地下水封石油洞庫水幕系統有效性分析

摘要：

為驗證水幕系統的水封效果，依托某地下水封石油洞庫工程，提出了綜合考慮壓力波動指數與水文地質條件的水幕有效性試驗分析方法，并采用瞬變電磁法驗證了水幕系統有效性試驗分析方法的可靠性。結果表明：① 通過分析水幕孔的各階段壓力波動指數，可以發現有效性存在異常的水幕孔，但需要結合水文地質條件進一步分析。② 導水構造是水幕系統內主要的水力聯系通道，通過分析構造產狀、滲透特性、對應的滲水點及地下水位等水文地質條件，可以判斷水幕系統的有效性。③ 瞬變電磁法通過對水幕系統圍巖富水性及完整性的有效探測，其結論與水幕系統有效性試驗分析方法結果一致。研究成果可為驗證類似工程水幕系統有效性提供依據。

關鍵詞：

地下水封石油洞庫； 水幕系統； 有效性試驗； 水文地質分析； 瞬變電磁法

中圖法分類號：TE972

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.03.014

文章編號：1006-0081（2025）03-0084-06

收稿日期：

2024-04-09

基金項目：

中國電建集團核心攻關項目“大型地下水封石油儲庫安全監測成套技術與智能化管控平臺”（DJ-HXGG-2023-11）

作者簡介：

菅玉峰，男，工程師，碩士，主要從事地下空間圍巖穩定及地下水滲流場方面的研究。E-mail：jianyufeng@powerchina.cn

引用格式：

菅玉峰，王健野，李橋梁，等.地下水封石油洞庫水幕系統有效性分析

［J］.水利水電快報，2025，46（3）：84-89.

0" 引" 言

地下水封石油洞庫具有建設及運行成本低、對環境影響小、占地面積少、安全性高等優點［1］，早期建造的地下水封石油洞庫規模往往不大，僅利用場地內的天然地下水便可實現油品密封［2］。隨著地下洞室規模的擴大，通過巖體裂隙滲入地下洞室的水量逐步增加，僅依賴天然地下水補給難以保證油品的密封性［3］。為保證地下水封石油洞庫的運行安全，目前國內外建造的地下水封石油洞庫均利用水幕系統的水封作用確保油品密封［4］。

水幕系統主要由水幕巷道及間隔一定距離布置的水幕孔組成，水幕系統示意見圖1，施工期通過供水管道由水幕孔向巖體裂隙注水，保證巖體裂隙始終處于富水狀態，并根據導水裂隙在儲油洞室揭露的滲水點為后續注漿堵水施工及驗收提供依據。在運行期水幕系統充水后，根據地下水位的變化情況，利用水幕補水井向水幕系統補水，從而穩定地下水位，為油品儲存提供水封保障［5］。

若水幕系統內存在水力聯系較差的區域，則其巖體裂隙極有可能成為油氣的泄漏通道，成為工程安全運行的隱患［6］。因此需開展水幕系統的有效性試驗，以確保能精確地在水力聯系較差的區域增補水幕孔。

為此，國內學者針對水幕系統有效性開展了大量的研究，張奇華等［7］提出了有效性試驗在內的多種水力學試驗的理論背景、試驗過程和數據分析方法。王者超等［8］結合中國首個大型地下水封石油洞庫工程，通過有效性試驗與單孔注水試驗的綜合分析，認為垂直水力梯度是判斷水封作用的重要參數。劉靜華等［9］引入臨界壓力值對水幕系統有效性試驗提出了評價標準。陳宗光［10］通過研究水幕孔壓力曲線的變化規律判斷水幕系統的有效性。

目前針對水幕系統的有效性試驗多數依據水幕系統的水封原理，在工程實踐中缺乏系統成熟的試驗方法，且在試驗過程中未與實際水文地質條件相結合。因此，本文依托某地下水封石油洞庫工程，結合水幕孔壓力波動指數與水文地質條件，對水幕系統有效性試驗進行了深入研究，并采用瞬變電磁法對結論進行驗證，為保障該工程水幕系統有效性提供了依據。

1" 水幕有效性試驗

1.1" 試驗流程

水幕系統有效性試驗的操作流程可概括為以下幾個階段。

1.1.1" 準備階段

試驗開始前，確保所有水幕孔的供水閥門保持開啟狀態，并記錄水幕孔的穩定供水壓力S0。

1.1.2" 第一階段

所有水幕孔供水閥門由開啟調整為關閉狀態，記錄水幕孔壓力的變化過程，直至全部水幕孔達到穩定壓力S1。

1.1.3" 第二階段

間隔開啟水幕孔供水閥門，其余水幕孔供水閥門繼續保持關閉，記錄所有水幕孔的壓力變化過程，直至全部水幕孔達到穩定壓力S2。

1.1.4" 第三階段

調換第二階段水幕孔供水閥門啟閉狀態，將第二階段關閉的水幕孔供水閥門開啟，第二階段開啟的水幕孔供水閥門關閉，記錄所有水幕孔的壓力變化過程，直至全部水幕孔達到穩定壓力S3，試驗結束。

1.2" 數據分析

基于水幕系統有效性試驗所采集的數據進行分析，主要分為2個步驟進行。首先進行水幕孔壓力波動指數分析，獲取水幕孔各階段的波動指數，然后在此基礎上結合水文地質條件進一步展開分析。

1.2.1" 水幕孔壓力波動指數分析

通過計算各階段的壓力波動指數可以定量分析試驗過程中水幕孔的壓力變化情況，各階段壓力波動指數計算公式如下：

b1=S1S0（1）

b2=S3-S1S2（2）

b3=S2-S1S3（3）

式中：b1為第一階段壓力波動指數；b2為第二階段開啟的水幕孔第二、三階段壓力波動指數；b3為第二階段關閉的水幕孔第二、三階段壓力波動指數；S0，S1，S2，S3分別是水幕孔在準備階段、第一階段、第二階段、第三階段的穩定壓力，MPa。

第一階段壓力波動指數越大，表明水幕孔靜水壓力越高，越有利于保證水幕孔水封性，但該指數無法直觀判斷水幕孔間的水力聯系。第二、三階段壓力波動指數越大，則表明水幕孔間水力聯系越強，越有利于保證水幕系統完整性。

1.2.2" 水文地質條件分析

導水構造有利于地下水在圍巖裂隙中進行壓力傳遞，尤其當構造貫通水幕孔時，水幕孔滲流壓力影響范圍基本與構造發育邊界相同，影響范圍內的滲透壓力大小與構造滲透率具有明顯的正相關性［11］。導水構造示意見圖2。

進行水幕系統有效性試驗分析時，根據開挖揭露的地質構造產狀及滲水點、壓水試驗確定構造的滲透特性，在水幕系統高程上繪制水文地質平切面圖，通過水文地質條件綜合判斷水幕系統的有效性。

需要注意的是，隨著地下洞室的開挖，地下水滲流場會以儲油洞室為主要滲透補給方向，導致地下水滲流場的豎向流速分量大于水平流速分量，在有效性試驗中，水幕孔的水平向水力聯系將受到影響。因此，當試驗區域地下水位顯著下降時，應結合水文地質條件，排除滲流場變化對水幕孔波動指數分析帶來的干擾。

1.3" 結果驗證

為確保壓力波動指數與水文地質條件分析的準確性，采用瞬變電磁法對試驗分析結果進行驗證。瞬變電磁法原理如圖3所示，利用發射線圈在地層中激發特定波形的一次磁場。斷開發射源后，一次磁場也隨即消失，劇烈變化的一次磁場將在地層中激發二次感應磁場，由于二次感應磁場也會迅速衰減，又將在其周圍感應出新的電磁場，這一過程將不斷重復直至磁場能量完全耗盡，這便是瞬變電磁過程。通過接收線圈測量二次感應磁場的變化規律，可以解析不同深度地層的地電特征［12］。

瞬變電磁法可解析出不同深度的圍巖視電阻率，圍巖視電阻率則可表征探測區域的富水程度，視電阻率值越低、等值線越疏松，則表明該區域圍巖的富水程度和破碎程度也越高。

2" 工程應用

2.1" 工程概況

某地下水封石油洞庫工程位于國內南方沿海地帶，設計庫容為5×106 m3，地下洞室主要包括儲油洞室、水幕系統、施工巷道、豎井等，地下洞室布置方案見圖4。

該工程水幕系統由8條水幕巷道及914個水平布置的水幕孔組成，水幕孔平均間距10 m，孔徑110 mm，最大孔深97.3 m。

地下洞室所處的地層巖性主要為片麻狀花崗巖、花崗閃長巖。場區內主要發育28條小斷層（Ⅲ級結構面）、68條長大節理及節理密集帶（Ⅳ級結構面），結構面分布范圍廣、數量多，局部洞段密集發育，產狀不具有明顯的規律性。

工程區地下水位埋深為0.7～17.9 m，地下水從上到下依次為松散巖類孔隙水、淺層基巖網狀裂隙水、深層基巖脈狀裂隙水。地下洞室所在巖層主要為深層基巖脈狀裂隙水。結構面發育的地下洞室巖體（包括水幕孔內的巖體）滲透系數普遍在10-8～10-7 m/s數量級。

2.2" 水幕系統有效性試驗區域選擇

施工期儲油洞室頂層開挖完成后，在充分明確水幕系統與儲油洞室間導水構造的條件下，可開展水幕系統有效性試驗。由于不同儲油洞室的開挖進度存在不均衡性，該工程水幕有效性試驗分為7個區域分別實施。本文選取水文地質條件、地下洞室空間關系均較復雜的Ⅲ區南側（編號為F231～F242的水幕孔）進行研究，試驗區域為圖5中紅色區域。

2.3" 水幕系統有效性分析及結果驗證

2.3.1" 水幕孔各階段壓力波動指數

采用水幕系統有效性試驗對F231～F242水幕孔進行有效性分析，所獲取的水幕孔各階段穩定壓力值見表1。

基于表1進行數據分析后所得到的水幕孔各階段壓力波動指數見圖6。由圖可知，F232，F233，F236，F237水幕孔的各階段壓力波動指數均接近或明顯大于平均值，證明以上水幕孔靜水壓力高、與相鄰水幕孔的水力聯系較強。F231的各階段壓力波動指數均明顯小于平均值，證明該水幕孔靜水壓力低、與相鄰水幕孔的水力聯系較弱。F235，F238～F242的第一階段壓力波動指數為0，F234的第二、三階段壓力波動指數僅為0.02。上述水幕孔均無法同時滿足靜水壓力高、與相鄰水幕孔水力聯系強的條件。

綜上所述，水幕孔各階段壓力波動指數分析結論如下：F232，F233，F236，F237水幕孔是有效的；F231水幕孔是無效的；而F234，F235，F238～F242水幕孔有效性有待結合水文地質條件進一步驗證。

2.3.2" 水文地質條件分析

F231～F242水幕孔高程的水文地質平切面如圖7所示。由圖可知，F231～F238水幕孔有效性試驗區域內主要發育4組Ⅲ級結構面（小斷層）及較多的Ⅴ級結構面（細小裂隙）。由于Ⅴ級結構面延展性差，無厚度，滲透系數普遍在10-9～10-8 m/s數量級，因而滲水構造統計分析主要考慮f11，f12，f13，f16等4組Ⅲ級結構面，該類結構面主要由蝕變巖體、巖體碎塊及泥組成，發育寬度0.5～1.0 m，結構面整體透水性較強，滲透系數在10-7 m/s數量級。

對照圖6～7可知，F231水幕孔并未揭露與相鄰水幕孔連通的Ⅲ級結構面，且水幕孔下方存在一處滲水點（滲水量1.5 L/min），證明F231的水封作用及水幕系統完整性均較差，也符合該孔各階段壓力波動指數均較低的特征，為提高水幕系統有效性，需要在F231，F232之間增補水幕孔。

F234水幕孔高程以下的儲油洞室5及施工巷道并未揭露滲水點，證明該孔的水封作用明顯，符合該孔第一階段波動指數高達0.69的特征。由于該孔靜水壓力較高，即使相鄰的F233，F235通過f11，f16與其保持水力聯系，但表1中F234的第一、第二階段穩定壓力值也僅相差0.01 MPa，因而其第二、三階段波動指數僅有0.02。綜上所述，F234水幕孔水封效果明顯，無需增補水幕孔。

F235水幕孔下方的儲油洞室5的拱頂存在4處滲水點（滲水量共計4 L/min），證明其水封作用較差，符合該孔第一階段壓力波動指數為0的特征。但相鄰的F234，F236水幕孔通過f11，f16與其保持水力聯系，使F235水幕孔第二、三階段波動指數達到0.16，說明通過現有水幕孔補水，可確保該孔的有效性，無需增補水幕孔。

F238～F242與F235類似，其自身水封作用較差，但通過f11，f12保持水力聯系。由圖6可知，兩側水幕孔（F238，F241，F242）的第二、三階段波動指數明顯低于中間水幕孔（F239，F240），說明該區域滲流場的水平分量方向由兩側向中間滲透，這與該區域施工巷道存在的7處滲水點（滲水量共計10.9 L/min）位置是一致的。

根據此區域南側OH-11觀測孔地下水位變化曲線（圖8）可知，OH-11水位在第一階段迅速下降，進入第二階段后迅速上升，并在第三階段小幅度波動，說明OH-11地下水位與試驗區域水幕孔存在較強的關聯性。試驗期間的最高水位僅為-70.39 m，遠低于水幕孔高程-53.5 m，證明該區域地下水滲流場以豎向滲透補給為主。以上滲流場的變化規律證實了水幕系統是完整的，通過人工補水維持地下水位可以確保水封效果，無需增補水幕孔。

F232，F233和F236，F237水幕孔通過f11，f16保持水力聯系，各階段壓力波動指數也正常，可判斷為正常孔。

綜上所述，結合水文地質進行分析得出結論：F231水幕孔是無效的，F232～F242水幕孔是有效的。

2.3.3" 瞬變電磁法驗證

2.3.3.1" 瞬變電磁探測實施方案

在試驗準備階段，根據水幕巷道6個水幕孔分布情況，將2 m×2 m多匝發射線圈與接收線圈垂直布置在水幕巷道左、右邊墻，并錯開水幕孔布置于兩個水幕孔中間，線圈間距10 m，單個測點檢測范圍：高度2 m，水平10 m，深度100 m。檢測范圍完整覆蓋水幕孔平面布置范圍。

2.3.3.2" 瞬變電磁探測結果分析

F231～F242水幕孔深91 m，孔間距均10 m。水幕孔高程的巖體視電阻等值線見圖9。

對照圖7，9可知，受f11～f13，f16結構面影響，F232～F242孔范圍內圍巖視電阻率等值線疏松，圍巖視電阻率均小于9 Ω·m，表明該區域巖體呈強富水～中等富水，F232～F242水幕孔均處于有效狀態。而F231～F232范圍內圍巖視電阻率等值線密集，且視電阻率大于6 Ω·m，局部區域甚至超過14 Ω·m，則可以表明該區域巖體整體較完整，呈中等富水-弱富水，F231水幕孔是無效的，需在與之相鄰的F232水幕孔之間額外增補水幕孔。

通過對比水幕系統有效性分析結果和瞬變電磁法驗證結果（表2）可知，水幕有效性試驗分析結果與瞬變電磁探測結果完全保持一致，通過綜合壓力波動指數分析與水文地質條件分析的方法可以準確反映水幕孔的有效狀態。該分析方法具有精確、高效、簡單等優點，目前已在國內若干地下水封石油洞庫中采用并取得顯著的效果。

3" 結" 論

本文依托某地下水封石油洞庫工程，開展了水幕系統有效性試驗，結合水幕孔各階段壓力波動指數、開挖揭露的水文地質條件，系統論述了水幕系統有效性試驗的分析方法，并引入瞬變電磁法對有效性試驗分析結果進行驗證。通過在低效率區域增補水幕孔，確保了水封效果及水幕系統的有效性和完整性。主要結論如下。

（1） 通過分析水幕孔的各階段壓力波動指數，可以發現有效性存在異常的水幕孔，但水幕系統水文地質條件的復雜性使以上分析方法存在一定的局限，需要結合水文地質條件進一步分析。

（2） 導水構造是水幕系統內主要的水力聯系通道，通過分析構造產狀、滲透特性、對應的滲水點及地下水位等水文地質條件，結合各階段壓力波動指數可以判斷水幕系統的有效性。

（3） 瞬變電磁法通過對水幕系統圍巖富水性及完整性的有效探測，其結論與水幕系統有效性試驗分析方法結果具有一致性，可以作為驗證水幕系統有效性的方法之一。

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（

編輯：江" 燾，舒忠磊

）

Analysis on effectiveness experiment of water curtain system of underground water-sealed oil caverns

JIAN Yufeng，WANG Jianye，LI Qiaoliang，ZHENG Congcong

（POWERCHINA Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China）

Abstract： To verify the water sealing effect of the water curtain system by carrying out the effectiveness experiment，this paper focused on an underground water-sealed oil cavern reservoir project，put forward a comprehensive evaluation of the pressure fluctuation index and hydro-geological conditions of the water curtain effectiveness experiment，and employed the transient electromagnetic method to further validate the reliability of the experimental results.The research results showed that：① By analyzing the pressure fluctuation index of each stage of the water curtain hole，the water curtain hole with abnormal effectiveness could be found，but further analysis should be combined with the hydro-geological conditions.② The water conduction structure was the main hydraulic connection channel in the water curtain system.The effectiveness of the water curtain system could be judged by analyzing the hydro-geological conditions such as the occurrence of structure，permeability characteristics，corresponding seepage points and groundwater levels.③ Transient electromagnetic method could effectively detect the water richness and integrity of the surrounding rock of the water curtain system，and its conclusions were consistent with the results of the effectiveness test and analysis method of the water curtain system.The research results can provide a basis for verifying the effectiveness of water curtain systems in similar projects.

Key words：

underground water-sealed oil caverns； water curtain system； effectiveness experiment； hydro-geological analysis； transient electromagnetic method