數(shù)為 0.001 m/d。參考英國(guó)環(huán)保署與殼牌公司編著的《An Illustrated Handbook of LNAPL Transport and Fate in the Subsurface》關(guān)于油品在飽和帶中的水平方向的傳導(dǎo)系數(shù)，即滲透系數(shù)計(jì)算公式，如式(7)所示。該公式通過(guò)水的滲透系數(shù)折算油品的滲透系數(shù)。

(7)

其中，Koil—油品在巖層中傳導(dǎo)系數(shù)，即滲透系數(shù)(m/d)；

ρn—油品的密度(kg/m3)，本次評(píng)估汽油的密度為 740 kg/m3；

ρw—水的密度(kg/m3)，本次評(píng)估取值為20 C時(shí)水的密度 998.232 kg/m3；

μw—水的動(dòng)力黏度，本次取值0.001005 Pa·s；

μn—油品的動(dòng)力黏度，本次評(píng)估取值0.00062 Pa·s；

υw—水的運(yùn)動(dòng)黏度，本次計(jì)算得出1.01e-06 m2/s；

υn—油品的運(yùn)動(dòng)黏度，本次計(jì)算得出8.38e-07 m2/s；

km—油與水的相對(duì)滲透率，無(wú)量綱參數(shù)。

km—為油品的相對(duì)滲透率，其在多孔介質(zhì)體系中的與自身飽和度與水的飽和度相關(guān)，如圖7所示。

圖7 油品自由相與水的相對(duì)滲透率與飽和度關(guān)系曲線

考慮到泄漏垂向遷移的概化條件下，地層中水接近100%，因此km取值為0.1。此外考慮到飽和帶中垂向滲透系數(shù)通常為水平向滲透系數(shù)的10%，因此根據(jù)上述參數(shù)取值代入式(6)和式(7)中，計(jì)算出的油品穿透時(shí)間約為76.6年，如表3所示。

油品穿透巖層時(shí)間計(jì)算結(jié)果(年，a) 表3

由于油庫(kù)于2008年停止使用，目前油庫(kù)內(nèi)罐體油品已清空，從1980年代啟用至今，其為歷史運(yùn)營(yíng)期不超出28年。對(duì)比4.3.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果，即使在假定保守情形下，即將巖層視為和土層類(lèi)似的、可以滿(mǎn)足油品垂向上遷移擴(kuò)散的情景下，即使油品存在微小泄漏，在 0.001 m/d的滲透系數(shù)條件下，油品在垂向上仍無(wú)法穿透 40 m厚的巖層，因此初步識(shí)別出油庫(kù)歷史運(yùn)營(yíng)活動(dòng)的潛在泄漏不會(huì)對(duì)地鐵施工產(chǎn)生潛在環(huán)境影響。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)地球物理探測(cè)，1號(hào)測(cè)線和2號(hào)測(cè)線在雷達(dá)圖像上除洞內(nèi)管道和構(gòu)件的側(cè)向反射和干擾反射，未見(jiàn)其他明顯異常，表明油庫(kù)未見(jiàn)滲漏跡象。

(2)油品(假定為汽油)在外力維持其滿(mǎn)容、油液面在 4 m高度、泄漏缺陷在 1 mm的情形下，其滲流為恒定流，泄漏流量為 1.72e-5 m3/s，排空1個(gè)罐體體積油品即 2 736 m3的油品需要大約5.03年；

(3)油品在沒(méi)有外力維持油液面、在自然重力條件下以非恒定流的方式泄漏，泄漏流量為 8.62e-06 m3/s，排空1個(gè)罐體體積油品即2 736 m3的油品需要大約10年；

(4)在將裂隙流概化為孔隙流的假定條件下，結(jié)合油品遷移規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)取值，油品持續(xù)泄漏并穿透 40 m厚度巖層需要大約76.6年的時(shí)間，而油庫(kù)歷史運(yùn)營(yíng)時(shí)間僅為28年，初步判斷油品即使泄漏也未能穿透巖層，油庫(kù)的歷史運(yùn)營(yíng)不會(huì)對(duì)地鐵穿越該段區(qū)域產(chǎn)生潛在環(huán)境影響。