地下水封洞庫水幕孔滲控處理及效果分析

摘要：

為研究地下油氣儲存洞庫水幕孔滲控處理方法及效果，結合實際工程案例，通過滲流計算分析，預測工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，在現(xiàn)場開展水幕孔示蹤和滲控處理試驗，分析灌漿前后圍巖滲透特性。采用三維滲流數(shù)值分析方法，研究了施工期地下水封石油洞庫的滲流場及涌水量受水位初始高程和水幕供水壓力的影響，結果表明：主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結構面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔補水壓力降低和水幕孔的滲控處理可以大幅減少洞庫的涌水量；現(xiàn)場開展水幕孔示蹤試驗可為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)；結構面灌漿對圍巖滲透性的密封效果得到驗證。

關鍵詞：

地下水封洞庫； 滲控處理； 水幕孔； 滲透性； 數(shù)值計算

中圖法分類號：TE972

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.013

文章編號：1006-0081（2023）04-0076-06

0 引 言

石油的儲存方式主要分為地上鋼罐、土中罐、覆土罐和地下洞庫等［1］。其中，地下油氣儲存洞庫因安全、環(huán)保、經濟，成為油氣儲備的首選方式［2］，但基礎應用理論和工程實用經驗方面還較薄弱。如山東黃島庫、遼寧錦州庫、廣東惠州庫等第一批國內大型石油洞庫建設，都是在必要的技術標準和建設標準尚不完善的情況下，直接進入工程實踐階段［3-5］。尤其對于滲控處理，在規(guī)范、文獻和技術認識方面非常有限。結合實際工程建設案例總結有利于地下水封洞庫滲控的系列措施，可為今后類似工程提供理論及實踐參考。

地下油封洞庫施工過程中常遇透水裂隙，裂隙突然透水可能導致整個洞庫滲水量急劇增加，相關工程處理措施很難達到理想效果，易出現(xiàn)堵好后滲水偏移現(xiàn)象，還可能導致地下水位大幅下降的不利局面，洞庫滲水量預測成為水封效果評價的核心內容［6］。對于大型石油洞庫，庫區(qū)面積范圍超過1 km2，現(xiàn)有的勘測和檢測手段不具備提前查明主要滲水裂隙能力。GB 50455-2008《地下水封石油洞庫設計規(guī)范》中提出“滲水水量每 100萬m3庫容不宜大于100 m3/d”。目前對巖體滲流的分析手段仍基于等效連續(xù)介質思路，而針對巖體中的結構面裂隙網絡的概化和滲透性問題還缺乏有效測試手段，導致所采用的模型、參數(shù)和分析方法與洞庫巖體滲流的實際情況間存在差異［7-10］，不能滿足實際工程需要。本文結合實際工程案例，通過滲流計算與分析，得出本工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，為后續(xù)滲水處理工作和污水處理設計提供依據(jù)。

1 工程概述

本地下水封洞庫位于廣東省廉江市良垌鎮(zhèn)西南8 km處，洞庫設計庫容500萬m3。地下工程主要包含3條施工巷道、10個主洞室、16個豎井及8條水幕巷道。洞庫場區(qū)屬波狀平原及濱海地帶，剝蝕殘丘地形，庫區(qū)自然高程為-0.49～35.23 m。庫區(qū)內的地層巖性主要以燕山中晚期煌斑巖脈、花崗偉晶巖脈、長英質細脈等各種巖脈為主。庫址周邊發(fā)育3條水系（圖1），庫址南側發(fā)育的西河自西向東徑流入海，河面寬約200 m，水面高程0～1 m，水深3.0～5.0 m，水位受潮汐影響較大，離洞庫最近距離約0.59 km；庫址東側發(fā)育的東河呈北東向展布，河面寬約180～540 m，水面高程0～1 m，離洞庫最近距離約1.95 km；東河與西河交匯口位于庫址西南側，水面高程0～1 m，離洞庫最近距離約1.3 km；庫址西側發(fā)育的排干河，呈南北向展布，水面寬度10～20 m，水面高程不詳，離洞庫最近距離約1.34 km。庫址區(qū)處于南方富水沿海平原地區(qū)，主洞室埋深在海平面以下80～110 m，地表水豐富。庫址區(qū)裂隙多為張性裂隙，導水性強，連通性好，洞室底板滲水多為脈狀承壓地下水。

對各主洞室頂拱與邊墻所有滲水部位的滲水進行實測，繪制施工期洞室涌水量歷史變化曲線。由圖2可知，2017年初前，施工巷道開挖過程中洞室的總涌水量約6 000～6 500 m3/d；2018年初主洞室頂層開挖基本完成，中、下層開挖過程中，洞室的總涌水量達到峰值，約8 000～9 000 m3/d；2018年10月至2022年，隨著對主洞室與巷道的滲水處理，洞室總涌水量降至約2 600～3 000 m3/d，施工期洞室總涌水量遠超前期測算。

2 滲控處理難點及要求

根據(jù)工程地質及水文地質條件調查，實際揭露的滲水結構面數(shù)量多、分布范圍廣、延伸長，局部洞段發(fā)育密集，多為張性裂隙，其導水性強、連通性好、滲水量大，需進行注漿處理，處理工程量及難度大；Ⅲ級、Ⅳ級地質結構面與其他滲水結構面相互交錯連通，優(yōu)勢方向不明顯，裂隙寬度不一，滲水不規(guī)律，滲控處理難度大；洞室底板滲水多為脈狀承壓地下水，相當于在壓力水條件下進行滲控處理，是滲控工程的難點；受洞室開挖疏水影響，靠近洞室的觀測孔水位持續(xù)較低；因水文地質條件復雜，按現(xiàn)有滲控處理工藝與技術水平處理后，滲控工程處理量與處理時間增加。

根據(jù)詳勘成果和國內外同類工程圍巖裂隙滲水處理的相關經驗，確定了裂隙滲水處理的原則、措施與標準。其中，滲水處理以涌水量控制為原則，處理后的洞灌表面允許有滲水點，但不應有線流和漏泥砂，平均滲水量應不大于2 L/（m2·d），任意100 m2的平均滲水量應不大于4 L/（m2·d）。以具有水流或連續(xù)滴水的斷層為重點進行注漿封堵，盡可能減少地下水位降落值。為減少毛細裂隙水的釋放量，對洞室表層采用噴混凝土處理，對面狀或斑狀濕潤狀況出流的裂隙不進行注漿封堵。為控制洞底有壓流并有效減少洞庫滲漏水量，在主洞室底板鋪設一層厚0.1 m的C15素混凝土。為預防西河與庫區(qū)存在較強的水力聯(lián)系通道而造成涌水、突水事件，開挖過程中根據(jù)實際揭露的地質條件適時進行防滲帷幕施工。

3 洞室涌水量數(shù)值分析與預測

3.1 數(shù)值模型

為研究地下水封石油洞庫的滲流場及涌水量，采用三維有限差分法對整個場區(qū)進行建模分析，同時考慮水幕巷道和主洞開挖后地下水非恒定滲流過程對地下水位的影響。三維數(shù)值模型的原點為主洞室一西南角，Y軸正方向為北偏東10°，高程與實際高程一致；三維數(shù)值模型的大小為1 900 m×2 000 m，庫區(qū)位于數(shù)值模型中間，東西南北模型邊緣4個方向距離庫區(qū)約500 m左右；模型最低高程為-270 m，洞庫頂部最大高程-80.0 m，洞庫底板高程-110.0 m；洞庫區(qū)存在3條較大規(guī)模的斷層，分別為F1，F(xiàn)2和F3，考慮到F1穿過洞庫區(qū)外北邊，且F1處水位穩(wěn)定，三維數(shù)值計算模型只考慮F2和F3對滲流場影響，同時考慮洞室周圍對滲流影響較大的105條裂隙，見圖3。數(shù)值模型共有416 812個節(jié)點，剖分了1 374 147個單元，見圖4。

3.2 水力學參數(shù)及計算工況

當鉆孔鉆進至微風化層3 m時進行提水試驗，試驗得到的滲透系數(shù)值維持在10-2～10-3 m/d，該值為中風化及以上巖土體滲透系數(shù)，前期該層地下水數(shù)值模擬計算時采用值1.728×10-2 m/d。施工期水幕孔注水-回落試驗成果匯總得到水幕孔的平均滲透系數(shù)約為1.728×10-2 m/d，與前期勘察成果基本一致。因此本次計算選取的中風化及以上巖土體滲透系數(shù)為1.728×10-2 m/d。從鉆孔的壓水試驗成果來看，微風化巖體的滲透系數(shù)大多集中在10-3～10-2 m/d，極少量達10-4～10-6 m/d，且大多數(shù)的鉆孔在-70～-80 m標高處，滲透系數(shù)達到最大值10-1 m/d，說明洞庫區(qū)-120 m標高以上導水構造較發(fā)育，尤其是-70～-80 m標高部位?？睖y期洞庫涌水量分析預測時，滲透系數(shù)取值9×10-4 m/d，本次計算微風化巖體滲透系數(shù)也取為9×10-4 m/d。為計算地下水位供水壓力對滲水量的影響，具體計算工況設計見表1。

施工期對注漿孔進行了簡易壓水實驗，根據(jù)對試驗成果的匯總分析，得出不同等級結構面灌漿前、后的綜合透水率。計算模擬時，對結構面透水率進行概化處理，即對不同等級結構面的透水率按表2取值。

3.3 涌水量及地下水位形態(tài)分析

3.3.1 水幕孔高壓補水條件

計算分析水幕孔高壓補水條件下涌水量及地下水位形態(tài)?？紤]模型的對稱性，模型四周為隔水邊界，施工期水幕廊道邊界孔隙水壓力為 0，水幕孔內注水壓力變化不考慮大氣降水補給。工況1初始地下水按主洞室頂層開挖完成時的實際地下水位觀測值擬合確定?？紤]910個水幕孔未封堵，實際補水壓力為0.5 MPa。施工期水幕巷道及施工巷道內未充水。工況1計算結果表明：洞庫總涌水量約16 989 m3/d，其中1號和6號主洞室涌水量分別為2 006 m3/d和2 249 m3/d，為滲漏量最大的兩個洞室；2，3，4號和8號主洞室涌水量分別為1 049，1 499，1 423 m3/d和1 465 m3/d，單洞涌水量相對較少；5號、7號和9號主洞室涌水量為1 724 m3/d、1 996 m3/d和1 876 m3/d。主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結構面越多，涌水量越大，例如1，5，6，7號主洞室。圖5～6為工況1條件下5號主洞室剖面和中間橫截面（Y=450 m）孔隙水壓力分布圖。由圖可知：裂隙分布的不均勻性導致水壓力分布不均，由于水幕孔補水壓力較高（達到0.5 MPa），水幕巷道高程附近巖體中的水壓力顯著高于主洞室頂部巖體中的水壓力，同時補水導致裂隙水幕巷道上方局部位置巖體水位出現(xiàn)較大幅度上升，洞室周圍巖體整體處于飽和狀態(tài)。

3.3.2 水幕孔中壓補水條件

計算分析水幕孔中壓補水條件下涌水量及地下水位形態(tài)。工況2初始水位按目前實際地下水位觀測值擬合，地下水位面最低點為-42.5 m。計算過程中考慮部分水幕孔已封堵，實際補水壓力為0.3 MPa。水幕巷道及施工巷道內未充水。工況2計算結果表明：洞庫總涌水量在1 061 m3/d左右，1，4號和5號主洞室涌水量超過110 m3/d，分別為117，115 m3/d和110 m3/d；2號與3號主洞室涌水量約為86 m3/d和85 m3/d，6號和7號主洞室涌水量分別為108 m3/d和104 m3/d；8號和9號分別為97 m3/d和99 m3/d；10號主洞室涌水量最大，為140 m3/d。在現(xiàn)有實測水位條件下，水幕孔補水壓力從0.5 MPa降低到0.3 MPa，儲油主洞室的計算涌水量與工況1相比出現(xiàn)大幅度降低，洞庫總涌水量僅為工況1的6.2%。這說明地下水位的降低、水幕孔補水壓力降低和水幕孔的滲控處理可大幅度減少洞庫涌水量。圖7～8為工況2條件下5號主洞室剖面和中間橫截面（Y=450 m）孔隙水壓力分布。從圖中可知裂隙分布的不均勻性導致水壓力分布不均，由于水幕孔補水水幕巷道高程附近孔隙壓力較主洞室頂部巖體中的水壓力更大，但由于出水壓力相對較低，地下水沿導水結構面上升的高度有限，因此計算結果顯示地下水位面相對平緩，洞室周圍巖體處于飽和狀態(tài)。

4 水幕孔滲控處理過程及效果分析

4.1 水幕孔有效性試驗

根據(jù)施工期水幕孔注水-回落試驗成果，孔內的巖體滲透性以10-1 m/d（弱透水10-7 m/s≤k＜10-6 m/s）和10-2 m/d（微透水10-8 m/s≤k＜10-7 m/s）兩個數(shù)量級為主，見圖9。每個水幕孔分別通過水幕孔壓力曲線形態(tài)分析與各階段波動指數(shù)分析，將其劃分為正?？?、低效率孔或潛在低效率孔，針對本庫址區(qū)單孔注水回落試驗揭露的水幕孔滲透系數(shù)普遍較大現(xiàn)象，在孔間連通性好的區(qū)域進行補孔，以避免在圍巖較為破碎區(qū)域的孔內排泄較大。對于不連續(xù)分布的低效率孔，若該低效率孔與兩側正?？椎膲毫η€無相同變化規(guī)律，則在兩側補孔，否則只在無相同規(guī)律的一側補孔即可；對于連續(xù)分布的低效率孔，在每個低效率孔之間補孔；通過判斷兩端的低效率孔與正?？椎膱R力曲線是否有相同變化規(guī)律決定是否補孔。本工程共計補孔63個，補孔率6.8%。

4.2 水幕孔示蹤試驗

為驗證大流量水幕孔與施工巷道和主洞室的水力聯(lián)系，并為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)，2018年9月開始，對設計要求的水幕孔進行示蹤試驗。試驗采用的示蹤劑均為無毒環(huán)保的有機材料（呈綠色），為保證注入的均勻性及一定的注入量以取得預期的效果，試驗設備采用注漿機。

試驗過程對C101，C102，F(xiàn)209，F(xiàn)213，F(xiàn)218，F(xiàn)263和F269共計7個水幕孔進行了示蹤試驗，試驗成果如表3所示。

4.3 水幕孔滲控處理試驗

因水幕孔深度較大，為盡量達到滲控處理效果，開展了水幕孔滲控處理試驗。根據(jù)施工期主洞室布置的注漿孔簡易壓水試驗成果，Ⅲ級、Ⅳ級結構面出露的洞段或區(qū)域透水率基本在2～10 Lu之間，滲透系數(shù)為10-2 m/d；部分區(qū)域透水率超過10 Lu，滲透系數(shù)不小于10-1 m/d。試驗過程中，發(fā)現(xiàn)試驗孔下方洞室有水泥漿液滲出，試驗前后觀測并記錄了洞室的滲水變化情況，具體見表4?；谠囼炦M一步優(yōu)化了水幕孔滲控處理的工藝與參數(shù)，檢驗了滲控處理效果。

5 結 論

結合實際工程案例，通過滲流計算與分析，預測工程巷道充水情況及不同水位條件下的滲水量，現(xiàn)場開展水幕孔示蹤和滲控處理試驗，分析灌漿前后圍巖滲透特性，得到如下結論。

（1） 采用三維滲流數(shù)值分析方法，研究施工期地下水封石油洞庫的滲流場及涌水量受水位初始高程和水幕供水壓力的影響，結果表明：主洞室洞壁（含頂板和底板）揭露的裂隙與結構面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔補水壓力降低及水幕孔的滲控處理可大幅度減少洞庫的涌水量。

（2） 總結本工程中滲控處理的技術難點及相關要求，為驗證大流量水幕孔與施工巷道和主洞室的水力聯(lián)系，現(xiàn)場開展水幕孔示蹤試驗，測試結果為下一步洞室注漿及滲控方案提供依據(jù)，并通過水幕孔注水-回落試驗驗證了結構面灌漿對圍巖滲透性密封效果的影響。

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（編輯：唐湘茜，張 爽）

Seepage control treatment and effectiveness analysis for water curtain holes in underground water-sealed cavern

CHEN Zongguang

（ Powerchina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China）Abstract：

In order to study the treatment method and effect of water curtain seepage control in underground oil and gas storage caverns，the water filling condition of engineering roadway and seepage discharge under different water level conditions were predicted by seepage calculation and analysis combined with practical engineering examples.The permeability characteristics of surrounding rock before and after grouting were analyzed through field tests of water curtain hole tracing and seepage prevention.The influence of initial elevation of water level and water supply pressure of water curtain on seepage field and water inflow of underground water-sealed petroleum cavern during construction period was studied by using three-dimensional seepage numerical analysis method.The results showed that the more cracks and structural plane exposed in the main chamber wall （including roof and floor），the more water inflow；By reducing the water pressure of the water table and the water curtain hole，and treating the water curtain hole with anti-seepage，the water inflow can be greatly reduced.Field water curtain hole tracer test can provide basis for the next grouting and anti-seepage scheme.The permeability sealing effect of structural plane grouting on surrounding rock was verified.

Key words：

underground water-sealed cavern； seepage control treatment； water curtain hole； permeability； numerical calculation

收稿日期：

2022-06-23

作者簡介：

陳宗光，男，高級工程師，碩士，主要從事深部巖體工程災害防控的理論研究及實踐工作。E-mail：214228741@qq.com