強烈非均質(zhì)裂隙介質(zhì)優(yōu)先流及其工程意義
——以HN地下水封洞庫為例

劉 忠,趙 曉,李淵博,曹孟雄*

(1.中國石油化工股份有限公司工程部,北京 100728; 2.安慶國儲石油基地有限公司,安徽 安慶 246199; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430078)

存在不同級次的裂隙網(wǎng)絡(luò)是自然低滲巖體的基本特征,裂隙介質(zhì)中的優(yōu)先流現(xiàn)象具有普遍性,在某些地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測和地下工程設(shè)計等領(lǐng)域中不可忽視。裂隙介質(zhì)優(yōu)先流是指在巖石中存在裂隙網(wǎng)絡(luò)時,水或其他流體首先通過裂隙流動的現(xiàn)象,研究裂隙介質(zhì)優(yōu)先流對于理解地下水流動、地下水污染物運移等方面的問題非常重要[1-2]。裂隙介質(zhì)中的裂隙網(wǎng)絡(luò)是裂隙介質(zhì)優(yōu)先流的基礎(chǔ),研究人員通過野外觀測、巖心分析和地球物理勘探等方法,探索裂隙網(wǎng)絡(luò)的幾何形態(tài)、尺度分布和連通性,了解裂隙網(wǎng)絡(luò)的特征將有助于理解優(yōu)先流行為的發(fā)生機制,可為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)參數(shù)支持[3-5]。裂隙介質(zhì)中的優(yōu)先流行為通常表現(xiàn)為非均勻的流速分布和選擇性的流動路徑,研究人員使用室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬來研究其流速分布的統(tǒng)計性質(zhì)、尺度效應(yīng)和滲透性對流動的影響[6-7]。此外,研究人員還關(guān)注裂隙介質(zhì)中的滲透性梯度、裂隙連通性和流固耦合作用對流體流動路徑選擇的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)先流現(xiàn)象是各種尺度下影響地下水滲流場的重要因素[8-14]。在裂隙介質(zhì)中,流體的流動主要限制在低滲透巖石基質(zhì)包圍的高導(dǎo)水性的裂隙網(wǎng)絡(luò)中[15],甚至水流幾乎全部經(jīng)由隙寬較大的通道運動[16-18],大裂隙常形成優(yōu)先流動路徑[19-20]。

在地下工程建設(shè)中,裂隙介質(zhì)優(yōu)先流可能導(dǎo)致快速的涌水突水現(xiàn)象和污染擴散,因此研究裂隙介質(zhì)優(yōu)先流對于準(zhǔn)確評估和防治工程中的地下水滲流問題具有重要意義。此外,開展強烈非均質(zhì)各向異性介質(zhì)地下水滲流模擬通常涉及復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文特征,因此需要靈活的剖分方法來適應(yīng)不規(guī)則的地質(zhì)形狀和邊界條件。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以根據(jù)地質(zhì)條件靈活地調(diào)整網(wǎng)格大小,以更好地捕捉地下水流動的特征。對于地下水封洞庫工程而言,盡管目前已有不同的地質(zhì)選址方法作為技術(shù)支撐[21-23],但國內(nèi)外的工程實踐表明,完全規(guī)避低滲巖體中的斷層、節(jié)理等構(gòu)造裂隙是不可能的。這些不連續(xù)面常常構(gòu)成地下水滲流的優(yōu)先通道,會對工程安全造成不可忽視的影響:①可能形成開挖洞室的充水來源,增大洞室涌水量,增加工程運營排水和污水處置的成本;②增大了灌漿防滲難度[20,24-25];③優(yōu)先流“快速度、小梯度、易疏干”的特征不易滿足儲品水封安全性的基本條件[26-27]以及Goodal等[28]提出的判別準(zhǔn)則,是儲品泄漏的風(fēng)險點。

本文以HN地下水封洞庫為例,采用FEELOW地下水模擬工具對洞庫庫區(qū)范圍內(nèi)的不良地質(zhì)進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的剖分,用來刻畫不良地質(zhì)現(xiàn)象,并與結(jié)構(gòu)化剖分結(jié)合構(gòu)建出較為符合實際的工程場區(qū)尺度的地下水滲流模型;根據(jù)各個階段不同工況的模擬,將地下水流場與壓力場結(jié)合進行優(yōu)先流的判別,分析優(yōu)先流的存在對實際洞庫項目的影響,準(zhǔn)確刻畫三維地下水滲流場,并判斷分析優(yōu)先流對洞庫水封條件的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

HN石油儲備地下水封洞庫工程設(shè)計庫容為500×104m3,地下工程部分共設(shè)置有4組洞罐,每2個洞室為1組洞罐,共計8個主洞室;主洞室軸線方向為70°,頂板標(biāo)高為-80 m,設(shè)計截面形態(tài)為直墻圓拱形,截面尺寸為寬20 m、高30 m;主洞室頂板以上25 m處設(shè)置水幕系統(tǒng),垂直主洞室布設(shè)水幕巷道7條,平行主洞室布設(shè)水幕巷道2條。

1.2 工程地質(zhì)條件

該地下水封洞庫庫址區(qū)內(nèi)的地層巖性可分為3大類:①第四系沉積物;②燕山期早白堊世花崗巖;③巖脈。

庫址區(qū)及其周邊調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)揭露了3條斷層、2條破碎帶和5條節(jié)理密集帶,其中3條斷層、2條破碎帶和5條節(jié)理密集帶位于庫區(qū)內(nèi)。盡管這些斷層的規(guī)模較小,但它們對地下水徑流排泄可能會產(chǎn)生重要影響。此外,節(jié)理密集帶和破碎帶也可能對地下水的流動起到阻礙或改變流向的作用。在庫址區(qū)及其附近區(qū)域發(fā)育了3條斷層,其中F1斷層是一條壓扭性逆沖斷層,斷面為波段面,斷層周圍的巖石發(fā)生了蝕變;F4斷層是一條壓扭性逆沖右行走滑斷層,斷層影響范圍較大,導(dǎo)致巖體破碎和綠簾石化現(xiàn)象的發(fā)育;F5斷層是一條壓扭性逆沖右行走滑斷層,與F1斷層斜交,并可能對地下水的徑流排泄產(chǎn)生影響。除了斷層之外,在庫址區(qū)域內(nèi),還發(fā)育了多條節(jié)理密集帶,其中J1節(jié)理密集帶具有較大的規(guī)模和延伸長度,伴隨該節(jié)理密集帶發(fā)育了優(yōu)勢節(jié)理裂隙;J2、J3、J4和J5節(jié)理密集帶的存在也可能導(dǎo)致地下水流動路徑的改變和局部巖體破碎。這些節(jié)理密集帶的影響寬度和程度不同,但都對地下水的徑流排泄產(chǎn)生一定的影響。此外,在庫址區(qū)附近的P2和P4破碎帶中,巖體裂隙發(fā)育較強,但規(guī)模相對較小,對地下洞室的影響較小。

總體而言,該地下水封洞庫庫址區(qū)的不良地質(zhì)條件,包括斷層、節(jié)理密集帶和破碎帶,可能對地下水的徑流排泄產(chǎn)生復(fù)雜的影響,這些地質(zhì)特征可能會導(dǎo)致地下水流動路徑的改變、地下水水位的變化以及局部巖體破碎等現(xiàn)象。因此在工程施工工況下,需要考慮這些不良地質(zhì)條件對地下水管理和排泄策略的影響,以確保工程的穩(wěn)定性和安全性。

圖1為各不良地質(zhì)地段位置分布圖。

圖1 HN地下水封洞庫水文地質(zhì)簡圖Fig.1 Hydrogeological sketch of HN underground water-sealed cavern

1.3 水文地質(zhì)條件

該地下水封洞庫庫址區(qū)內(nèi)的含水介質(zhì)主要是燕山期細(xì)粒二長花崗巖、中細(xì)粒正長花崗巖和第四紀(jì)覆蓋層,地下水主要以松散巖類孔隙水、淺層風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水、深層脈狀裂隙水等形態(tài)存在。其中松散巖類孔隙水賦存于第四紀(jì)松散覆蓋層中;淺層風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水主要賦存于花崗巖強風(fēng)化帶及中風(fēng)化帶淺部;深層脈狀裂隙水主要賦存于花崗巖中風(fēng)化帶中深部及其以下的巖體中。場地鉆孔內(nèi)地下水水位埋深-0.86～45.4 m,高程7.21～116.29 m,平均高程60.14 m。庫址區(qū)地下水水位標(biāo)高基本受地形控制,地下水等水位線與地形起伏基本一致。區(qū)內(nèi)年降水量變化范圍大致為1 600～2 600 mm,1981—2010年間年平均降水量為1 425.4 mm。

2 水文地質(zhì)概念模型建立

2.1 模擬范圍確定

本次模擬以地下水分水嶺以及河流作為劃分依據(jù),利用水文流域分析及水文地質(zhì)圖得出模擬范圍,其范圍東西寬約為4.3 km,南北長約為8.1 km,總面積約為34.8 km2,地面海拔高程為6～298.773 m,由于原有主洞室底板設(shè)計標(biāo)高為-110 m,故將模擬區(qū)域最低處標(biāo)高設(shè)定為-130 m。

2.2 邊界條件設(shè)置

研究系統(tǒng)的邊界是系統(tǒng)與外界進行交換的通道,決定著系統(tǒng)內(nèi)部的補給與排泄,因此確定邊界具有重要的意義。系統(tǒng)的邊界主要包括側(cè)向邊界與垂向邊界,在模擬區(qū)域這個大的系統(tǒng)內(nèi)部又存在著水幕與主洞室這樣小的內(nèi)部系統(tǒng),因此又可劃分出內(nèi)部邊界。具體邊界設(shè)置如下:

1) 側(cè)向邊界:北部為模擬區(qū)地勢最高處,且有流量通過北部匯入,故將其作為第二類邊界;東部地勢低,存在河流,將其視為第一類邊界;南部為皖河,將其表層1～2層設(shè)置為第一類邊界,皖河南部為長江,故將南部邊界下層3～18層設(shè)置為第二類邊界。

2) 垂向邊界:上部邊界主要接受大氣降水補給,由于大氣降水是模擬區(qū)內(nèi)地下水主要的補給來源,故將模型上部邊界設(shè)置為凈降水補給邊界;底部邊界設(shè)置為隔水邊界;在模擬區(qū)范圍內(nèi)由于存在水庫以及大面積的湖泊,將其視為第三類邊界,部分區(qū)域位置低,設(shè)置了排水溝,故將其作為出滲邊界。

3) 內(nèi)部邊界:在施工過程中,進行了水幕巷道、水平水幕孔以及主洞室的施工,因此在施工期將水幕巷道與主洞室作為第三類邊界處理,將水幕孔作為定水頭邊界,而在運營期將主洞室作為第三類邊界處理,水幕孔作為定水頭邊界。

2.3 含水層概化

該地下水封洞庫庫址區(qū)的含水介質(zhì)主要為西部與南部的陸相沖積物、洪積物、沉積物以及遍布整個研究區(qū)的全強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖,模擬區(qū)內(nèi)地下水主要賦存類型為松散巖類孔隙水、淺層網(wǎng)狀裂隙水、深層脈狀裂隙水。研究區(qū)表層覆蓋的第四系松散沉積物主要為沖積物、洪積物、沉積物,將其概化為一層,并將其中的松散巖類孔隙水在模型中概化為潛水含水層;考慮到其下的淺層裂隙水含水層滲透性較差,故將其概化為相對隔水的透水層,因而深部裂隙水可在模型中概化為承壓水。從整體上講,研究區(qū)內(nèi)含有多個較好的含水層,其中潛水含水層(即第四系含水層)的分布不規(guī)律且不連續(xù),承壓水含水層的分布廣泛且具有整體性,主要存在于微風(fēng)化花崗巖之中,因此可將研究區(qū)地下水概化為非均質(zhì)各向異性三維潛水流。

2.4 模型離散

本次模擬主要是使用FEFLOW中的Triangle法進行網(wǎng)格剖分。剖分時將水幕巷道、水平水幕孔、主洞室等處適當(dāng)加密,其余網(wǎng)格盡量保持大小一致,并對網(wǎng)格生成的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行質(zhì)量優(yōu)化處理,以確保網(wǎng)格的形狀和大小適合數(shù)值模擬,從而避免數(shù)值誤差和穩(wěn)定性問題。模型垂向上分為19層,其中第11層和第13層為水幕巷道層,第12層為水平水幕孔層,水幕巷道頂層高程值為-49 m,水幕巷道底層高程值為-55 m,水平水幕孔高程值為-54 m;第15層至第18層為主洞室層(-80～110 m),每層高度均為10 m,模型的底面高程為-130 m。網(wǎng)格剖分完成后選取的剖面見表1。

表1 模型各層面標(biāo)高

地下水封洞庫模擬區(qū)三維高程視圖見圖2。

圖2 地下水封洞庫模擬區(qū)三維高程視圖Fig.2 3D elevation map of the simulated area of under- ground water-sealed cavern

2.5 模型賦值

根據(jù)水文地質(zhì)試驗獲取的參數(shù)進行分區(qū)并賦值,并根據(jù)勘察資料顯示場區(qū)內(nèi)巖體滲透系數(shù)具有的分區(qū)現(xiàn)象,以及結(jié)合物探分析成果可知該地下水封洞庫庫址區(qū)東北側(cè)整體處于低阻范圍,另外由庫址區(qū)地質(zhì)調(diào)查分析可知庫址區(qū)東側(cè)巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎。因此,基于以上分析,并結(jié)合鉆孔所在位置與各鉆孔的滲透系數(shù),將地下洞庫主洞室所處的區(qū)域分為兩個不同的區(qū)域,即將主洞室左側(cè)定為Ⅰ區(qū),主洞室右側(cè)定為Ⅱ區(qū),主洞室右側(cè)Ⅱ區(qū)巖體的滲透系數(shù)較主洞室左側(cè)Ⅰ區(qū)的滲透系數(shù)大一個數(shù)量級,并且在后續(xù)模型建立的過程中,主洞室以外區(qū)域的參數(shù)均參照主洞室左側(cè)Ⅰ區(qū)的參數(shù)作為賦值所使用的基準(zhǔn)值,如圖3所示。

圖3 地下水封洞庫庫址區(qū)巖體的滲透系數(shù)分區(qū)示意圖Fig.3 Partition diagram of permeability coefficient of rock mass in the site area of underground water-sealed cavern

場區(qū)內(nèi)局部巖體裂隙發(fā)育,在庫址區(qū)洞室范圍內(nèi)發(fā)育有3條近南北向斷層、5條節(jié)理密集帶以及2條破碎帶,通過對上述鉆孔與斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)位置的相互關(guān)系以及壓水試驗所得的巖體滲透系數(shù)進行分析可知,斷層F1、F4、F5,節(jié)理J1、J2、J3、J4、J5,破碎帶P2、P4影響范圍內(nèi)的巖體由于受到地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致巖體滲透系數(shù)明顯變大,影響范圍外的巖體由于受到地質(zhì)構(gòu)造的影響導(dǎo)致滲透系數(shù)明顯變小,通過分析地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)鉆孔的滲透系數(shù),對斷層、節(jié)理影響帶以及破碎帶的滲透系數(shù)進行賦值,如表2所示。

表2 地下水封洞庫庫址區(qū)斷層、節(jié)理密集帶以及破碎帶滲透系數(shù)

2.6 模型校驗

將模擬區(qū)多年天然流場概化為穩(wěn)定流模型,利用水文地質(zhì)調(diào)查點水位以及鉆孔內(nèi)水位高程等地下水水位數(shù)據(jù)作為參照標(biāo)準(zhǔn),對研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件、源匯項等反復(fù)進行調(diào)整,使地下水模擬水位與實測水位擬合,并通過對比模型中各鉆孔的模擬水位與調(diào)查的實測水位,結(jié)果顯示模擬水位與實觀測水位擬合情況較好,如圖4所示。

圖4 模擬水位與實測水位擬合圖Fig.4 Fitting diagram of simulated water level and measured water level

擬合完成后的研究區(qū)天然流場如圖5所示。

圖5 擬合后的研究區(qū)天然流場示意圖Fig.5 Schematic diagram of fitted natural flow field in the study area

3 強烈非均質(zhì)裂隙介質(zhì)優(yōu)先流與地下水封洞庫水封條件評價

地下水滲流問題是地下水封洞庫工程從選址到設(shè)計、施工和運營中都應(yīng)重點關(guān)注的內(nèi)容。是否擁有良好的地下水補給條件以及因施工等情況引起的地下水封洞庫區(qū)域地下水水位下降、裂隙水流失,是否在洞室上方存在足夠高度的地下水,都關(guān)系著地下水封洞庫的水封效果,斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)條件的存在對于整個洞庫工程項目都有著一定的影響。

表3 不同工況觀測點水力坡度值

圖6 主洞室頂層觀測點具體位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of specific location of observation points on the top floor of the main cavern

在上述兩種工況條件下,利用模擬生成的水頭等值線進行裂隙介質(zhì)優(yōu)先流的判別,根據(jù)相對應(yīng)的水頭值來計算水力梯度,判斷該地下水封洞庫的水封條件。本文選取部分和全部防滲施工完成后的主洞室水頭等值線剖面進行了展示,如圖7、圖8所示。

圖7 部分防滲施工完成后主洞室水頭等值線剖面圖Fig.7 Section view of water head of main cavern after the completion of the partial seepage prevention construction

圖8 全部防滲施工完成后主洞室水頭等值線剖面圖Fig.8 Contour view of water head of main cavern after the completion of all seepage prevention construction

由圖7和圖8可知,兩種工況下主洞室的水頭等值線表現(xiàn)較為一致,即流場的整體形態(tài)并沒有因防滲與否產(chǎn)生較大的變化。故本文選擇全部防滲施工完成后的地下水流場平面圖進行了展示,如圖9所示。

圖9 全部防滲施工完成后地下水流場平面示意圖Fig.9 Plan diagram of underground water flow field after the completion of all anti-seepage construction

通過對潛水面與淺層水頭等值線的觀察可以明顯發(fā)現(xiàn),斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段所產(chǎn)生的優(yōu)先流對地下水流場產(chǎn)生了一定的影響。具體表現(xiàn)為:淺層水頭等值線發(fā)生了明顯波動,而深層水頭等值線較平滑,但是仍然存在著水頭上的差別。通過對主洞室頂層5個觀測點的水頭觀測,可以看出不同工況之間水頭的差別,見表4。

表4 不同工況下主洞室各觀測點水頭

由表4可知:斷層及節(jié)理密集帶條帶處所形成的優(yōu)先流在未做防滲處理的情況下水頭值下降較多,影響其涌水量數(shù)據(jù),但根據(jù)安全性計算與水力梯度計算可得,在存在水幕系統(tǒng)且主體進行防滲處理的情況下,是否對不良地質(zhì)地段進行防滲處理都不影響地下水封洞庫的水封條件;但是在主洞室右側(cè)Ⅱ區(qū)區(qū)域地下水水位下降大,產(chǎn)生較大的降深,可能導(dǎo)致部分裂隙疏干。在各層持續(xù)施工的過程中,涌水量同樣存在著差別,主洞室總的涌水量以及斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段涌水量的數(shù)據(jù)如圖10和11所示。

圖10 部分防滲處理情況下主洞室施工期涌水量Fig.10 Water inflow of main cavern during construction period under partial anti-seepage treatment

主洞室施工期涌水量數(shù)據(jù)(圖10和圖11)顯示:主洞室涌水量和不良地質(zhì)地段涌水量隨著施工的進行呈現(xiàn)周期性的變化,且斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段的涌水量占據(jù)主洞室整體涌水量的60%～70%,為主要的排泄途徑;但對不良地質(zhì)地段進行防滲處理后,不良地質(zhì)地段的穩(wěn)定涌水量減少了約371 m3/d。

圖11 全部防滲處理情況下主洞室施工期涌水量Fig.11 Water inflow of main cavern during construction period under all anti-seepage treatment

4 結(jié) 論

本文以HN地下水封洞庫為例,采用結(jié)構(gòu)化剖分水平各層與非結(jié)構(gòu)化剖分?jǐn)鄬蛹肮?jié)理密集帶相結(jié)合的方式建立了地下水水流模型,模擬了施工期與運營期斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段是否進行防滲處理等多種工況,并利用水頭等值線與壓力等值線進行了強烈非均質(zhì)裂隙介質(zhì)優(yōu)先流的判斷與分析,同時結(jié)合涌水量與降深等數(shù)據(jù)判斷優(yōu)先流對洞庫水封條件的影響,得到的主要結(jié)論如下:

1) 通過分析水頭等值線和壓力等值線發(fā)現(xiàn),不良地質(zhì)地段形成的優(yōu)先流會導(dǎo)致淺層水頭等值線發(fā)生明顯的波動,并且對深層水頭值產(chǎn)生一定的影響。這表明不良地質(zhì)條件可能會對洞室的水流狀況產(chǎn)生重要的影響。

2) 通過對是否防滲處理兩種工況進行模擬分析可知,主洞室開挖后涌水量的主要排泄途徑為斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)處,斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段的涌水量占據(jù)了主洞室全部涌水量的60%以上,雖經(jīng)防滲處理后涌水量減小,但在當(dāng)前的防滲等級下,斷層及節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)地段的涌水量數(shù)值仍較高,需提高防滲等級,采取有關(guān)工程措施以降低主洞室內(nèi)涌水量。

3) 對于主洞室右側(cè)Ⅱ區(qū)(指特定區(qū)域)的地下水水位下降情況需要密切關(guān)注,以防止部分裂隙疏干,從而影響主洞室的水封性,這意味著需要對主洞室內(nèi)的裂隙進行維護,以確保其封閉水流的能力。