基于離散裂隙網絡的煙臺水封洞庫滲水點分析

黎照洪，胡 成，陳 剛，劉靜華

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北武漢430074)

基于離散裂隙網絡的煙臺水封洞庫滲水點分析

黎照洪，胡 成，陳 剛，劉靜華

(中國地質大學(武漢)環境學院，湖北武漢430074)

建立在致密結晶巖地區的地下水封洞庫開挖過程中洞室及水幕巷道的滲水具有不均勻性，而現階段主要在開挖后根據實際滲水量組織施工排水，若排水不及時容易造成洞室或巷道大面積浸水而形成安全風險。為在洞室開挖前對滲水點分布及滲水量進行一定預測，從而提前且合理安排排水工作，降低施工風險，以煙臺地下水封洞庫丁烷庫區為例，在對該庫區裂隙調查結果進行一定的統計分區后，采用Monte-Carlo隨機模擬方法建立離散裂隙網絡模型，通過多次迭代確定裂隙模擬置信區間，并選取在置信區間范圍內的裂隙模擬結果按照立方定律求取滲透系數，按區間進行水封洞庫滲水點分布區劃分，同時與實測大流量滲水區域進行比對，結果發現兩者具有較好的一致性，表明該方法能借助前期裂隙統計結果預測洞室開挖后滲水情況，協助組織施工期洞室排水。

地下水封洞庫;離散裂隙網絡;隨機模擬;滲水預測;煙臺市

地下工程施工過程中巷道滲水是影響工程進度乃至引發事故的常見工程地質問題，而地下水封洞庫一般建于致密基巖地區地下水位以下，開挖過程中洞室滲水問題尤為普遍。由于裂隙介質不均勻的導水性，滲水點的水量差異明顯，故采取一定手段合理預判地下洞庫涌水量，能幫助施工過程中合理安排排水工作或指導進行其他工程措施。目前，預測地下洞室滲水量的方法主要包括水文地質比擬法、經驗解析法或公式法和數值模擬法。水文地質比擬法一般通過類比同類工程經驗，但目前我國已建成地下水封洞庫較少且地質條件差異較大，適合作為類比的工程項目不多。經驗解析法以地下水動力學為基礎，通過概化庫區的地下水滲流條件而對洞室中的涌水量進行預測，如大島揚志方法、佐藤邦明方法、我國鐵道工程關于洞室初期涌水量和穩定涌水量的計算公式等。數值模擬法則根據概念模型對開挖區地下水滲流場進行計算機模擬，如王者超等［1］、何國富［2］綜合運用多種方法分析了地下水封洞庫工程的涌水量;龐家偉等［3］運用數值模擬手段分析煙臺地下水封洞庫在施工及運營期的涌水量;韓曼［4］分析了有無水幕條件下地下水封洞庫涌水量的差異。上述三種方法在粗略估算地下水滲水總量方面起到了良好效果，但對于巖體各向異性方面考慮不足，不能較好地預測滲水點具體分布區域。為了對滲水點具體區域進行預測，需要對地下水封洞庫地下滲透系數張量進行評估，如張龍等［5］引入試井理論，介紹了地下水封洞庫水平水幕鉆孔滲透張量的求解方法;季惠彬［6］則根據Hyung等［7］總結的地下水封洞庫巖體滲透系數張量的合理范圍，評價了黃島水封洞庫巖體滲透系數張量。此外，通過建立離散裂隙網絡的方法，可有效研究地下裂隙的不均勻分布，并借用立方定律，可求取巖體滲透系數［8-13］。但目前在地下水封洞庫領域應用較少，僅有馬峰［14］根據黃島水封洞庫裂隙統計結果求解了裂隙巖體滲透系數張量，并分析了滲透系數張量的整體特點，尚缺乏根據滲透系數與實際滲水量進行對比的研究。

本文以煙臺地下水封洞庫丁烷庫區為例，基于裂隙調查結果，按裂隙密度對研究區進行劃分后，采用模擬軟件Fracman的Monte-Carlo隨機模擬方法生成離散裂隙網絡，通過多次迭代確定裂隙模擬置信區間，并選取在置信區間范圍內的裂隙模擬結果按照立方定律求取裂隙巖體滲透系數，按區間進行水封沿庫滲水點分布區統計劃分，同時與實測滲水點進行對比，結果表明該方法能較好地預測洞庫滲水區域及滲水特點。

1 煙臺水封洞庫工程概況

工程項目為煙臺某公司商業儲備區，分為丁烷洞庫庫區、LPG洞庫庫區和丙烷洞庫庫區，其中丁烷洞庫庫區為本文的研究對象。該煙臺地下水封洞庫丁烷庫區截面呈馬蹄形，拱頂跨度約18 m，高度約26 m，包含3條水幕巷道、1個豎井和3個主洞室，分別編號為BC1、BC2、BC3，主洞室之間配有連接巷道，水幕巷道在洞室上方20 m，總長度784 m。庫址區地形地貌上屬山間河谷沖洪積丘陵到平原地貌過渡帶，基巖為燕山早期的黑云母二長花崗巖，主要巖脈為閃長玢巖脈、煌斑巖脈、燕山期花崗斑巖脈等，庫址西側靠近丁烷庫區發育一局部斷裂段。

2 離散裂隙網絡的建立

2．1 裂隙測量統計

本次通過8組鉆孔電視成像、2組已開挖洞室地質素描，對研究區結構面裂隙進行了測量，得到水幕巷道裂隙314條、水幕巷道下方儲藏品主洞室裂隙 388條，裂隙優勢產狀為:NE62°～74°∠79°～89°、SE111°～118°∠78°～84°、SW242°～253°∠83°～89°、NW289°～305°∠66°～79°。

2．2 模擬區劃分

將洞室施工區域適當向外擴展，選取長為500 m、寬為250 m、高為200 m的空間區域作為模擬區，如圖1所示。

圖1 模擬區范圍平面圖Fig．1 Plan of simulation area

根據工程重要性在水平方向劃分為中部洞室主體區域以及左、右兩側外圍區域共3部分，并根據裂隙密度隨深度變化特征，將每個部分在垂直方向上各劃分為3個裂隙等密度區域，共計9個分區，具體分區位置見圖2，其中V區為洞庫工程的水幕巷道及油氣品洞室所在區域。各分區空間位置、裂隙密度及優勢產狀統計見表1。

2．3 裂隙結構面幾何要素統計及裂隙網絡生成

裂隙結構面幾何要素統計包括產狀統計、裂隙跡長統計、裂隙隙寬統計等，本次研究對洞室主體部分Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ區裂隙結構面幾何要素進行了統計，結果顯示:裂隙跡長服從對數正態分布;裂隙隙寬服從負指數分布;Ⅳ、Ⅴ區產狀分布類型為二元賓漢類型，Ⅵ區產狀分布類型為費雪類型。

圖2 模擬區分區示意圖Fig．2 Zoning of the simulation area

表1 離散裂隙模擬分區情況統計表Table 1 Statistics of the simulation zone of the discrete fracture

在裂隙結構面幾何要素統計結果基礎之上，采用Monte-Carlo法隨機生成各個分區內的裂隙，研究區裂隙結構面網絡模擬結果見圖3。

圖3 研究區離散裂隙網絡Fig．3 Discrete fracture network of the study area

圖3中每一種顏色的片狀六邊形分別表示子分區中某一優勢產狀控制的裂隙集，六邊形的分布位置及密集程度表示裂隙集的空間發育密集位置及其密集程度。由圖3可見，垂向上(沿Z軸正方向)，自上而下裂隙發育程度逐步降低;水平方向上，自西向東(即X軸正方向)裂隙發育密集程度下降，裂隙發育特點受研究區西側的局部斷裂帶影響明顯。

3 滲透系數求取與滲水區域對比

3．1 置信區間分析與滲透系數求取

為合理預測地下封洞庫滲水情況，需從模擬結果中選取與洞室開挖空間相連通的裂隙。雖然Monte-Carlo方法［15］是一種統計意義上概率分布的隨機模擬方法，不同模擬結果間存在一定程度差異，但隨著模擬次數增加能表現其宏觀規律性，故利用Fracman軟件的宏命令功能產生100次連通性分析隨機模擬結果，并分別統計每次所得出的與洞室連通的裂隙數量，最終得到丁烷洞庫各個子洞室(BC1、BC2、BC3)的連通裂隙數量分布，詳見圖4至圖6。

圖4 子洞室BC1連通裂隙數量迭代統計結果Fig．4 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC1

圖5 子洞室BC2連通裂隙數量迭代統計結果Fig．5 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC2

本文利用SPSS軟件對裂隙數據進行分析，采用95%置信率下的連通裂隙數數量范圍作為置信區間，用于滲透性分析。各子洞室對應的連通裂隙數量置信區間見表2。

圖6 子洞室BC3連通裂隙數量迭代統計結果Fig．6 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC3

同樣，為保證裂隙模擬結果的可靠性，進行了多次模擬，得到一個在置信區間范圍內的連通裂隙數量模擬結果值，再根據立方定律求取對應的滲透系數，并根據滲透系數數量級進行分區間裂隙數量統計，其結果見表3。

表2 子洞室連通裂隙數量置信區間Table 2 Confidence interval of the numbers of fractures connecting to the sub-caverns

表3 子洞室連通裂隙數量模擬結果及對應的滲透系數Table 3 Simulation result of the numbers of fractures connecting to the sub-carvens and the corresponding permeability coefficients

3．2 模擬結果與實測滲水區域對比

將連通裂隙數量多(取連通裂隙數量大于10條的部分)且滲透性相對較大的部分作為預測大流量滲水區，即BC1子洞室的K090～130 m及K0240～270 m區域、BC2子洞室的K0150～200 m區域以及BC3子洞室的K0150～230 m區域，并在洞室開挖完成后對現場實測滲水點進行統計，劃分實測大流量滲水區域，對3個子洞室共劃分出6個實測大流量滲水區域，詳見表4。

表4 丁烷洞庫各子洞室大流量滲水區域Table 4 High-flux seepage zones in each sub-carven of the butane reservoir

在丁烷洞庫平面圖上將實測和預測大流量滲水區域這兩部分區域進行投影，可得到該丁烷洞庫實測與預測大流量滲水區域的對比圖，見圖7。從實測滲水區域與預測滲水區域在平面圖上的重疊情況來看，6個實測滲水區域中，有5個實現了較準確的預測，其預測效果良好。

圖7 丁烷洞庫實測與預測大流量滲水區域對比圖Fig．7 Comparison of the measured and predicted high-flux seepage zone in butane reservoir

4 結 論

本文通過對煙臺地下水封洞庫丁烷庫區開展離散裂隙網絡構建工作與現場滲水統計工作，對比了通過數值模擬得到的滲透系數偏大區域與實測大流量滲水區域的分布差異，發現兩者具有較好的一致性。因此，在洞室未開挖階段，通過收集整理前期的裂隙展布數據，建立離散裂隙網絡模型，在一定程度上可以實現對開挖階段大流量滲水區域的預測，以便協助組織施工期洞室排水。

［1］王者超，李術才，梁建毅，等．地下水封石油洞庫滲水量預測與統計［J］．巖土工程學報，2014，36(8):1490-1497．

［2］何國富．湛江某地下水封洞庫涌水量估算與分析［J］．西部探礦工程，2011，23(11):19-24．

［3］龐家偉，丁國平，陳剛，等．地下水封洞庫水位降深與涌水量的數值分析［J］．油氣儲運，2013，32(9):1007-1011．

［4］韓曼．地下水封石油洞庫滲流場及溶質運移模擬研究［D］．青島:中國海洋大學，2007．

［5］張龍，陳剛，胡成．試井理論在洞庫水幕效率試驗中的應用［J］．安全與環境工程，2015，22(1):7-10．

［6］季惠彬．水封地質條件對地下水封洞庫選址的影響研究［J］．安全與環境工程，2013，20(2):138-141．

［7］Hyung S Y，Jae G K，Kyung S K，et al．Groundwater flow characterization in the vicinity of the underground caverns in fractured rockmasses by numerical modeling［J］．Geosciences Journal，2004，8(4): 401-413．

［8］賀少輝，廖國華．裂隙巖體裂隙網絡滲流模型研究［J］．礦冶工程，1997，17(2):11-14．

［9］王培濤，楊天鴻，于慶磊，等．基于離散裂隙網絡模型的節理巖體滲透張量及特性分析［J］．巖土力學，2013，34(2):448-455．

［10］Miller S M．A statistical method to evaluate homogeneity of structural populations［J］．Mathematical Geology，1983，15(2):317-328．

［11］Mahtab M A，Yegulalp T M．A similarity test for grouping Orientation data in rock mechanics［C］//Proceedings of the25th U．S．Symposium on Rock Mechanics．New York:American Institute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers，1984:495-502．

［12］孫蓉琳，梁杏，靳孟貴．裂隙巖體滲透系數確定方法綜述［J］．水文地質與工程地質，2006(6):120-123．

［13］任文明，梁久正．大型地下洞庫巖體力學參數取值及工程應用［J］．石油工程建設，2012，38(1):14-15．

［14］馬峰．黃島地下水封洞庫裂隙巖體滲透性研究［D］．武漢:中國地質大學武漢，2010．

［15］Oda M．Permeability tensor for discontinuous rock asses［J］．Geotechnique，1984，35:483-495．

Seepage Analysis of the Water-sealed Cavern in Yantai City Based on the Discrete Fracture Network Model

LI Zhaohong，HU Cheng，CHEN Gang，LIU Jinghua
(School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Seepage inhomogeneity is common characteristics in carvens and water curtain tunnels during excavation which are built in compact crystalline rock area．At presentthe site drainage is deployed after the excavation has begun according to the actual seepage quantity．Once the water is not discharged in time，the caves or the tunnels tend to immerse to a large extent with a hysteretic drainage，which may cause safety risk．To forecast the seepage point and its quantity before the caves are dug，so as to arrange reasonably the drainage in advance and lower the constructive risk，this paper calculates and classifies the fracture in the water-sealed cavern of Yantai city and builds the discrete fracture network model based on the stochastic method by Monte-Carlo．With multiple iterations，the paper confirms the confidence interval of the fracture simulation，then calculates the permeability coefficients using cubic law according to the simulated result of fractures which lies in confidence interval．Furthermore，the paper divides seepage points of water-sealed cavern into several parts by the confidence interval and compares with the virtual parts．The results exhibit fine consistency between the simulated and the measured parts，showing that the method can predict the seepage after caving，which helps in site drainage in construction period．

underground water-sealed cavern;discrete fracture network;stochastic simulation;seepage prediction; Yantai City

X948;TU926

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．029

1671-1556(2016)05-0170-04

胡 成(1976—)，男，博士，副教授，主要從事3S技術在水文地質中的應用以及工程水文地質方面的研究。E-mail:hu-cheng @cug．edu．cn

2015-11-09

2016-08-24

黎照洪(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為工程水文地質。E-mail:526152304@qq．com