李 世 銀

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

水封洞庫建設(shè)中水文監(jiān)測(cè)井水位變化的影響研究

李 世 銀

(北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

結(jié)合煙臺(tái)萬華地下水封洞庫水文監(jiān)測(cè)井水位變化的工程實(shí)例，對(duì)水文監(jiān)測(cè)井水位下降進(jìn)行了分析研究，研究了對(duì)水文監(jiān)測(cè)井地下水位變化的控制措施，并提出了一些地下水封洞庫的建設(shè)建議。

地下水封洞庫，水文監(jiān)測(cè)井，地下水位，水封條件

0 引言

國際上利用地下水封式洞庫儲(chǔ)存石油及液化氣的技術(shù)已廣泛應(yīng)用，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對(duì)油氣資源的需求增大，我國目前已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)地下水封洞庫時(shí)期。地下水封洞庫的原理主要是在穩(wěn)定的地下水位以下一定深度挖空巖石形成一定容積的洞室，通過洞室周圍巖體和裂隙中的地下水，借助人工水幕系統(tǒng)來達(dá)到在巖石內(nèi)儲(chǔ)存石油及液化氣。根據(jù)其原理可知，在地下洞室建設(shè)過程中，儲(chǔ)存洞室以上必須有長期穩(wěn)定的地下水位，且要達(dá)到一定的水頭差(靜水壓力)，使洞室周圍地下水的靜水壓力大于油(氣)壓力，同時(shí)還要求在人工水幕系統(tǒng)中通過水幕孔將地下水連通，在洞室周圍形成連續(xù)的水幕簾或水幕墻，才能保證將油(氣)長久密封儲(chǔ)存。地下水封洞庫儲(chǔ)存原理如圖1所示。

一般在地下水封洞庫建設(shè)中，地下洞室開挖后會(huì)出現(xiàn)大量涌水，導(dǎo)致地下水流失，從而引起地下水位的陡降，形成降水漏斗。為了監(jiān)測(cè)建庫場(chǎng)區(qū)地下水位的變化，及時(shí)規(guī)避地下水位下降對(duì)地下洞庫水封效果的風(fēng)險(xiǎn)，在地下水封洞庫建設(shè)期都會(huì)布設(shè)一定的水文監(jiān)測(cè)井，為地下水封洞庫的成功建設(shè)保駕護(hù)航。

在地下水封洞庫建設(shè)中，影響其建設(shè)的因素很多，作為巖石洞室本身，其實(shí)與其他地下工程(發(fā)電站、隧道)并無本質(zhì)上的差別，主要是圍巖完整性和穩(wěn)定性方面的要求，其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)也在國內(nèi)比較先進(jìn)和成熟；而水封原理是儲(chǔ)存石油及液化氣的地下巖洞與其他地下工程最大的不同或者本質(zhì)上的區(qū)別，可以說，水封能否成功是制約地下水封洞庫成敗的關(guān)鍵，也是其最大的風(fēng)險(xiǎn)所在。地下水位的變化(主要是下降)直接決定著地下洞庫的水封效果，是影響地下水封洞庫建設(shè)的重要因素。本文通過對(duì)煙臺(tái)萬華地下水封洞庫建設(shè)中水文監(jiān)測(cè)井地下水位變化的分析研究，希望在以后的地下水封建設(shè)中，重視水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井的設(shè)置、注重水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井水位變化的影響分析，以保證地下洞庫的水封效果。

1 庫區(qū)水文監(jiān)測(cè)井

1.1 庫區(qū)水文監(jiān)測(cè)井布設(shè)

擬建煙臺(tái)萬華地下水封洞庫設(shè)計(jì)庫容100萬m3，按儲(chǔ)存介質(zhì)分為三個(gè)洞庫，其中液化丙烷庫50萬m3，液化丁烷(或LPG)庫25萬m3，LPG庫25萬m3，主要地下工程包括9個(gè)主洞室、4個(gè)豎井、10條水幕巷道、1條施工巷道。一般地，建庫區(qū)水文監(jiān)測(cè)井布設(shè)基本原則如下：

1)當(dāng)需要觀測(cè)庫區(qū)的巖體裂隙水與地表水體的水力聯(lián)系時(shí)，應(yīng)布置垂直地表水體岸邊線的監(jiān)測(cè)井，同時(shí)監(jiān)測(cè)地表水體的水位變化；

2)在可研階段勘察的地下水監(jiān)測(cè)井可利用已有鉆孔；

3)初步設(shè)計(jì)階段勘察的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井，可在已完鉆的各種勘探孔中選擇一部分加以利用；不足時(shí)，再補(bǔ)充觀測(cè)井；

4)施工圖設(shè)計(jì)及施工階段勘察的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井布置應(yīng)在初步設(shè)計(jì)階段勘察觀測(cè)網(wǎng)基礎(chǔ)上對(duì)洞庫有針對(duì)性的部署，如各洞庫的拱頂部位，洞庫周圍臨近洞庫排水邊界一帶的主要含水帶；

5)在地下洞庫的建設(shè)期，應(yīng)盡早盡快建立水文監(jiān)測(cè)井，開展地下水位監(jiān)測(cè)工作。

根據(jù)地下水封洞庫設(shè)置水文監(jiān)測(cè)井的原則，在煙臺(tái)萬華地下洞庫的選址勘察、初步勘察及詳細(xì)勘察期間，布設(shè)了36個(gè)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井(ZK01～ZK37，其中，ZK27號(hào)鉆孔因洞庫布置調(diào)整，未施鉆)。在地下洞庫建設(shè)后期，為確保地下水封洞庫的水封效果，及時(shí)了解地下洞庫開挖對(duì)場(chǎng)地地下水的影響，保障地下水封洞庫及其水幕系統(tǒng)的安全施工和正常營運(yùn)，在充分利用原有勘察鉆孔的基礎(chǔ)上，盡可能的將建庫區(qū)域內(nèi)的已有勘探鉆孔改造為長期的地下水監(jiān)測(cè)孔，因此在地下水封洞庫施工期，根據(jù)新近庫區(qū)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)資料分析及確保運(yùn)營期地下洞庫的水封要求，新增水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井15個(gè)。最后，在煙臺(tái)萬華地下水封洞庫建設(shè)中，共布設(shè)了51個(gè)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井。這些監(jiān)測(cè)井分布于地下洞室、水幕巷道、巖脈、斷層及破碎帶上及其周圍，主要用于監(jiān)測(cè)洞室及水幕巷道周圍巖體深層裂隙水、淺層地下水、巖脈及破碎帶水等等。

1.2 水文監(jiān)測(cè)井地下水位介紹

擬建庫區(qū)地下水位主要受洞庫施工影響變化，在地下洞庫建設(shè)中，隨著施工開挖，巖石深層裂隙水勢(shì)必受到影響。自洞庫選址勘察階段開始，對(duì)洞庫區(qū)域內(nèi)各水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)。一般情況，所有監(jiān)測(cè)井每日進(jìn)行1次地下水位監(jiān)測(cè)，遇特殊水文地質(zhì)情況每日2次～3次的地下水位監(jiān)測(cè)。截止到地下洞庫主體建設(shè)結(jié)束，共對(duì)51個(gè)水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行了3個(gè)階段的地下水位監(jiān)測(cè)工作。

1)施工開挖初期。

在地下洞庫施工開挖初期，主要對(duì)洞庫施工巷道明槽段和淺埋段進(jìn)行了開挖，該階段的洞室開挖對(duì)場(chǎng)地地下水水位基本無影響，洞庫區(qū)域地下水大部分一般在地表以下10.0 m范圍內(nèi)。庫址區(qū)的地下水主要隨季節(jié)發(fā)生自然波動(dòng)，地下水位變幅受降水、蒸發(fā)和開采條件等因素的影響。地下水水位動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性變化明顯，年平均變幅可達(dá)2 m～3 m。

2)施工開挖高峰期。

在地下洞庫施工開挖高峰期，洞室及巷道開挖大規(guī)模展開。該階段的洞室開挖對(duì)距離開挖工作面較近的監(jiān)測(cè)井地下水影響較大，但在洞庫開挖過程中，通過采取一定的堵水措施，避免了水文監(jiān)測(cè)井地下水位持續(xù)的下降，大部分監(jiān)測(cè)井地下水位保持在洞庫設(shè)計(jì)地下水水位(高程：±0 m)以上。本階段水文地質(zhì)監(jiān)測(cè)井水位下降較大的監(jiān)測(cè)井主要有ZK06，ZK07，ZK23，ZK25，ZK30，ZK44及ZK37，其中有6個(gè)監(jiān)測(cè)井的水位降到了洞庫區(qū)域設(shè)計(jì)地下水水位(高程：±0 m)以下。

ZK23監(jiān)測(cè)井，位于公共交通巷道附近，距離交通巷道僅3.0 m，且井內(nèi)地下水與交通巷道洞室已經(jīng)相連，施工開挖時(shí)水位降至交通巷道底板高程處。ZK25監(jiān)測(cè)井，位于公共施工巷道和丁烷水幕巷道之間，受洞室開挖影響，洞內(nèi)大量涌水引起該監(jiān)測(cè)井內(nèi)水位陡降，水位降至洞庫區(qū)域設(shè)計(jì)地下水水位(高程：±0 m)以下后開始平緩下降。ZK44監(jiān)測(cè)井，位于丁烷水幕巷道附近，距離洞室僅5.0 m，根據(jù)水幕巷道開挖過程中的出水量監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)井內(nèi)地下水與水幕巷道水幕孔裂隙連通性很好，由于水幕巷道水幕孔多次間斷供水，導(dǎo)致該監(jiān)測(cè)井水位降深較大。后期水幕巷道水幕孔供水正常后，該孔水位也基本穩(wěn)定。ZK30監(jiān)測(cè)井位于丁烷洞庫和丙烷洞庫之間，該監(jiān)測(cè)井穿過場(chǎng)地內(nèi)的花崗斑巖脈，該巖脈貫穿整個(gè)場(chǎng)地，與丁烷水幕巷道、丙烷水幕巷道和丙烷豎井相連，這些洞室的大量涌水造成ZK30監(jiān)測(cè)井內(nèi)水位發(fā)生持續(xù)下降。

3)開挖后期到氣密試驗(yàn)。

在洞室開挖后期，施工開挖工作基本已經(jīng)結(jié)束，洞室內(nèi)大的滲水點(diǎn)已經(jīng)注漿封堵，洞庫區(qū)域內(nèi)各水文監(jiān)測(cè)井地下水位基本穩(wěn)定，大部分地下水位位于洞庫區(qū)域設(shè)計(jì)地下水水位(高程：±0 m)以上。各水文監(jiān)測(cè)井水位均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。洞庫主體建設(shè)全部完成后繼續(xù)進(jìn)行場(chǎng)地地下水位監(jiān)測(cè)，至洞庫氣密試驗(yàn)期間場(chǎng)地所有監(jiān)測(cè)井地下水位均能恢復(fù)至設(shè)計(jì)地下水位(高程：±0 m)以上。

總體來說，在地下水封洞庫建設(shè)過程中，通過對(duì)洞庫區(qū)域內(nèi)51個(gè)水文監(jiān)測(cè)井3個(gè)階段的地下水位監(jiān)測(cè)工作，可以隨時(shí)準(zhǔn)確掌握洞庫區(qū)域內(nèi)地下水水位變化情況，為洞庫的超前預(yù)報(bào)、超前注漿、洞室開挖、洞室支護(hù)、后注漿方案、洞庫設(shè)計(jì)和施工方案等提供了詳細(xì)的場(chǎng)地地下水水位情況，對(duì)煙臺(tái)萬華地下洞庫項(xiàng)目的建設(shè)意義重大。同時(shí)，通過對(duì)場(chǎng)地水文監(jiān)測(cè)井地下水位的監(jiān)測(cè)也驗(yàn)證了在洞庫交通巷道和水幕巷道灌滿水至高程±0 m后，洞庫區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地地下水水位也恢復(fù)至高程±0 m以上。洞庫區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況滿足洞庫水封的基本要求。

2 水文監(jiān)測(cè)井水位陡降對(duì)水封條件的影響

按水封洞庫密封原理，在地下洞室開挖時(shí)出現(xiàn)的大量涌水，導(dǎo)致地下水流失，若引起地下水位的陡降，會(huì)形成降水漏斗。當(dāng)?shù)叵滤幌陆档浇◣靾?chǎng)區(qū)地下水位安全界限(設(shè)計(jì)水位高程：±0 m)以下時(shí)將威脅到地下水封洞庫的水封條件。在該地下水封洞庫建設(shè)中，主要有ZK30，ZK44，ZK07，ZK23及ZK37水文監(jiān)測(cè)井影響到地下水封洞庫的水封條件。而從影響程度來看，ZK30水文監(jiān)測(cè)井水位的陡降直接威脅到地下洞庫水封效果，嚴(yán)重影響到地下洞庫建設(shè)的水封條件。

水文監(jiān)測(cè)孔ZK30是位于丙烷主洞庫和丁烷主洞庫間的斜孔，方位角為N75°E，頂角為30°，孔深250.2 m。該監(jiān)測(cè)井穿過地下洞庫場(chǎng)區(qū)15號(hào)，16號(hào)花崗斑巖脈，主要監(jiān)測(cè)15號(hào)，16號(hào)花崗斑巖脈對(duì)丁烷主洞庫與丙烷主洞庫之間的深層地下水。ZK30監(jiān)測(cè)井與巖脈平面位置圖如圖2所示。

自2011年12月25日開始對(duì)ZK30監(jiān)測(cè)井水位開始監(jiān)測(cè)以來，隨著地下洞庫開挖施工的進(jìn)行，ZK30監(jiān)測(cè)井水位開始出現(xiàn)緩慢的下降，隨后多次出現(xiàn)陡降與上升現(xiàn)象。2014年3月13日～3月14日期間，ZK30監(jiān)測(cè)井水位出現(xiàn)異常陡降，埋深由56.60 m陡降至90.58 m(標(biāo)高-49.27)，陡降深度達(dá)29 m。3月15日，水位埋深為72.35 m(標(biāo)高-33.49 m)，相比3月14日該監(jiān)測(cè)井水位又上升了15.79 m。具體的地下水位變化情況如表1所示。

表1 ZK30監(jiān)測(cè)井地下水位變化表 m

從整體來看，ZK30水文監(jiān)測(cè)井水位主要表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，局部表現(xiàn)為上下波動(dòng)變化，波動(dòng)幅度差在20 m左右。前期主要受地下洞室開挖影響，在洞室內(nèi)巖脈大量出水、丙烷豎井大量涌水及水幕孔施鉆等造成ZK30監(jiān)測(cè)井水位的持續(xù)下降；但在后期隨著施工開挖的完成、水幕供水的穩(wěn)定，ZK30監(jiān)測(cè)井水位一段時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定；隨后由于丙烷水幕巷道水幕孔供水間斷，ZK30監(jiān)測(cè)井水位上下波動(dòng)變化明顯。丙烷水幕供水的中斷對(duì)ZK30監(jiān)測(cè)井水位產(chǎn)生了很大的影響，最終導(dǎo)致該監(jiān)測(cè)井水位最低降至90.58 m(標(biāo)高-49.27)。

經(jīng)分析，ZK30水文監(jiān)測(cè)井水位下降的直接原因是：與貫穿丙烷主洞庫、丁烷主洞庫及ZK30監(jiān)測(cè)井的15號(hào)，16號(hào)花崗斑巖脈有關(guān)，該監(jiān)測(cè)井內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶通過花崗斑巖脈與丁烷主洞庫和丙烷主洞庫的個(gè)別水幕孔相連通。而ZK30監(jiān)測(cè)井通過花崗斑巖脈與丙烷豎井內(nèi)的某個(gè)裂隙也存在連通。在花崗斑巖脈及水幕孔出現(xiàn)大量涌水時(shí)，ZK30監(jiān)測(cè)井地下水位出現(xiàn)陡降。

因此ZK30水文監(jiān)測(cè)井水位陡降對(duì)地下洞庫水封條件的影響如下：

1)ZK30監(jiān)測(cè)井位于丙烷水幕巷道和丁烷水幕巷道之間。其中丙烷水幕巷道頂標(biāo)高為-95 m，丁烷水幕巷道頂板標(biāo)高為-65 m。而地下水封洞庫的最低警戒水位為水幕巷道頂板以上20 m，因此丙烷主洞室區(qū)域?yàn)?75 m，丁烷主洞室區(qū)域?yàn)?45 m。根據(jù)本次ZK30監(jiān)測(cè)井地下水位最低降落標(biāo)高為-49.27 m，該標(biāo)高已經(jīng)超過了該區(qū)域最低警戒水位(標(biāo)高-45 m)，在該監(jiān)測(cè)井附近形成了較大的陡降漏斗，將直接威脅地下洞庫的水封效果。

2)在ZK30監(jiān)測(cè)井水位下降可能導(dǎo)致深層裂隙水體大量流失，水幕巷道頂板20 m以上的毛細(xì)水出現(xiàn)不飽和狀態(tài)，而這種不飽和是不可逆的，勢(shì)必影響到地下洞庫區(qū)域地下水位的恢復(fù)情況，從而影響到地下水封的效果。

3 水文監(jiān)測(cè)井地下水位的控制措施

為了監(jiān)測(cè)建庫場(chǎng)區(qū)地下水位的變化，及時(shí)規(guī)避地下水位下降對(duì)地下洞庫水封效果的風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)出現(xiàn)陡降的水文監(jiān)測(cè)井地下水位實(shí)現(xiàn)有效安全的控制。通過實(shí)際工程實(shí)例，提出以下幾點(diǎn)措施：

1)及早建立地下水位監(jiān)測(cè)井，完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，并及時(shí)分析各監(jiān)測(cè)孔水位與相鄰巷道和洞室開挖涌水量之間的關(guān)系；

2)合理布設(shè)水文監(jiān)測(cè)井，尤其在洞室的斷層及破碎帶、巖脈發(fā)育地帶，一定要布設(shè)有水文監(jiān)測(cè)井；

3)設(shè)置水幕巷道，重視水幕孔裂隙的連通性，分析水幕孔與水文監(jiān)測(cè)井的連通性，加強(qiáng)對(duì)水幕孔供水的檢查，確保水幕供水正常；

4)加強(qiáng)對(duì)洞室內(nèi)涌水量的監(jiān)測(cè)，如有大的涌水或者持續(xù)的流水裂隙，立即分析其對(duì)地下水位的影響；

5)在洞室或者巷道施工時(shí)采取超前預(yù)注漿，對(duì)大的涌水量進(jìn)行超前注漿封堵，并加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；

6)在地下水位監(jiān)測(cè)期，加強(qiáng)對(duì)水文監(jiān)測(cè)井的監(jiān)測(cè)和保護(hù)工作。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)煙臺(tái)萬華地下水封洞庫建設(shè)中水文監(jiān)測(cè)井地下水位變化的分析研究，得出以下結(jié)論：

地下水封洞庫在建設(shè)中，施工開挖總會(huì)對(duì)洞室及巷道周圍地下水造成一定影響，地下水位會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降。由于地下水封洞庫受水封條件的制約，對(duì)于地下水位有著嚴(yán)格的要求，當(dāng)?shù)叵滤怀霈F(xiàn)大的陡降或者持續(xù)的下降，可能會(huì)威脅到最終的水封效果，進(jìn)而決定地下水封洞庫的建設(shè)成敗。而作為地下水位的直接監(jiān)測(cè)通道，水文監(jiān)測(cè)井在地下水封洞庫的建設(shè)過程中扮演著極其重要的作用。

根據(jù)以上結(jié)論及對(duì)水文監(jiān)測(cè)井地下水位變化的研究，提出以下建議：

1)在水文監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)地下水位時(shí)，在對(duì)地下洞庫洞內(nèi)涌水量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，應(yīng)查明水幕巷道與水文監(jiān)測(cè)井的連通程度。

2)在地下水封洞庫建設(shè)中，應(yīng)詳細(xì)查明巖脈裂隙含水量及其導(dǎo)水性能。

3)在地下洞庫施工中，依據(jù)庫區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合開挖揭露的水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)施工過程中出現(xiàn)突水或者涌水的可能；建議采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)查明裂隙水形態(tài)及水量，并采用超前預(yù)注漿的方式對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行注漿處理。

[1] 胡德新，程鳳君.水封洞庫中地下水的監(jiān)測(cè)與控制[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2009(6)：26-27.

[2] 蔡紅飚，陳情來，周亮臣.LPG地下水封洞庫工程地質(zhì)條件分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2000，8(sup):505-507.

[3] 譚忠盛，萬姜林，張振剛.地下水封式石油氣儲(chǔ)藏洞庫修建技術(shù)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2006(6):111-113.

[4] 高 飛.國內(nèi)外地下水封洞庫發(fā)展淺析[J].科技咨訊，2010(24):89.

[5] 王玉洲，盛連成，方浩亮.地下水封巖洞儲(chǔ)油庫水封條件與地下水控制[J].工程勘察,2010(S1):10-12.

[6] 段壓剛.地下水封儲(chǔ)油庫的應(yīng)用與發(fā)展[J].山西建筑，2007,33(36):92-93.

[7] 馮樹榮，蔣中明，張金龍，等.地下水封石油洞庫水封準(zhǔn)則研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014(5):47-48.

Study on the impact of water level alteration of hydrological monitoring well in water-sealed cavern construction

Li Shiyin

(BeijingDongfangXinxingPetroleumEngineeringCo.,Ltd,Beijing100070,China)

Combining with water level alteration engineering of hydrological monitoring well of Wanhua water-sealed cavern in Yantai as the example, the article analyzes and studies the water level depression of hydrological monitoring well, studies measures of controlling underground water level alteration of hydrogeological monitoring well, and puts forward some underground water-sealed cavern construction suggestions as well.

underground water-sealed cavern, hydrogeological monitoring well, underground water level, water-sealing conditions

2015-01-29

李世銀(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)10-0091-03

P641

A