張金龍 ，馮樹榮，胡育林 ，許 衛(wèi)

（1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014；2.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

地下水封儲油洞庫是在穩(wěn)定地下水位線以下人工在巖體中開挖一定容積的洞室，利用自然水幕或人工水幕孔注水使洞室周圍巖體裂隙均充滿水，保持洞室周圍巖體內(nèi)的地下水位在較高的位置，防止石油和氣體泄漏，達(dá)到利用穩(wěn)定地下水的水封作用儲存洞室內(nèi)石油的目的。地下水封油庫以其占地少、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，在近年來啟動的國家戰(zhàn)略石油儲備二期及三期規(guī)劃中被優(yōu)先采用。

我國在20世紀(jì)70年代和90年代修建過幾座小型地下水封油庫，當(dāng)時對地下水封洞庫儲油技術(shù)進(jìn)行了少量研究，但由于種種原因未能推廣應(yīng)用。近年來，我國幾個大型石油儲備地下水封洞庫相繼開工，地下水封洞庫建設(shè)和運(yùn)行安全面臨重大技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，無論在勘測、設(shè)計、施工還是學(xué)術(shù)界，地下水封洞庫儲油相關(guān)技術(shù)和理論都得到廣泛關(guān)注。地下水封洞庫水文地質(zhì)和工程地質(zhì)[1-3]、洞室圍巖穩(wěn)定性[4-7]、滲流場[8-12]等相關(guān)研究成果多有文獻(xiàn)報道，這些研究成果雖然對推動我國地下水封洞庫建設(shè)起到積極的作用，但在地下水封洞庫水封條件、人工水幕設(shè)置和滲漏控制等方面仍然沒有研究透徹，工程設(shè)計還主要依賴于以往地下工程的經(jīng)驗(yàn)。圍繞地下水封儲油洞庫工程安全問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了我國在地下水封洞庫儲油技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展，探討了地下水封洞庫工程安全的關(guān)鍵技術(shù)問題，對推動本領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和持續(xù)發(fā)展有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地下水封洞庫研究現(xiàn)狀及若干問題

原油或成品油以及LPG等的儲藏是絕對不允許泄漏的，地下水封洞庫的密封性問題是工程成敗的關(guān)鍵所在。因此，地下水封洞庫工程安全問題都圍繞油氣是否發(fā)生泄漏為核心展開，幾個主要關(guān)鍵技術(shù)問題有水封條件、人工水幕設(shè)置、滲漏控制技術(shù)和多相介質(zhì)多場耦合分析技術(shù)。

1.1 水封條件

地下水封洞庫水封條件又稱為水封準(zhǔn)則或水封機(jī)制，水封準(zhǔn)則是指根據(jù)地下水封洞庫儲油的工作原理，洞室周圍水體將油品密封在洞室空間內(nèi)所需要滿足的數(shù)學(xué)關(guān)系，水封準(zhǔn)則即為油氣是否泄漏的判定準(zhǔn)則。

瑞典人Aberg最早對水封準(zhǔn)則進(jìn)行了研究，Aberg[13]研究了LPG儲庫洞室周圍水壓與儲壓的關(guān)系，提出了垂直水力梯度準(zhǔn)則。Aberg認(rèn)為只要垂直水力梯度大于1就可以保證儲洞的密封性。圖1是儲油洞室內(nèi)油品的存儲狀態(tài)和油品對洞壁的作用力示意。

圖1 油氣對洞壁的作用力

如圖1所示，洞室底部為周圍巖體向洞室內(nèi)入滲的水墊層，水墊層上部為液態(tài)油品，洞室頂部為油品飽和蒸氣。當(dāng)洞室周圍的水壓力不滿足密封性條件時，洞內(nèi)油品最可能的泄漏方式為氣態(tài)油品通過洞室頂拱裂隙進(jìn)入巖體向外逃逸。氣態(tài)油品要發(fā)生泄漏，首先要能夠進(jìn)入圍巖裂隙中，其次是氣泡在裂隙中能繼續(xù)向遠(yuǎn)離洞室方向運(yùn)動。氣態(tài)油品進(jìn)入飽和裂隙所需的臨界條件稱為氣體進(jìn)入條件或準(zhǔn)入條件，氣泡在裂隙中向上繼續(xù)運(yùn)移的臨界條件稱為氣體運(yùn)移條件。氣態(tài)油品發(fā)生泄漏，合理確定這兩個臨界條件至關(guān)重要。由于氣體進(jìn)入條件與洞室?guī)缀涡螤?、裂隙幾何尺寸、裂隙連通情況、裂隙寬度、裂隙內(nèi)毛細(xì)水壓力大小及裂隙走向與洞室的關(guān)系等因素密切相關(guān)，但要完全實(shí)測這些參數(shù)困難很大。Aberg對氣體運(yùn)移條件進(jìn)行研究，提出了垂直水力梯度準(zhǔn)則。垂直水力梯度準(zhǔn)則忽略了重力、摩擦阻力以及毛細(xì)壓力的影響，是一個條件嚴(yán)格和苛刻的氣密性準(zhǔn)則，相對保守。后來，Goodall[14-15]擴(kuò)展了Aberg的垂直水力梯度準(zhǔn)則，認(rèn)為在實(shí)際設(shè)計中只要保證沿著遠(yuǎn)離洞室方向所有可能的滲漏路徑上某段距離內(nèi)水壓力不斷增大，則可以保證不會發(fā)生氣體泄漏。

在潛水井或承壓水井抽水試驗(yàn)中，井內(nèi)水位和井壁水位之間都存在著一個水位差值，這種井內(nèi)動水位低于井壁動水位的現(xiàn)象稱為 “水躍”，其水位差值稱為水躍值。一般認(rèn)為，在地下水位較低時洞庫開挖會在洞庫上方和周邊一定范圍內(nèi)形成巨大的降落漏斗，地下水封洞庫洞壁周圍的地下水位可能降至洞庫底板，洞室注油后地下油庫中的油品將外逸。隨著地下水位的回升，雖然有部分油品被重新擠壓回洞壁內(nèi)，但在洞壁地下水的滲出面以上存在一定的 “死油區(qū)”[16]。基于許多隧道、礦坑、水井等工程施工中圍巖介質(zhì)內(nèi)的水位要高于工程內(nèi)部的水位，即存在 “水躍”現(xiàn)象，徐紹利[16]、張秀山[17]、李利青[18]等認(rèn)為地下水封洞庫在施工期內(nèi)也存在水躍現(xiàn)象。張秀山、李利青等通過單裂隙平行板實(shí)驗(yàn)得到水躍值與裂隙寬度及地下水位的制約關(guān)系為線性關(guān)系:水躍值隨隙寬的增大呈線性減小；隨水位高度的增大呈線性增大。張秀山、李利青通過單裂隙平行板孔洞排水實(shí)驗(yàn)?zāi)M儲油洞室上方水柱厚度的變化規(guī)律表明，洞室上方水柱高度隨地下水位的增高呈直線增大，隨隙寬的增大而減小。崔京浩[19]、李利青利用平行板實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同寬度裂隙、不同水位高差下水油驅(qū)替的規(guī)律表明，當(dāng)洞庫區(qū)水源補(bǔ)給充分時，洞頂上方存在一定高度水柱，從而水封條件得以保證；當(dāng)水源補(bǔ)給不足時，洞室頂部水柱消失，水位逐漸降低，洞壁因發(fā)生強(qiáng)烈的水躍現(xiàn)象致使水位不會降落到洞室底板，水躍以下裂隙處于飽和狀態(tài)，能夠滿足水封條件的要求，水躍以上裂隙處于不飽和區(qū)，可能發(fā)生漏油現(xiàn)象，只要注油高度不超過水躍值就不會發(fā)生油品泄漏。

國外對地下水封洞庫水封條件的研究多為從細(xì)觀上進(jìn)行單裂隙中油水運(yùn)移力學(xué)機(jī)制推導(dǎo)，由于影響水封條件的許多參數(shù)難以獲取，多采用保守估計的方式得到一種判別式，但這種估計保守程度的尺度大小卻無法測算。國內(nèi)對水封條件的研究主要側(cè)重于對水躍現(xiàn)象模擬、油水界面壓力相互轉(zhuǎn)化、相互驅(qū)替的現(xiàn)象模擬及現(xiàn)象解釋，并認(rèn)為水躍現(xiàn)象是水封機(jī)制的根本原因。國內(nèi)基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的水封條件研究是一種半定量結(jié)果，實(shí)際工程中洞庫上方水柱存在與否及其厚度、水躍值產(chǎn)生與否及其大小的影響因素等都比實(shí)驗(yàn)?zāi)M要復(fù)雜得多，如何將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)尺度的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程尺度，還要做進(jìn)一步研究。

1.2 水幕系統(tǒng)設(shè)置

水封條件是油品泄漏與否的關(guān)鍵，水封條件依賴于水在巖體裂隙中流動產(chǎn)生動態(tài)平衡的滲流場效應(yīng)，而對滲流場的研究多依賴于數(shù)值模擬。近年來，圍繞水封洞庫水封條件、地下水位變化和人工水幕作用等，我國學(xué)者開展了廣泛研究。張振剛、譚忠盛等[20]應(yīng)用FLOW3D滲流分析軟件對汕頭LPG地下儲庫進(jìn)行了三維滲流場分析，分別模擬了不同儲氣壓力和不同滲透系數(shù)條件下洞庫地下水位下降和洞室涌水量，分析了水幕在洞庫氣密性中發(fā)揮的作用，論證了水幕系統(tǒng)的有效性。劉貫群等運(yùn)用Visual MODFLOW軟件建立了某地下水封石油洞庫無水幕和有水幕條件下三維地下水?dāng)?shù)值模型，模擬了地下水封石油洞庫周圍的滲流場，對洞庫涌水量和降落漏斗擴(kuò)展變化進(jìn)行了分析，論證了水幕系統(tǒng)在保證地下水封油庫的儲油安全和保護(hù)周圍地下水資源方面起到的重要作用。劉青勇等根據(jù)地下水動力學(xué)方法，采用三維地下水?dāng)?shù)值模型MODFLOW對山東某地下水封石洞油庫地下水漏斗的形成和發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬和預(yù)測，分析了洞庫涌水對區(qū)域地下水位的影響。巫潤建等對錦州某地下水封洞庫工程的水文地質(zhì)條件、地下水封石油洞庫、水幕系統(tǒng)進(jìn)行了概化，應(yīng)用Visual MODFLOW軟件建立了無水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3種條件下的三維地下水滲流數(shù)值模型，模擬了3種條件下的洞庫滲流場，預(yù)測了洞庫周圍的地下水水位線擴(kuò)展和洞庫上方地下水水位線變化情況，論證了人工水幕系統(tǒng)在保證地下水封洞庫工程的有效性和儲油的安全性以及保護(hù)洞庫周圍地下水環(huán)境等方面起到的重要作用。猶香智等[21]對黃島油庫區(qū)水文地質(zhì)條件和水幕系統(tǒng)進(jìn)行概化，并采用FEFLOW軟件建立了無水幕和有水幕條件下的三維數(shù)值模型，對2種條件下洞庫運(yùn)營期間的涌水量和洞庫上方水位變化進(jìn)行了預(yù)測，對2種條件下的滲流場進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，有水幕條件下水封效果較好，保證了地下水封油洞庫的儲油安全。時洪斌、劉保國[22]采用FLAC3D有限差分程序?qū)S島水封地下儲油洞進(jìn)行了開挖和運(yùn)行工況的滲流場數(shù)值模擬，評價了人工水幕的水封效果，并估算了儲油洞室的滲流量。

從水封條件的研究結(jié)果來看，地下水封洞庫庫區(qū)地下水補(bǔ)給越充分，洞室埋深越大，對形成洞頂上方的水柱或水蓋層越有利，油品儲存于洞室內(nèi)也就越安全，但開挖洞室的費(fèi)用也越高。出于技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的考慮，一般儲油洞室埋深不會很深，為保證洞室開挖后洞頂上方有足夠的水柱厚度以阻止油氣泄漏，就需人為在洞庫上方開挖人工水幕。目前，我國在建或擬建的地下水封洞庫規(guī)模趨于大型化，其庫容均在300萬m3以上。從現(xiàn)行的洞庫埋深來看，如此大規(guī)模的地下洞庫開挖，必然導(dǎo)致在洞庫上方形成巨大的降水漏斗，油氣泄漏的風(fēng)險成倍增長。GB 50455—2008《地下水封石洞油庫設(shè)計規(guī)范》指出:洞灌上方宜設(shè)置水平水幕，必要時在相鄰洞灌之間或洞灌外側(cè)應(yīng)設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)，且水幕系統(tǒng)布置應(yīng)滿足洞庫設(shè)計穩(wěn)定地下水位的要求。規(guī)范對人工水幕系統(tǒng)設(shè)置只有大致的描述，設(shè)置參數(shù)表述不夠具體。我國學(xué)者對地下水封洞庫水封條件的研究也側(cè)重于對滲流場的簡單模擬，對有無水幕系統(tǒng)滲流場特性的比較以及對水幕系統(tǒng)布置的必要性的論證等，而對人工水幕系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)缺乏必要的探討和系統(tǒng)研究。人工水幕系統(tǒng)參數(shù)[23]主要包括水幕孔的覆蓋范圍、水幕孔與儲油洞室的距離、水幕孔間距、水幕孔注水壓力等。人工水幕系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)研究需要評價不同水文地質(zhì)條件下（不同地下水補(bǔ)給類型）、不同巖體滲透特性條件下人工水幕設(shè)計參數(shù)對洞室水封條件的影響，從而形成對人工水幕設(shè)置參數(shù)的指導(dǎo)性原則。

1.3 涌水量預(yù)測與滲漏控制

地下水封洞庫一方面必須借助地下水壓形成對儲油的封閉，以防止油品外滲；另一方面是圍巖的滲透性又不能太大，巖體滲透性太大將導(dǎo)致洞內(nèi)涌水量過高，在安全的前提下，應(yīng)盡量減少洞室涌水量。GB 50455—2008規(guī)范中指出:處理后的日涌水量每100萬m3庫容不宜大于100 m3。對地下水封洞庫施工期及運(yùn)行期涌水量預(yù)測需結(jié)合不同人工水幕設(shè)置參數(shù)及洞庫圍巖的滲透特性開展。

挪威[24]多年的非襯砌洞室儲氣經(jīng)驗(yàn)表明，保證儲氣洞庫密封性的主要措施是控制地下水水壓和控制巖體的滲透性?？刂扑畨嚎杉哟蠖词衣裆罨蛟O(shè)置人工水幕，而為防止在施工期和運(yùn)行期地下水過多地流入洞室，可采用磨細(xì)水泥進(jìn)行高壓預(yù)注漿控制巖體的滲透性。由于我國地下水封洞庫建設(shè)起步晚，積累的工程經(jīng)驗(yàn)較少，關(guān)于涌水量和洞庫滲漏控制技術(shù)的相關(guān)報道比較少見。崔京浩對單個洞庫、2個平行洞庫、多個平行洞庫及四周有高壓水幕洞庫采用半無限含水體假設(shè)，推導(dǎo)了洞庫涌水量的近似解析式。時洪斌、劉保國對儲油洞室滲流量采用近似解析解與FLAC3D數(shù)值解進(jìn)行的比較研究結(jié)果表明，兩者涌水量預(yù)測趨于一致。趙喜斌[25]介紹了汕頭LPG集散中心工程海底儲氣洞庫施工中注漿止水控滲的做法和認(rèn)識。

控制地下水封洞庫圍巖滲漏的途徑主要為控制巖體結(jié)構(gòu)面滲水或巖體裂隙滲水。實(shí)踐表明，地下水封洞庫裂隙滲漏控制需采取 “分形辯證，分而治之”的策略才能取得較好的堵水效果。洞庫滲漏控制應(yīng)對洞庫庫區(qū)典型裂隙形態(tài)及圍巖地下水滲出方式和形態(tài)進(jìn)行充分調(diào)查，針對地下水封洞庫典型的滲水裂隙，對不同工況下注漿材料和參數(shù)的預(yù)注漿和后注漿效果進(jìn)行試驗(yàn)研究和對比分析，總結(jié)不同注漿方式和參數(shù)對不同巖體裂隙的適應(yīng)性，以較小的代價取得合理的洞庫涌水量。

1.4 多相介質(zhì)多場耦合精細(xì)化數(shù)值模擬

地下水封洞庫位于地下水水位以下，油、水、氣多相介質(zhì)相互作用，應(yīng)力場和滲流場相互耦合，人工水幕系統(tǒng)與巖體裂隙天然流場相互作用，施工爆破引起圍巖應(yīng)力場重分布、巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的重建進(jìn)而影響滲流場，多種因素相互影響、相互耦合，其物理力學(xué)作用機(jī)制十分復(fù)雜。對洞庫水封安全性的準(zhǔn)確評價在于對多相介質(zhì)多場耦合條件下滲流場的精細(xì)化模擬。

國內(nèi)對地下水封洞庫多場耦合的研究偶有報道。楊明舉[26]對地下儲氣洞庫水封機(jī)理進(jìn)行了分析，基于變分原理建立了地下水封儲氣洞耦合模型，推導(dǎo)了不同介質(zhì)耦合的有限元方程式。張彬[27]以黃島地下水封油庫為例，基于流固耦合理論應(yīng)用多物理場直接耦合的高級仿真模擬軟件COMSOL Multiphysics對地下水封油庫的1組洞罐的應(yīng)力場和滲流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬，分析在地下洞室開挖前后及有無人工水幕的情況下地下水水位、孔隙水壓力及圍巖應(yīng)力場的變化，并提出相關(guān)建議。趙樂之建立了黃島地下水封洞庫工程數(shù)值模型，基于流固耦合分析理論，采用有限差分軟件FLAC3D分析了飽和水狀態(tài)下滲流場對洞庫周圍圍巖應(yīng)力、位移變形和孔隙水壓力的影響，并確定合理的水封方案和最優(yōu)的水封巷道高度。李術(shù)才[28]基于流固耦合理論，采用離散單元法，在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，并結(jié)合參數(shù)反分析理論，對大型地下水封油庫節(jié)理、裂隙巖體應(yīng)力-滲流耦合性質(zhì)進(jìn)行了分析，獲得了大型地下水封油庫水封性和穩(wěn)定性特征。

國內(nèi)對地下水封洞庫多相介質(zhì)多場耦合的研究主要集中于流固耦合，即滲流場和應(yīng)力場耦合作用下的圍巖穩(wěn)定性。實(shí)際上，地下水封洞庫一般建造在巖體完整性相對較好的花崗巖或片麻巖地區(qū)，洞室一般不存在整體穩(wěn)定性問題，施工期圍巖多為局部穩(wěn)定性問題。因此，多場耦合問題研究關(guān)注的焦點(diǎn)應(yīng)放在對水封效果的研究上，即滲流場的水封效果。對地下水封洞庫水封效果的正確評估關(guān)鍵在于對地下水封洞庫區(qū)域滲流場的精細(xì)化模擬，一個好的滲流數(shù)值模型應(yīng)該解決考慮以下幾個問題:

（1）儲油洞室內(nèi)部邊界是一個下部為水墊層、中間為油品、上部為油蒸氣的多相介質(zhì)界面，應(yīng)考慮油、氣和水多相介質(zhì)的耦合過程，是一個復(fù)雜滲流邊界。

（2）施工期由于洞室的開挖，上方水體向洞內(nèi)逐漸排出，巖體裂隙水從洞室邊墻向遠(yuǎn)離洞壁的方向緩慢疏干，屬非飽和滲流過程，而洞室邊墻為一自由滲出面。

（3）進(jìn)行恒定流和非恒定流的模擬。

（4）考慮洞室施工開挖及排水過程。

目前，國內(nèi)外滲流模擬商業(yè)程序或許對以上某個或2個方面能解決得很好，但能同時解決上述問題的商業(yè)軟件比較少見，通常在模擬時有針對性的簡化某些過程進(jìn)行分析。由于洞室上方水柱厚度對洞室邊界條件較為敏感，對以上某方面進(jìn)行簡化處理可能會給結(jié)果帶來較大的誤差。因此，開發(fā)油、水、氣三相介質(zhì)壓力轉(zhuǎn)化規(guī)律動態(tài)仿真分析軟件能極大提高地下水封洞庫水封效果評估的準(zhǔn)確性，是今后研究的重要方向。

2 結(jié) 論

我國大型石油儲備地下水封洞庫建設(shè)對地下水封洞庫儲油技術(shù)的研究既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。通過對我國目前地下水封洞庫技術(shù)和理論研究現(xiàn)狀的分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

（1）我國目前對地下水封洞庫水封條件的認(rèn)識還不夠深入，基本上是采用國外的水封準(zhǔn)則，水封機(jī)制從實(shí)驗(yàn)研究到應(yīng)用于實(shí)際工程還需進(jìn)一步深入的研究。

（2）我國現(xiàn)行地下水封洞庫規(guī)范對人工水幕設(shè)置的規(guī)定還不夠具體詳細(xì)，應(yīng)加強(qiáng)不同水文地質(zhì)條件下、不同巖體滲透特性條件下人工水幕設(shè)計參數(shù)對洞室水封條件的影響評價，形成對人工水幕設(shè)置參數(shù)設(shè)計的指導(dǎo)性原則。

（3）地下水封洞庫裂隙巖體滲漏控制無實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可循，應(yīng)加強(qiáng)對注漿材料和參數(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以提高注漿堵水效率，為工程提供滲漏控制標(biāo)準(zhǔn)。

（4）地下水封洞庫水封效果的準(zhǔn)確評價依賴于精細(xì)化的滲流數(shù)值模擬程序。

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