水幕參數對地下水封石油洞庫的涌水量影響分析

嚴冬青 任旭華 張繼勛 王海軍

（1.河海大學水利水電學院，南京 210098；2.南京水利科學研究院，南京 210029）

地下水封洞庫的儲油方式，自20世紀50年代在瑞典首次應用以來，因具有安全、儲存量大、對地面環境影響小、少占耕地、經濟、環保等優點，在北歐、韓國、日本等國家和地區已建設若干座類似的油庫.我國在20世紀70年代開始陸續設計建設了一批地下水封儲油洞庫［1］.

早期建設的水封油庫一般都未設水幕系統.為了提高水封油庫的可靠性，近期新建的大型水封洞庫都設有水幕系統.水幕系統的設置可以有效維持洞庫頂部的地下水位，確保洞庫水封壓力長期穩定.洞庫的涌水量可以作為評價庫址優劣、排水設計的重要參數，過大的涌水還會增加洞庫的運營成本.《地下水封石油庫設計規范》［1］中規定水封石油庫處理后的日涌水量，每100萬m3庫容不宜大于100m3.人工水幕的設置勢必會影響水封洞庫的涌水量，研究不同的水幕設計參數對涌水量的影響規律具有現實意義.人工水幕設計的主要參數包括：人工水幕距洞室頂部高度、水幕鉆孔間距、水幕鉆孔注水壓力、水封幕覆蓋范圍（本文未涉及）［2］.此外洞庫頂部距穩定地下水位的埋深也是影響涌水量的重要因素.

1 滲流分析方法［3］

將巖體視為均質各向同性等效連續介質，運用二維有限單元法進行滲流的數值計算.

1.1 滲流基本方程和定解條件

二維均質各向同性介質中的穩定滲流控制方程

式中，h為水頭函數，k為滲透系數，Q為源或匯項.

其定解條件包括初始條件和邊界條件.其中初始條件

邊界條件（包括水頭邊界和流量邊界）

式中，h0（x，z，t）為初始時刻滲流區域內的地下水位分布，h1（x，z，t）為已知水頭邊界上的水頭，qn為已知流量邊界上的流量.

1.2 有限單元法計算公式

穩定滲流有限單元法計算公式

式中，［K］為總滲透系數矩陣，｛h｝為水頭向量列陣，｛F｝為右端項列陣.

2 工程實例

2.1 工程概況

某地下水封石油洞庫工程是我國在建的第一個大型國家戰略石油儲備庫，設計庫容300萬m3.地下工程主要包括2條施工巷道、9個主洞室、6個豎井及5條水幕巷道.其中9個主洞室平行設置，每3個主洞室組成一個罐體，共3個洞罐組.主洞室設計底面標高為－50m，洞跨20m，洞高30m，長度為484～717m，洞室截面為直墻圓拱形.相鄰主洞室之間設計凈間距為30m，主洞室與相鄰施工巷道之間設計凈間距為25.25m，水幕巷道布置在主洞室頂面以上25 m（標高為5m）處，每間隔10m布置水幕鉆孔.布置情況如圖1所示.

2.2 模型及邊界條件

利用大型商業軟件ABAQUS建立二維平面有限元計算模型.模型由9個主洞室組成，不考慮施工洞，模型的左右方向計算范圍從洞室外邊緣向外延伸400m，底部范圍從洞室地面向下延伸400m（標高為－450m），模型頂面高程250m，網格剖分為四邊形單元，對洞室及水幕鉆孔附近單元加密，具體布置及網格剖分情況見圖2.

圖1 石油洞庫布置圖

圖2 計算模型及網格

模型底部邊界設定為隔水邊界，左右邊界設為已知水頭邊界，圍巖滲透系數取為2.5×10－4m／d，邊界水位按高出洞庫頂部高程130m設定（標高為110 m），水幕注水孔按高出水幕巷道2m水頭控制.在開挖工況下，施工期開挖邊界按自由滲透邊界處理；在儲油工況下，液態油品浮在水墊層上，液態油品上部為飽和蒸氣，本文算例中忽略水墊層的厚度，油品密度取850kg／m3，飽和蒸氣壓取0.1MPa，按洞壁受力大小在油庫洞壁施加第一類水頭邊界條件［4］.

2.3 計算結果及分析

取上述水幕布置方式和邊界條件作為典型工況，計算至平衡狀態所得開挖和儲油工況孔隙壓力等值線分布如圖3～4所示.

圖3 開挖工況下孔隙壓力等值圖（單位：kPa）

由圖3～4可知，在施加人工水幕下，無論開挖工況還是儲油工況，洞室頂部的地下水位都得到了有效維持，并且從局部放大的圖5～6可以看出洞室頂部擁有較大的水頭梯度，可以有效地對油品及其蒸氣形成水封作用，防止儲油外泄.

圖4 儲油工況下孔隙壓力等值圖（單位：kPa）

圖5 開挖工況有水幕洞室局部孔壓等值圖（單位：kPa）

圖6 儲油工況有水幕洞室局部孔壓等值圖（單位：kPa）

在上述典型工況的計算基礎上，調整水幕設計參數和地下水位高度，研究人工水幕設計參數及地下水位的變化對洞庫涌水量的影響規律.

2.3.1 人工水幕距洞室頂部高度對涌水量的影響

《規范》［1］中規定水幕巷道底面至洞室頂面的垂直距離不宜小于20m，本文算例中取20m、25m、30 m、35m4種情況，分開挖和儲油2種工況.洞室涌水量隨人工水幕距洞室頂部高度的變化規律見圖7.

圖7 洞室涌水量隨水幕巷道高度變化圖

從圖7知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕巷道高度降低而增加，變化幅度明顯.開挖工況下水幕巷道高度為20m時的涌水量比水幕巷道高度為35m時高出38.6%，這個值在儲油工況下為39.1%.

2.3.2 水幕鉆孔間距對涌水量的影響

《規范》［1］中規定水幕孔的間距宜10～20m，本文算例中分別取10m、15m、20m3種情況，分開挖和儲油兩種工況.洞室涌水量隨水幕鉆孔間距的變化規律如圖8所示.

圖8 洞室涌水量隨水幕鉆孔間距變化圖

從圖8可知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕鉆孔間隔減少而增加，變化幅度較為明顯.開挖工況下水幕鉆孔間距為10m時的涌水量比水幕鉆孔間距為20m時高出15.8%，這個值在儲油工況下為15.9%.

2.3.3 水幕鉆孔注水壓力對涌水量的影響

水幕鉆孔注水壓力一般按高出水幕巷道2m水頭控制，本文為研究其一般規律，水幕鉆孔注水壓力分別取高出水幕巷道2m、4m、6m、8m、10m5種情況，分開挖和儲油2種工況.洞室涌水量隨水幕鉆孔注水壓力的變化規律如圖9所示.

圖9 洞室涌水量隨水幕注水孔壓力變化圖

從圖9知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，并且無論開挖工況還是儲油工況，其他條件不變，洞室涌水量隨水幕注水孔壓力上升而增加，但變化幅度有限.開挖工況下鉆孔注水壓力高出水幕巷道10m時的涌水量比高出水幕巷道2m時高出5.3%，這個值在儲油工況下為5.8%.

2.3.4 不同地下水位下人工水幕對涌水量的影響

《規范》［1］中規定洞室拱頂距設計穩定地下水位垂直距離Hw應按下式計算且不宜小于20m：

其中P為洞室內的氣相設計壓力（MPa）.

本文算例中洞室內氣相設計壓力取P＝0.1 MPa，相應地Hw＝25m.工程中往往實際值要遠大于該式的計算值，并且一年中不同季節的地下水位變化幅度往往較大.故計算中為研究其一般規律，地下水位至洞室拱頂的垂直距離從30m變化到250m，同時水幕巷道的位置距主洞室頂面的距離分20m、25m、30m3種情況，水幕注水孔均按高出水幕巷道2m水頭控制，分開挖和儲油兩種工況.

圖10 不同工況下洞室涌水量隨地下水位高度變化圖

由圖10可知，儲油工況涌水量要小于開挖工況，無論開挖工況還是儲油工況，洞室涌水量隨地下水位的上升線性增加.其他條件不變，洞室涌水量隨水幕系統高度降低而增加，并且地下水位越高，水幕系統高度的變化對涌水量的影響幅度越大.

3 結 語

本文以某在建水封石油洞庫為工程背景，重點分析水幕設計參數中人工水幕距洞室頂部高度、水幕鉆孔間距、水幕鉆孔注水壓力3個參數對涌水量的不同影響，同時分析了不同地下水位下人工水幕對涌水量的影響.得到以下結論：

1）人工水幕設計參數不變，開挖工況的涌水量總要大于儲油工況.水封鉆孔與儲洞庫頂部間距的變化對涌水量的影響幅度最大，水幕鉆孔間距對涌水量的影響幅度居中，而水幕鉆孔注水壓力對涌水量的影響幅度最小.

2）無論開挖工況還是儲油工況，洞室涌水量受地下水位變動的影響顯著，隨水位的上升線型增加.其他條件不變，洞室涌水量隨人工水幕高度降低而增加，并且地下水位越高，人工水幕高度的變化對涌水量的影響越大.

［1］ 國家發展和改革委員會.GB 50455－2008地下水封石洞油庫設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［2］ 時洪斌.黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩定性分析與評價［D］.北京：北京交通大學，2010.

［3］ 毛昶熙.滲流計算分析與控制［M］.2版.北京：中國水利水電出版社，2003.

［4］ 時洪斌，劉保國.水封式地下儲油洞庫人工水幕設計及滲流量分析［J］.巖土工程學報，2010，32（1）：130－137.