地下水封洞庫滲水特征與治理方法

劉曉亮 梁建毅 李康林 劉 歡

(1.黃島國家石油儲備基地有限責任公司，山東 青島 266426；2.東北大學，遼寧 沈陽 110819)

地下水封洞庫技術是在地下巖體中由人工挖掘形成的一定容積洞室中儲存石油產品[1，2]，并通過設計控制地下水由圍巖裂隙流入油庫實現密封儲油的一種技術。利用地下水封洞庫儲存石油產品具有安全性高、投資少、占地面積小等優點，因此它已成各國儲存石油產品以保障國家能源安全、平抑國內油價的主要存儲設施。

地下水封洞庫在建設和運行期，維持比較穩定的地下水位尤為重要，因此洞庫必須建在比較穩定的地下水位以下，保證洞室以上具有一定高度的地下水，使洞室周圍地下水壓力大于洞室內存儲石油產品的壓力，以此實現油庫密封。由于受地質構造影響，在洞室開挖過程中，地下水會沿導水裂隙滲入洞室，為防止大量地下水流失引起不可接受的地下水位降落，同時防止滲入量大于設計的洞室滲水量，要及時注漿封堵。一般注漿前要完成支護，其一方面是防止抬動，保證在注漿的過程中結構的穩定，一方面規避了支護的過程中，由于錨桿的施工，對已完成注漿封堵的局部圍巖，又造成二次破壞。在錨噴支護鉆孔的過程中，可能會打穿隔水巖板或者連通了導水裂隙，通常情況由于水幕系統的存在，錨桿孔的出水量會較大，給錨桿注漿帶來了困難，且會對已完成注漿封堵的局部圍巖產生二次破壞，給注漿工作增加了難度；并且注漿孔的鉆孔也會對隔水巖體產生破壞，同樣孔深過大，一旦與上層的水幕形成連通，將增加注漿難度并導致地下水位下降。

針對上述工程中遇到的問題，結合對地下水封洞庫滲水特征的分析，在綜合考慮滿足注漿封堵減少滲水量、維持地下水位穩定兼顧圍巖穩定性基礎上，提出了注漿與支護的新方式，為維持水封洞庫的穩定地下水位和控制洞室滲水量大小提供方法。

1 地下水封洞庫工程特點

1.1 巖石整體性好，強度高

地下水封洞庫選址首先要滿足巖體的完整性，即應選出無深性斷層和斷裂、裂隙不甚發育的結晶巖體，以保證有足夠的可用巖體范圍[3]。這些要求決定了其工程地質條件要優于常規隧洞，規避了施工中一些大的地質災害，如大體積的坍塌、突水突泥等。

1.2 柔性支護為主，不襯砌或基本不襯砌

公路、鐵路的隧道采用的支護方式為鋼性支護，開挖后錨噴支護只是作為初次支護，在其完成后要進行二次混凝土襯砌，而地下水封洞庫柔性支護作為永久支護，只在局部的Ⅳ級巖體和Ⅴ級巖體進行混凝土的襯砌。

1.3 隙存水補，水必不可少

密封性是地下水封洞庫存儲油品滿足運行要求的關鍵。為滿足洞庫密封性，巖石裂隙和地下水始終應保持“隙存水補”的關系，而這補足裂隙空隙的水來源于天然地下水和水幕系統產生的人工補水，為了防止在施工過程中地下水位降落過大導致洞室上部巖體裂隙處于無水、少水狀態，在主洞室施工過程中水幕始終要保持供水狀態。因此水既作為施工期間防治對象(限制滲水量)，也是水封洞庫不可或缺的一部分。而在常規的隧洞工程中，水通常都是以首要的致災因素出現的，是工程建設中重要的防治對象之一。

2 地下水封洞庫滲水原因

由于地質構造作用，巖體中存在一些導水通道，在開挖洞室過程中，地下水會沿著這些導水通道滲入洞室內；從水封性原理方面，洞室周圍地下水壓力大于洞室內部存儲油品的壓力，因此，洞室外地下水不斷向洞室內滲流，同時，為降低施工和運營期成本，又要滿足洞室的滲水量盡量小。因此，適當高度的穩定地下水位與盡量小的滲水量成為地下水封洞庫水封性評價的重要指標。由于水封洞庫的原理是建立在地下水的特性上，因此，了解與分析水封洞庫滲水類型與特點是洞室處理滲水的基礎。

2.1 水封洞庫滲水類型

以黃島國家石油儲備地下水封洞庫工程為例，根據出水部位及水量分為裂隙滲水、斷層滲水、侵入巖脈面滲水及其他滲水，如表1所示。

表1 地下水封洞庫滲水類型統計表(黃島洞庫為例)

第一類，優勢節理裂隙滲水。此類滲水部位巖體較完整，強度高、節理裂隙不發育或較發育，滲水主要為少數貫通性較強的優勢節理發生，由于出水點較少，滲水形式多為集中滲流，流量為10 L/m2～50 L/m2,當裂隙與水幕孔相交時，會形成較大的壓力水。

第二類，斷層破碎帶滲水。此類滲水部位受斷層破碎帶的影響，圍巖破碎，節理裂隙發育，且有粘土礦物充填，出水點較多，且充填物質的滲透性也較差，此類情況下多為面滲，局部為流水，水量為5 L/m2～15 L/m2。

第三類，巖脈的侵入面滲水。由于后期巖脈的入侵，巖脈的侵入面形成了水力通道，發生滲水，此種情況的流量由侵入巖與母巖的結合情況而定。

第四類，其他情況。在錨噴支護鉆孔的過程中，可能會把原始的隔水層或閉合的節理裂隙打通而形成的滲流水，通常情況由于水幕系統的存在，錨桿孔的出水量會較大。

2.2 地下水封洞庫的滲水特點

1)預見性差。地下水封洞庫的巖性以火成巖為主，巖石的完整性較好，水的附存狀態以基巖裂隙水為主，局部斷層儲水[4]。

2)滲流量小，出水壓力低。出水狀態以面淋為主，局部集中線狀流水，流量小、壓力低。對于洞內的集中流水點，流量大約為50 L/h,而對于面滲區域其流量為4 L/(m2·h)～20 L/(m2·h)。

3)可灌性差，停灌標準高。巖體節理裂隙隨機性較大，一般網絡結構模擬不了，以壓扭性為主的斷層有泥質填充，充填多為粉—粘性土，張開度較小，吸漿量小，灌漿前后波速變化不明顯。在注漿處理的過程中，容易出現預注漿后效果不明顯，需要得到反復的后注漿處理。

4)以堵為主，原則上不建議排。地下水封洞庫一方面要保持結構穩定性，另一方面保持地下水的穩定性及穩定的補給源。而對于以基巖裂隙水為主的地下水，降雨入滲系數較小，施工過程中一旦流失過多，短時間難以恢復，因此對于開挖施工過程中揭露的滲流水要及時封堵，最小程度保持地下水在施工階段的流失，原則上不建議排水。

3 滲水治理方法研究

對滲水的治理目前較為常用的方法就是注漿，在開挖前進行注漿為預注漿，開挖后進行注漿的為后注漿。預注漿適用范圍主要是已探明的前方有富水構造，水量較大，水壓較高。后注漿主要是對已揭露巖面而進行的注漿，針對性較強，但相對于預注漿來說，壓力相對較小。對于地下水封洞庫來說，由其工程特點可以了解到，其巖石的完整性較好，因此注漿的目的主要為防滲、堵水，在具體的施工過程中，以后注漿為主。

在進行注漿前首先要完成支護，一方面是防止抬動，保證在注漿的過程中結構的穩定，一方面規避了支護的過程中，由于錨桿的施工，對已注漿實現隔水層的圍巖，又造成二次破壞。因此支護要兼顧結構穩定與維護地下水穩定為目的。

洞室中存在局部裂隙較發育、不發育或斷層破碎帶，而錨噴支護在造孔的過程中，可能錨桿造孔會打穿隔水巖板或連通導水裂隙，通常情況由于水幕系統的存在，錨桿孔的出水量會較大，給錨桿注漿帶來了困難，且由于隔水巖板的二次破壞，給注漿工作也增加了難度。因此在支護的過程中，要“短錨密布”這樣不造成原生的巖體結構發生破壞，然后在注漿的過程中，注漿孔要根據巖體結構面的產狀來布孔，孔向和巖體的走向大角度相交，壓力可以適當提高。

而針對地下水封洞庫的工作原理，注漿的目的就是使漿液形成的結石和巖體共同形成隔水的帷幕，最深層次是控水，因此，注漿孔布設方式也要“短孔密布”，一方面本身注漿孔的打孔也是對隔水巖體的破壞，同樣孔深過大，一旦與上層的水幕形成有效的連通，就會由面滲轉為局部集中滲水。

4 結語

本文以黃島地下水封洞庫為例，分析得知洞室滲水類型主要有斷層滲水與優勢裂隙滲水；通過提出注漿堵水中注漿孔“短孔密布”布設方式以及支護中“短錨密布”布設方式，以此避免長孔可能因打穿隔水巖板或者連通導水裂隙所導致的洞室滲水量增大、注漿封堵困難以及地下水位降落的工程風險。