強烈非均質裂隙介質優先流及其工程意義
——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.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430078)

存在不同級次的裂隙網絡是自然低滲巖體的基本特征,裂隙介質中的優先流現象具有普遍性,在某些地質災害預測和地下工程設計等領域中不可忽視。裂隙介質優先流是指在巖石中存在裂隙網絡時,水或其他流體首先通過裂隙流動的現象,研究裂隙介質優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]。裂隙介質中的裂隙網絡是裂隙介質優先流的基礎,研究人員通過野外觀測、巖心分析和地球物理勘探等方法,探索裂隙網絡的幾何形態、尺度分布和連通性,了解裂隙網絡的特征將有助于理解優先流行為的發生機制,可為數值模擬提供基礎參數支持[3-5]。裂隙介質中的優先流行為通常表現為非均勻的流速分布和選擇性的流動路徑,研究人員使用室內實驗和數值模擬來研究其流速分布的統計性質、尺度效應和滲透性對流動的影響[6-7]。此外,研究人員還關注裂隙介質中的滲透性梯度、裂隙連通性和流固耦合作用對流體流動路徑選擇的影響,結果發現優先流現象是各種尺度下影響地下水滲流場的重要因素[8-14]。在裂隙介質中,流體的流動主要限制在低滲透巖石基質包圍的高導水性的裂隙網絡中[15],甚至水流幾乎全部經由隙寬較大的通道運動[16-18],大裂隙常形成優先流動路徑[19-20]。

在地下工程建設中,裂隙介質優先流可能導致快速的涌水突水現象和污染擴散,因此研究裂隙介質優先流對于準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,開展強烈非均質各向異性介質地下水滲流模擬通常涉及復雜的地質結構和水文特征,因此需要靈活的剖分方法來適應不規則的地質形狀和邊界條件。而非結構化網格可以根據地質條件靈活地調整網格大小,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選址方法作為技術支撐[21-23],但國內外的工程實踐表明,完全規避低滲巖體中的斷層、節理等構造裂隙是不可能的。這些不連續面常常構成地下水滲流的優先通道,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]提出的判別準則,是儲品泄漏的風險點。

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范圍內的不良地質進行非結構化網格的剖分,用來刻畫不良地質現象,并與結構化剖分結合構建出較為符合實際的工程場區尺度的地下水滲流模型;根據各個階段不同工況的模擬,將地下水流場與壓力場結合進行優先流的判別,分析優先流的存在對實際洞庫項目的影響,準確刻畫三維地下水滲流場,并判斷分析優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計庫容為500×104m3,地下工程部分共設置有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°,頂板標高為-80 m,設計截面形態為直墻圓拱形,截面尺寸為寬20 m、高30 m;主洞室頂板以上25 m處設置水幕系統,垂直主洞室布設水幕巷道7條,平行主洞室布設水幕巷道2條。

1.2 工程地質條件

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

庫址區及其周邊調查區域范圍內揭露了3條斷層、2條破碎帶和5條節理密集帶,其中3條斷層、2條破碎帶和5條節理密集帶位于庫區內。盡管這些斷層的規模較小,但它們對地下水徑流排泄可能會產生重要影響。此外,節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。在庫址區及其附近區域發育了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,導致巖體破碎和綠簾石化現象的發育;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生影響。除了斷層之外,在庫址區域內,還發育了多條節理密集帶,其中J1節理密集帶具有較大的規模和延伸長度,伴隨該節理密集帶發育了優勢節理裂隙;J2、J3、J4和J5節理密集帶的存在也可能導致地下水流動路徑的改變和局部巖體破碎。這些節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生一定的影響。此外,在庫址區附近的P2和P4破碎帶中,巖體裂隙發育較強,但規模相對較小,對地下洞室的影響較小。

總體而言,該地下水封洞庫庫址區的不良地質條件,包括斷層、節理密集帶和破碎帶,可能對地下水的徑流排泄產生復雜的影響,這些地質特征可能會導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象。因此在工程施工工況下,需要考慮這些不良地質條件對地下水管理和排泄策略的影響,以確保工程的穩定性和安全性。

圖1為各不良地質地段位置分布圖。

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

1.3 水文地質條件

該地下水封洞庫庫址區內的含水介質主要是燕山期細粒二長花崗巖、中細粒正長花崗巖和第四紀覆蓋層,地下水主要以松散巖類孔隙水、淺層風化網狀裂隙水、深層脈狀裂隙水等形態存在。其中松散巖類孔隙水賦存于第四紀松散覆蓋層中;淺層風化網狀裂隙水主要賦存于花崗巖強風化帶及中風化帶淺部;深層脈狀裂隙水主要賦存于花崗巖中風化帶中深部及其以下的巖體中。場地鉆孔內地下水水位埋深-0.86～45.4 m,高程7.21～116.29 m,平均高程60.14 m。庫址區地下水水位標高基本受地形控制,地下水等水位線與地形起伏基本一致。區內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,利用水文流域分析及水文地質圖得出模擬范圍,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計標高為-110 m,故將模擬區域最低處標高設定為-130 m。

2.2 邊界條件設置

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

1) 側向邊界:北部為模擬區地勢最高處,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內地下水主要的補給來源,故將模型上部邊界設置為凈降水補給邊界;底部邊界設置為隔水邊界;在模擬區范圍內由于存在水庫以及大面積的湖泊,將其視為第三類邊界,部分區域位置低,設置了排水溝,故將其作為出滲邊界。

3) 內部邊界: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的含水介質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的全強風化、中風化、微風化花崗巖,模擬區內地下水主要賦存類型為松散巖類孔隙水、淺層網狀裂隙水、深層脈狀裂隙水。研究區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,研究區內含有多個較好的含水層,其中潛水含水層(即第四系含水層)的分布不規律且不連續,承壓水含水層的分布廣泛且具有整體性,主要存在于微風化花崗巖之中,因此可將研究區地下水概化為非均質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法進行網格剖分。剖分時將水幕巷道、水平水幕孔、主洞室等處適當加密,其余網格盡量保持大小一致,并對網格生成的非結構化網格進行質量優化處理,以確保網格的形狀和大小適合數值模擬,從而避免數值誤差和穩定性問題。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。網格剖分完成后選取的剖面見表1。

表1 模型各層面標高

地下水封洞庫模擬區三維高程視圖見圖2。

圖2 地下水封洞庫模擬區三維高程視圖Fig.2 3D elevation map of the simulated area of under- ground water-sealed cavern

2.5 模型賦值

根據水文地質試驗獲取的參數進行分區并賦值,并根據勘察資料顯示場區內巖體滲透系數具有的分區現象,以及結合物探分析成果可知該地下水封洞庫庫址區東北側整體處于低阻范圍,另外由庫址區地質調查分析可知庫址區東側巖體節理裂隙較發育,巖體較破碎。因此,基于以上分析,并結合鉆孔所在位置與各鉆孔的滲透系數,將地下洞庫主洞室所處的區域分為兩個不同的區域,即將主洞室左側定為Ⅰ區,主洞室右側定為Ⅱ區,主洞室右側Ⅱ區巖體的滲透系數較主洞室左側Ⅰ區的滲透系數大一個數量級,并且在后續模型建立的過程中,主洞室以外區域的參數均參照主洞室左側Ⅰ區的參數作為賦值所使用的基準值,如圖3所示。

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

場區內局部巖體裂隙發育,在庫址區洞室范圍內發育有3條近南北向斷層、5條節理密集帶以及2條破碎帶,通過對上述鉆孔與斷層及節理密集帶等不良地質位置的相互關系以及壓水試驗所得的巖體滲透系數進行分析可知,斷層F1、F4、F5,節理J1、J2、J3、J4、J5,破碎帶P2、P4影響范圍內的巖體由于受到地質構造的影響導致巖體滲透系數明顯變大,影響范圍外的巖體由于受到地質構造的影響導致滲透系數明顯變小,通過分析地質構造影響范圍內鉆孔的滲透系數,對斷層、節理影響帶以及破碎帶的滲透系數進行賦值,如表2所示。

表2 地下水封洞庫庫址區斷層、節理密集帶以及破碎帶滲透系數

2.6 模型校驗

將模擬區多年天然流場概化為穩定流模型,利用水文地質調查點水位以及鉆孔內水位高程等地下水水位數據作為參照標準,對研究區的水文地質參數、邊界條件、源匯項等反復進行調整,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查的實測水位,結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天然流場如圖5所示。

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

3 強烈非均質裂隙介質優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計、施工和運營中都應重點關注的內容。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,都關系著地下水封洞庫的水封效果,斷層及節理密集帶等不良地質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優先流的判別,根據相對應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較為一致,即流場的整體形態并沒有因防滲與否產生較大的變化。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現,斷層及節理密集帶等不良地質地段所產生的優先流對地下水流場產生了一定的影響。具體表現為:淺層水頭等值線發生了明顯波動,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:斷層及節理密集帶條帶處所形成的優先流在未做防滲處理的情況下水頭值下降較多,影響其涌水量數據,但根據安全性計算與水力梯度計算可得,在存在水幕系統且主體進行防滲處理的情況下,是否對不良地質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Ⅱ區區域地下水水位下降大,產生較大的降深,可能導致部分裂隙疏干。在各層持續施工的過程中,涌水量同樣存在著差別,主洞室總的涌水量以及斷層及節理密集帶等不良地質地段涌水量的數據如圖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據(圖10和圖11)顯示:主洞室涌水量和不良地質地段涌水量隨著施工的進行呈現周期性的變化,且斷層及節理密集帶等不良地質地段的涌水量占據主洞室整體涌水量的60%～70%,為主要的排泄途徑;但對不良地質地段進行防滲處理后,不良地質地段的穩定涌水量減少了約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 論

本文以HN地下水封洞庫為例,采用結構化剖分水平各層與非結構化剖分斷層及節理密集帶相結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理密集帶等不良地質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裂隙介質優先流的判斷與分析,同時結合涌水量與降深等數據判斷優先流對洞庫水封條件的影響,得到的主要結論如下:

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

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理密集帶等不良地質處,斷層及節理密集帶等不良地質地段的涌水量占據了主洞室全部涌水量的60%以上,雖經防滲處理后涌水量減小,但在當前的防滲等級下,斷層及節理密集帶等不良地質地段的涌水量數值仍較高,需提高防滲等級,采取有關工程措施以降低主洞室內涌水量。

3) 對于主洞室右側Ⅱ區(指特定區域)的地下水水位下降情況需要密切關注,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的裂隙進行維護,以確保其封閉水流的能力。