李玉濤， 張 彬, *， 石 磊， 彭振華， 李俊彥

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2. 中海油石化工程有限公司， 山東 青島 266061)

0 引言

我國(guó)適宜建造地下水封洞庫(kù)的場(chǎng)地是有限的[1]，對(duì)已建洞庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)建既可以充分利用有限的場(chǎng)地，還可以減少重新選址所需要進(jìn)行的地質(zhì)勘察等工作。對(duì)大型地下水封洞庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)建，能與已建洞庫(kù)共用地面配套設(shè)施，能顯著降低建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本。但是，在大型地下水封油庫(kù)的分期建設(shè)過(guò)程中，新建地下水封油庫(kù)可能會(huì)對(duì)已建相鄰洞庫(kù)的滲流場(chǎng)產(chǎn)生一定程度的影響[2-3]，甚至可能導(dǎo)致已建油庫(kù)發(fā)生油氣外泄等安全事故。因此，新建地下水封洞庫(kù)對(duì)已建相鄰洞庫(kù)安全性的影響具有重要的研究?jī)r(jià)值，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該問(wèn)題的研究甚少。

水封可靠性是決定地下洞庫(kù)安全性的重要因素之一[4-5]，地下水位是評(píng)價(jià)水封可靠性的重要指標(biāo)。為滿足地下洞庫(kù)的水封可靠性，需在地下洞庫(kù)上方有一定厚度的穩(wěn)定地下水覆蓋層[6]。在地下水封油庫(kù)開(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)期間，僅靠庫(kù)址區(qū)的天然地下水往往不能滿足水封條件，常需要設(shè)置人工水幕系統(tǒng)[7-9]，不同的水幕系統(tǒng)布置形式和布置參數(shù)會(huì)對(duì)水封可靠性產(chǎn)生較大的影響。Dai等[10]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)水平水幕的功效進(jìn)行了分析，并研究了水平水幕孔的布置寬度、注水壓力、直徑以及高程等參數(shù)對(duì)地下洞庫(kù)水封可靠性的影響程度；Shi等[11]通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)涌水量、水幕系統(tǒng)注水壓力及庫(kù)址區(qū)地下水位3個(gè)因素進(jìn)行相關(guān)性研究得出，水平水幕的功效受庫(kù)址區(qū)降雨量以及圍巖質(zhì)量等因素的影響。

相比于傳統(tǒng)的水平水幕系統(tǒng)，垂直水幕孔更易于布設(shè)，且在相鄰地下洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕還可以起到隔絕相鄰洞室之間油品互竄(即串油)的作用。Park等[12]通過(guò)研究平澤LPG洞庫(kù)，提出了采用水平水幕和垂直水幕相結(jié)合的方法來(lái)滿足地下洞庫(kù)的水封可靠性，垂直水幕在補(bǔ)給地下水位的同時(shí)，主要用于防止相鄰洞庫(kù)之間的串油；Gao等[13]通過(guò)對(duì)LPG洞庫(kù)水封可靠性的研究得出，在庫(kù)址區(qū)的關(guān)鍵區(qū)域，相比于單一地增大水平水幕孔的密度，采用垂直水幕可以更加有效地提高水封可靠性；Li等[14]通過(guò)對(duì)海島環(huán)境下建造地下水封油庫(kù)滲流場(chǎng)的研究得出，垂直水幕不僅可以保證地下洞庫(kù)的水封可靠性，還具有防止相鄰洞庫(kù)間串油的作用。對(duì)于大型地下水封洞庫(kù)分期建設(shè)工程，在兩期洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕以減小兩期洞庫(kù)的安全間距，從而實(shí)現(xiàn)充分利用場(chǎng)地和降低成本的目的。這一思路是新穎的，且具有研究意義。

本文基于某大型地下水封油庫(kù)擴(kuò)建工程，通過(guò)有限元數(shù)值模擬方法，以兩期洞庫(kù)間距、擬建洞庫(kù)軸線方向和擬建洞庫(kù)埋深3個(gè)因素為變量，開(kāi)展涵蓋整個(gè)洞室尺度的擴(kuò)建洞庫(kù)布局方式研究。研究成果可為今后開(kāi)展類似地下水封洞庫(kù)擴(kuò)建工程時(shí)，擴(kuò)建洞庫(kù)布局方式的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某大型地下水封油庫(kù)在分期建設(shè)過(guò)程中，已建洞庫(kù)的規(guī)模為500×104m3，由5組100×104m3的洞罐組成，每組洞罐分為2個(gè)主洞室，單個(gè)洞室的儲(chǔ)油規(guī)模為50×104m3。地下儲(chǔ)油洞室的斷面形狀為馬蹄形，洞頂標(biāo)高為-30 m，洞室寬度為20 m，高度為30 m，洞室軸線長(zhǎng)度為930 m，在已建地下儲(chǔ)油洞庫(kù)上方25 m位置處設(shè)置水平水幕。通過(guò)對(duì)庫(kù)址區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料的分析可知，庫(kù)址區(qū)地質(zhì)條件優(yōu)越，適宜對(duì)已建地下洞庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建工程位于已建洞庫(kù)北側(cè)，擴(kuò)建洞庫(kù)規(guī)模為300×104m3，由3組100×104m3的洞罐組成，每組洞罐由2個(gè)主洞室組成，單個(gè)洞室的尺寸與已建洞庫(kù)一致。在擬建洞庫(kù)開(kāi)挖前，需在洞庫(kù)上方25 m位置處設(shè)置水平水幕。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

庫(kù)址區(qū)的巖性(見(jiàn)圖1)主要為第四系全新統(tǒng)萬(wàn)頃沙組(Qω)的砂質(zhì)黏性土和燕山期晚侏羅系(J)的侵入花崗巖，侵入巖按生成的先后順序分為石牌嶺單元(J3S)和觀音廟單元(J3G)。根據(jù)鉆探揭露情況，從地表向下按巖石風(fēng)化程度共劃分4個(gè)風(fēng)化帶，依次為全風(fēng)化巖帶、強(qiáng)風(fēng)化巖帶、中風(fēng)化巖帶和微風(fēng)化巖帶。已建與擬建地下儲(chǔ)油洞庫(kù)的主洞室主要處于微風(fēng)化的花崗巖體中。

圖1 工程地質(zhì)圖

1.2.2 水文地質(zhì)條件

庫(kù)址區(qū)降雨充沛，年平均降雨量約為2 200 mm，月平均降雨量分布不均勻，主要集中在4—9月。根據(jù)巖土體的性質(zhì)，庫(kù)址區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2大類。庫(kù)址區(qū)地下水埋深(見(jiàn)圖2)為-5～-27 m，平均地下水位埋深為-15 m，地下水主要以風(fēng)化基巖裂隙水為主，水位埋藏深度變化大；山間谷地及山前沖積平原地段地下水以孔隙水為主，水位埋藏較淺。通過(guò)對(duì)庫(kù)址區(qū)部分勘察鉆孔進(jìn)行綜合提水試驗(yàn)和分段注水試驗(yàn)，計(jì)算得到庫(kù)址區(qū)巖體的滲透系數(shù)分布(見(jiàn)圖3)。巖體滲透系數(shù)基本為10-7～10-9m/s的數(shù)量級(jí)，并且隨埋深的增大而減小?；◢弾r滲透系數(shù)擬合曲線方程如圖3所示[15-16]。

圖2 庫(kù)址區(qū)地下水位

圖3 滲透系數(shù)散點(diǎn)圖及擬合曲線

Fig. 3 Scatter plot and curve fitting of coefficient of hydraulic conductivity

2 垂直水幕作用原理及布設(shè)參數(shù)

2.1 垂直水幕作用原理

目前已建的地下水封洞庫(kù)對(duì)垂直水幕的應(yīng)用相對(duì)較少，且在設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)的案例中，垂直水幕大多用以防止相鄰洞庫(kù)之間的串油。垂直水幕(見(jiàn)圖4)布置在儲(chǔ)油洞室一側(cè)，通過(guò)對(duì)垂直水幕頂部施加一定的注水壓力，在主洞室外部形成具有一定壓力的“水墻”。垂直水幕的內(nèi)壁壓力為孔頂注水壓力加上不同高度上的靜水壓力，儲(chǔ)油洞庫(kù)的洞壁壓力為洞室頂部氮?dú)夂陀蜌饣旌衔锏暮愣▔毫由喜煌叨壬嫌?水)的自重壓力。通過(guò)對(duì)比2種情況的壓力曲線可知，垂直水幕壓力值大于相同標(biāo)高處的洞壁壓力值，即可以防止油品穿過(guò)水幕滲漏到垂直水幕另一側(cè)的洞室。

2.2 垂直水幕布置方式及參數(shù)選取

根據(jù)《地下水封石洞油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]可知，垂直水幕孔的孔深應(yīng)超出洞室底面10 m。庫(kù)址區(qū)已建地下水封油庫(kù)的主洞室埋深為30 m(見(jiàn)圖5)，水幕巷道底部標(biāo)高為-5 m，即距主洞室頂部25 m，因此在兩期洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)時(shí)，水幕在垂直方向上布置于水幕巷道底部和主洞室底部超深10 m之間。垂直水幕孔在水平方向上成排布置，相鄰水幕孔間距取值為10 m，水幕孔直徑為0.1 m。

圖4 垂直水幕水封原理圖

(a) 三維視圖

(b) 剖面圖

3 新建地下水封洞庫(kù)布局方式研究

3.1 幾何模型

本文以某大型地下水封油庫(kù)分期建設(shè)工程為依托，采用有限元軟件COMSOL Multiphysics建立三維數(shù)值模型(見(jiàn)圖6(a)),COMSOL以一般偏微分方程或方程組為基礎(chǔ)，憑借高效的計(jì)算性能可實(shí)現(xiàn)高度精確的數(shù)值仿真。模型尺寸為2 500 m×2 500 m×470 m，以已建洞庫(kù)軸線方向?yàn)閄軸方向，XY平面為水平面，Z軸為豎直方向。已建洞庫(kù)由10個(gè)互相平行但間距不同的主洞室組成，擬建洞庫(kù)由6個(gè)互相平行的主洞室組成，已建洞庫(kù)的1號(hào)主洞室與擬建洞庫(kù)的Ⅰ號(hào)主洞室相鄰，兩期洞庫(kù)上方一定高度處均設(shè)置有水平水幕系統(tǒng)。設(shè)置垂直水幕模型中，垂直水幕布置在擬建與已建洞庫(kù)相鄰洞室連線的中點(diǎn)位置處。模型網(wǎng)格剖分如圖6(b)所示(網(wǎng)格對(duì)應(yīng)模型參數(shù)如下： 兩期洞庫(kù)間距為200 m，擬建洞庫(kù)軸線方向?yàn)?°，擬建洞庫(kù)埋深為30 m)。

(a) 三維數(shù)值模型

(b) 網(wǎng)格剖分

3.2 控制方程

庫(kù)址區(qū)巖體巖性以花崗巖為主，巖體完整性好，巖體滲透各向異性對(duì)地下洞庫(kù)圍巖的變形無(wú)影響，對(duì)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的影響作用較小，可以忽略不計(jì)，故建立三維均質(zhì)模型[16]。均勻介質(zhì)模型的地下水滲流服從Darcy定律，即以孔隙水壓力表示的Darcy公式[17]如式(1)所示。

(1)

式中:vi為地下水滲流速度,m/s；γw為水的重度, N/m3；k為巖石的滲透系數(shù),m/s；p為孔隙水壓力,Pa；z為垂直坐標(biāo),m；xi為沿x方向的距離,m。

將以上方程結(jié)合質(zhì)量守恒和有效應(yīng)力原理，控制方程如式(2)所示。

(2)

式中：Sα為巖石儲(chǔ)水系數(shù)；t為時(shí)間,s；Qs為源匯項(xiàng),m3；φ為孔隙度；u為滲流速度，m/s。

3.3 邊界條件及參數(shù)選取

數(shù)值模型模擬工況是已建洞庫(kù)為運(yùn)營(yíng)工況，擬建洞庫(kù)為開(kāi)挖工況，即已建洞庫(kù)的邊界條件按照儲(chǔ)油狀態(tài)設(shè)置為壓力邊界；擬建洞庫(kù)未儲(chǔ)油，設(shè)置為0壓力邊界。根據(jù)庫(kù)址區(qū)水位觀測(cè)孔的數(shù)據(jù)，以平均地下水位埋深作為模型初始條件，以平均地下水位埋深作為模型初始條件，即模型初始地下水位標(biāo)高為模型上表面的標(biāo)高減去平均地下水位埋深值。三維數(shù)值模型不考慮降雨補(bǔ)給，頂部為自由邊界，模型底部滲透性較弱，故設(shè)置為無(wú)通量邊界。模型四周邊界設(shè)置為無(wú)通量邊界。水平水幕設(shè)置為壓力邊界，壓力值為0.3 MPa，垂直水幕設(shè)置為壓力邊界，壓力值為0.3+ρ水gh，h為距垂直水幕頂部的豎向距離。擬建洞庫(kù)的布局方式研究通過(guò)改變兩期洞庫(kù)間距、擬建洞庫(kù)的軸線方向(擬建洞庫(kù)以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)后的擬建洞庫(kù)中心點(diǎn)與已建洞庫(kù)中心點(diǎn)具有相同的X坐標(biāo))和擬建洞庫(kù)埋深3個(gè)因素來(lái)實(shí)現(xiàn)。模型計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1。主洞室布置圖見(jiàn)圖7。

表1 模型參數(shù)取值表

3.4 數(shù)值模型驗(yàn)證

在已建洞庫(kù)開(kāi)挖過(guò)程中，統(tǒng)計(jì)地下儲(chǔ)油洞庫(kù)的總涌水量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知[3]，已建洞庫(kù)開(kāi)挖后的穩(wěn)定涌水量約為1 700 m3/d。通過(guò)調(diào)整滲流參數(shù)和邊界條件，對(duì)已建洞庫(kù)開(kāi)挖后的數(shù)值模型進(jìn)行校正。通過(guò)校準(zhǔn)的數(shù)值模型，研究了擬建洞庫(kù)開(kāi)挖對(duì)已建洞庫(kù)的影響。因此，使用該數(shù)值模型來(lái)研究水封可靠性是合理的。

圖7 主洞室布置圖

3.5 結(jié)果與分析

3.5.1 兩期洞庫(kù)間距對(duì)滲流場(chǎng)的影響

3.5.1.1 地下水位

在擬建地下洞庫(kù)軸線方向(0°)和埋深(30 m)一定的情況下，兩期洞庫(kù)間距為50、100、150、200、250、300 m時(shí)，分別對(duì)有、無(wú)垂直水幕系統(tǒng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。在X=1 200 m位置處作豎直剖面，對(duì)已建洞庫(kù)1號(hào)主洞室和擬建洞庫(kù)Ⅰ號(hào)主洞室上方的地下水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知(見(jiàn)圖8)： 1)在不設(shè)置垂直水幕情況下，隨兩期洞庫(kù)間距的逐漸增大，已建洞庫(kù)與擬建洞庫(kù)上方的地下水位標(biāo)高均在不斷增加，即兩期洞庫(kù)的水封可靠性均逐漸增高，且已建洞庫(kù)上方地下水位的增大速率大于擬建洞庫(kù)，即已建洞庫(kù)對(duì)間距變化的反應(yīng)更為敏感；2)在兩期洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后，隨間距的逐漸增大，已建洞庫(kù)上方的地下水位逐漸增大，即水封可靠性越來(lái)越高，擬建洞庫(kù)上方的地下水位逐漸減小，即水封可靠性越來(lái)越低。擬建洞庫(kù)上方地下水位下降這一現(xiàn)象是由兩期洞庫(kù)間距增大和垂直水幕位置共同造成的。垂直水幕布置在兩期洞庫(kù)中間位置，隨兩期洞庫(kù)間距的增大，垂直水幕距兩期洞庫(kù)的距離也逐漸增大，垂直水幕的補(bǔ)給作用逐漸減小，擬建洞庫(kù)上方地下水位呈下降趨勢(shì)；與之相反，隨兩期洞庫(kù)間距的逐漸增大，兩期洞庫(kù)的相互影響逐漸減弱，擬建洞庫(kù)上方地下水位有上升趨勢(shì)。在垂直水幕起到的作用大于兩期洞庫(kù)間距所產(chǎn)生影響的情況下，擬建洞庫(kù)上方的地下水位呈現(xiàn)出與無(wú)垂直水幕情況相反的變化趨勢(shì)。

相比于無(wú)垂直水幕情況，在間距為50 m時(shí)，垂直水幕對(duì)地下水位的影響較大。隨著間距的逐漸增大，垂直水幕所起到的作用也逐漸減弱。當(dāng)間距大于300 m時(shí)，垂直水幕對(duì)洞庫(kù)上方地下水位的變化已無(wú)影響。

圖8 不同洞庫(kù)間距下地下水位變化曲線

Fig. 8 Groundwater level under different distances between two caverns

3.5.1.2 涌水量

在數(shù)值模擬中，涌水量通過(guò)對(duì)地下洞庫(kù)表面的地下水滲流速度進(jìn)行積分求得。無(wú)垂直水幕和有垂直水幕條件下，不同兩期洞庫(kù)間距對(duì)應(yīng)的地下水滲流速度云圖如圖9和圖10所示。由圖9可知： 圍巖中的地下水滲流速度在水平水幕底部位置處最大，隨著兩期洞庫(kù)間距的增大，主洞室表面的地下水滲流速度變化較小，6種間距下地下洞庫(kù)表面的最大滲流速度分別為6.24×10-8、6.53×10-8、6.29×10-8、6.26×10-8、6.22×10-8、6.16×10-8m/s。由圖10可知： 圍巖中的地下水滲流速度整體增大，最大滲流速度出現(xiàn)在垂直水幕孔的底部位置，且隨著兩期洞庫(kù)間距的增大，圍巖中的最大滲流速度逐漸減小，6種間距下地下洞庫(kù)表面的最大滲流速度分別為14.83×10-8、7.33×10-8、8.61×10-8、6.87×10-8、7.28×10-8、6.90×10-8m/s。

(a) 50 m

(b) 100 m

(c) 150 m

(d) 200 m

(e) 250 m (f) 300 m

圖9無(wú)垂直水幕不同間距下滲流速度變化云圖(單位： ×10-8m/s)

Fig. 9 Nephograms of groundwater seepage velocity under different distances between two caverns and without vertical water curtain system (unit: ×10-8m/s)

(a) 50 m

(b) 100 m

(c) 150 m

(d) 200 m

(e) 250 m

(f) 300 m

圖10有垂直水幕不同間距下滲流速度變化云圖(單位： ×10-8m/s)

Fig. 10 Nephograms of groundwater seepage velocity under different distances between two caverns and with vertical water curtain system (unit: ×10-8m/s)

通過(guò)對(duì)兩期洞庫(kù)的涌水量進(jìn)行分析可知(見(jiàn)圖11)： 1)在不設(shè)置垂直水幕情況下，隨著兩期洞庫(kù)間距的逐漸增大，地下洞庫(kù)涌水量均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，即兩期洞庫(kù)間距較近時(shí)，圍巖中的地下水快速流向地下洞庫(kù)，兩期洞庫(kù)相互影響作用較大；當(dāng)兩期洞庫(kù)間距增大時(shí)，已建洞庫(kù)與擬建洞庫(kù)之間的相互影響逐漸減弱，地下洞庫(kù)的涌水量均逐漸增大。2)在兩期洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后，隨兩期洞庫(kù)間距的逐漸增大，垂直水幕距1號(hào)和Ⅰ號(hào)主洞室的距離也逐漸增加，垂直水幕對(duì)兩期洞庫(kù)的補(bǔ)給作用逐漸減弱，兩期洞庫(kù)的涌水量均呈現(xiàn)出減小趨勢(shì);且間距達(dá)到300 m時(shí)，兩期洞庫(kù)的涌水量仍明顯大于未設(shè)置垂直水幕情況，即垂直水幕使地下洞庫(kù)的涌水量明顯增大，且垂直水幕對(duì)涌水量的影響隨兩期洞庫(kù)間距的增大而減小。

圖11 不同洞庫(kù)間距下涌水量變化曲線

Fig. 11 Water inflow under different distances between two caverns

3.5.2 擬建洞庫(kù)軸線方向?qū)B流場(chǎng)的影響

3.5.2.1 地下水位

在擬建洞庫(kù)埋深(30 m)一定的情況下，擬建洞庫(kù)軸線方向角為0°、30°、60°、90°、120°、150°時(shí)，分別對(duì)有、無(wú)垂直水幕系統(tǒng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。在X=1 200 m位置處作豎直剖面(見(jiàn)圖6(a))，分別對(duì)剖面上的孔隙水壓力以及地下水位線進(jìn)行分析。不設(shè)置垂直水幕情況下(見(jiàn)圖12)： 1)擬建洞庫(kù)平行于已建洞庫(kù)布置時(shí)(方向角為0°)，擬建洞庫(kù)上方地下水位下降，未形成明顯的降落漏斗；2)擬建洞庫(kù)軸線方向角為30°時(shí)，擬建洞庫(kù)Ⅲ號(hào)和Ⅵ號(hào)洞室上方產(chǎn)生了小規(guī)模的降落漏斗；3)擬建洞庫(kù)軸線方向角為60°時(shí)，擬建洞庫(kù)Ⅳ號(hào)洞室左上方的降落漏斗距主洞室頂部的距離較小，即水封可靠性較低，擬建洞庫(kù)Ⅴ號(hào)洞室與主洞室頂部相交，即形成了疏干區(qū)，無(wú)法滿足水封可靠性要求；4)擬建

洞庫(kù)軸線方向角為90°時(shí)，擬建洞庫(kù)右上方形成了3處明顯的降落漏斗，其中2處與主洞室頂部相交，即發(fā)生疏干現(xiàn)象，無(wú)法滿足水封可靠性要求；5)擬建洞庫(kù)軸線方向角為120°時(shí)，擬建洞庫(kù)Ⅲ號(hào)、Ⅴ號(hào)和Ⅵ號(hào)洞室上方有大規(guī)模的降落漏斗，但均未形成疏干區(qū)；6)擬建洞庫(kù)軸線方向角為150°時(shí)，僅在擬建洞庫(kù)Ⅵ號(hào)洞室上方形成了明顯的降落漏斗，其水封可靠性優(yōu)于擬建洞庫(kù)方向角為120°的工況。

在設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后(見(jiàn)圖13)： 1)擬建洞庫(kù)左側(cè)的地下水位相較于不設(shè)置垂直水幕工況呈現(xiàn)出回升的趨勢(shì)，但擬建洞庫(kù)右側(cè)位置處的地下水位相較于無(wú)垂直水幕工況變化較??；2)不同擬建洞庫(kù)軸線方向下，擬建洞庫(kù)上方的降落漏斗及疏干情況與無(wú)垂直水幕工況基本一致，即在改變擬建洞庫(kù)軸線方向的情況下，設(shè)置垂直水幕對(duì)擬建洞庫(kù)水封可靠性的影響較小。

3.5.2.2 涌水量

根據(jù)圖7可知，擬建洞庫(kù)旋轉(zhuǎn)一定角度后(0°～90°)，受模型界限的影響，擬建洞庫(kù)左側(cè)距已建洞庫(kù)的距離也相應(yīng)減小，即垂直水幕距兩期洞庫(kù)的間距也逐漸減小。通過(guò)對(duì)兩期洞庫(kù)涌水量數(shù)據(jù)的分析可知(見(jiàn)圖14)： 1)在不設(shè)置垂直水幕情況下，旋轉(zhuǎn)擬建洞庫(kù)，兩期洞庫(kù)的涌水量變化均較小，即擬建洞庫(kù)的旋轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)涌水量產(chǎn)生較大的影響；2)在設(shè)置垂直水幕后，旋轉(zhuǎn)擬建洞庫(kù)，擬建洞庫(kù)的涌水量仍趨于穩(wěn)定，但已建洞庫(kù)的涌水量呈現(xiàn)較大幅度的增加，這一現(xiàn)象是因?yàn)橐呀ǘ磶?kù)與垂直水幕相鄰的有效面積大于擬建洞庫(kù)，即垂直水幕導(dǎo)致地下洞庫(kù)涌水量增大的程度受有效相鄰面積的影響。

(a) 0°

(b) 30°

(c) 60°

(d) 90°

(e) 120°

(f) 150°

圖12無(wú)垂直水幕不同軸線方向下地下水位線及孔隙水壓力云圖(單位： MPa)

Fig. 12 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different axis directions and without vertical water curtain system (unit: MPa)

(a) 0°

(b) 30°

(c) 60°

(d) 90°

(e) 120°

(f) 150°

圖13有垂直水幕不同軸線方向下地下水位線及孔隙水壓力變化云圖(單位： MPa)

Fig. 13 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different axis directions and with vertical water curtain system (unit: MPa)

圖14 不同擬建洞庫(kù)軸線方向下涌水量變化曲線

Fig. 14 Water inflow under different axis directions of proposed cavern

3.5.3 擬建洞庫(kù)埋深對(duì)滲流場(chǎng)的影響

3.5.3.1 地下水位

在兩期洞庫(kù)間距(200 m)和擬建地下洞庫(kù)軸線方向(0°)一定的情況下，擬建洞庫(kù)埋深為10、20、30、40、50、60 m時(shí)，分別對(duì)有、無(wú)垂直水幕系統(tǒng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)X=1 200 m豎直剖面上的孔隙水壓力及地下水位線進(jìn)行分析可知： 1)不設(shè)置垂直水幕情況下(見(jiàn)圖15)，擬建洞庫(kù)埋深為10 m時(shí)，Ⅴ號(hào)洞庫(kù)右上方形成了明顯的降落漏斗，隨主洞室埋深的增加，已建洞庫(kù)的水封可靠性無(wú)明顯變化，擬建洞庫(kù)上方的地下水位距主洞室頂部的距離逐漸增大，降落漏斗逐漸減小，即擬建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸增加；2)在設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后(見(jiàn)圖16)，因垂直水幕的影響范圍有限，Ⅴ號(hào)洞庫(kù)上方的地下水位并未得到有效補(bǔ)給，擬建洞庫(kù)整體的水封可靠性與無(wú)水幕條件相比，未發(fā)生明顯改變。

在X=1 200 m的豎直剖面上，對(duì)已建洞庫(kù)1號(hào)主洞室和擬建洞庫(kù)Ⅰ號(hào)主洞室上方的地下水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知(見(jiàn)圖17)： 1)在不設(shè)置垂直水幕情況下，隨擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增加，兩期洞庫(kù)上方的地下水位標(biāo)高均逐漸減小，但擬建洞庫(kù)上方的穩(wěn)定地下水覆蓋層厚度逐漸增加，即隨著擬建洞庫(kù)埋深的增加，已建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸降低，擬建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸增高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，隨著擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增加，擬建洞庫(kù)圍巖中的孔隙水壓力逐漸增大，地下水向擬建洞庫(kù)的滲流增強(qiáng)，地下水位下降的更多，因此已建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸降低，但地下水位下降的幅度小于擬建洞庫(kù)埋深的改變量，故擬建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸增高。2)在設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后，隨著擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增加，兩期洞庫(kù)的地下水位均趨于穩(wěn)定，即在擬建洞庫(kù)埋深變化的情況下，設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)可以有效地弱化擬建洞庫(kù)埋深對(duì)水封可靠性的影響。

3.5.3.2 涌水量

通過(guò)對(duì)兩期洞庫(kù)的涌水量大小進(jìn)行分析可知(見(jiàn)圖18)： 1)在不設(shè)置垂直水幕情況下，隨著擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增加，已建洞庫(kù)的涌水量逐漸減小，擬建洞庫(kù)的涌水量逐漸增加，且擬建洞庫(kù)涌水量的增加速率大于已建洞庫(kù)涌水量的減小速率，即總涌水量逐漸增加，印證了兩期洞庫(kù)地下水位隨擬建洞庫(kù)埋深增加而逐漸減小的趨勢(shì)。2)在設(shè)置垂直水幕系統(tǒng)后，兩期洞庫(kù)涌水量的變化趨勢(shì)和不設(shè)置垂直水幕情況一致，但洞庫(kù)涌水量整體有一定程度的增大。綜合地下水位的變化情況可知，垂直水幕直接對(duì)地下水位進(jìn)行了補(bǔ)給作用，從而造成了隨擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增大，兩期洞庫(kù)的總涌水量也相應(yīng)增大，但地下水位趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象。

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(d) 40 m

(e) 50 m

(f) 60 m

圖15無(wú)垂直水幕不同埋深下地下水位線及孔隙水壓力云圖(單位： MPa)

Fig. 15 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different depths and without vertical water curtain system (unit: MPa)

(a) 10 m

(b) 20 m

(c) 30 m

(d) 40 m

(e) 50 m

(f) 60 m

圖16有垂直水幕不同埋深下地下水位線及孔隙水壓力云圖(單位： MPa)

Fig. 16 Groundwater levels and nephograms of water pressure under different depths and with vertical water curtain system (unit: MPa)

圖17 不同擬建洞庫(kù)埋深下地下水位變化曲線

Fig. 17 Groundwater levels under different depths of proposed cavern

圖18 不同擬建洞庫(kù)埋深下涌水量變化曲線

4 結(jié)論與建議

本文以某大型地下水封油庫(kù)的擴(kuò)建工程為依托，通過(guò)分析有、無(wú)垂直水幕系統(tǒng)情況下，兩期洞庫(kù)間距、擬建洞庫(kù)軸線方向和擬建洞庫(kù)埋深對(duì)庫(kù)址區(qū)滲流場(chǎng)的影響，主要結(jié)論如下。

1)當(dāng)兩期洞庫(kù)間距較小時(shí)，設(shè)置垂直水幕可以有效地減小擬建洞庫(kù)對(duì)已建洞庫(kù)水封可靠性的影響。當(dāng)垂直水幕距地下洞庫(kù)間距大于150 m時(shí)，水幕系統(tǒng)對(duì)主洞室的補(bǔ)給作用可忽略不計(jì)。

2)該地區(qū)受地形起伏等因素的影響，擬建洞庫(kù)應(yīng)平行于已建洞庫(kù)布置(擬建洞庫(kù)方向角為0°)，旋轉(zhuǎn)一定角度的布置方式會(huì)使兩期洞庫(kù)的水封可靠性降低。當(dāng)庫(kù)址區(qū)地形起伏較大時(shí)，建議將擴(kuò)建洞庫(kù)建造在地勢(shì)較高且穩(wěn)定地下水位較高的區(qū)域。

3)隨擬建洞庫(kù)埋深的逐漸增加，已建洞庫(kù)的水封可靠性呈小幅度減小趨勢(shì)，擬建洞庫(kù)的水封可靠性逐漸增高；但在兩期洞庫(kù)之間設(shè)置垂直水幕后，兩期洞庫(kù)的地下水位均趨于穩(wěn)定，水封可靠性受埋深變化的影響較小。

本文探討了垂直水幕以單排形式布置于兩期洞庫(kù)中間位置對(duì)擬建洞庫(kù)布局方式的影響，關(guān)于不同垂直水幕布置形式、垂直水幕參數(shù)、垂直水幕與水平水幕的協(xié)同作用等對(duì)地下洞庫(kù)水封可靠性、涌水量及擬建洞庫(kù)布局方式的影響，尚未進(jìn)行研究。后續(xù)研究中可對(duì)以上因素進(jìn)行探討，建立更為全面的擴(kuò)建洞庫(kù)布局方式分析方法。