锦州某地下水封洞库工程渗流场数值分析

巫润建，李国敏，董艳辉，黎 明，乔小娟

1 概 述

地下水封原油洞库（简称“水封洞库”）是指在低于地下水位的岩体中由人工挖掘形成的具有一定形状和容积的用于储存原油的洞室群［1］。其基本原理是利用地下水压力比洞内介质压力大，地下水往洞内渗透实现水封洞内介质。地下水封洞库储油的想法由瑞典人H．杰森在1939年提出［2］。20世纪40～70年代，瑞典、法国、芬兰、挪威、美国、加拿大、韩国、日本及中东地区都将地下洞库作为国家原油战略储备库［3］。我国也于1977年在山东黄岛设计建造了第一座总库容为15×104m3的原油地下洞库，20世纪80年代又在浙江象山建成了第一座容积为4 000 m3的地下成品油库［4］。

地下水封洞库能够储油的关键是洞库周围需要有稳定的地下水位。国内外学者在地下水封洞库周围地下水水位变化方面做过一些研究工作。T．Kim等［5］通过对地下储气库库区观测孔水头、储存的油气压力、地下水压力、地下水水化学数据进行时间序列分析，阐述了地下储气库周围水头的影响因素主要为降水及洞室储气运营时油气的压力。H．S．Yang等［6］用 NAP－SAC和 NAMMU软件模拟分析了地下水从裂隙岩体里流到地下洞库的路径和时间。张秀山［7］分析了地下油库周围裂隙岩体中的地下水位动态预测方法。杨明举等［8］用有限元法建立了地下水渗流稳定流数值模拟模型，分析了水封式地下储气洞库的渗流场。刘贯群等［9］利用Vis－ual MODFLOW软件建立了某地下水封石油洞库的三维地下数值模拟模型，模拟了地下水封石油洞库周围的渗流场。张振刚等［10］用3D－Flow三维渗流分析软件对汕头LPG地下储气库的丙烷储库作了渗流场三维分析，通过洞库内LPG的压力和水幕的水头压力计算了地下水平均水力梯度，简单分析了水幕系统的作用，但尚未建立包括水幕系统在内的三维地下水渗流数值模型。

本文作者以锦州某地下水封洞库工程为例，对研究区水文地质条件和地下水封石油洞库、水幕系统进行了概化，利用MODFLOW软件，建立了无水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3种条件下的三维地下水渗流数值模拟模型，模拟了3种条件下的渗流场，分析了洞库周围的地下水等水位线扩展情况和洞库上方地下水等水位线变化情况。

2 地下水封洞库工程概况

2．1 工程概述

锦州某地下水封洞库工程设计总容量为300×104m3。地下油库储油设施由4组储油洞罐、施工巷道、操作竖井、水幕系统（包括水幕巷道、水幕孔）等组成。石油储备库由4组储油洞罐组成，每组洞罐都由2条洞室组成，共8条洞室，洞底标高－76m，洞顶标高－53 m。储油洞室断面为20 m（宽）×23 m（高），洞室轴向为东西向，洞室长946 m，相邻洞室间的间距是45 m。

本工程在储油洞室洞顶上方20 m处设置水幕系统来保证储油洞库的水封效果。水幕系统由2部分组成：一部分是水幕巷道1和水幕巷道2，底标高为－34 m；另一部分是与水幕巷道相连接的水平和垂直水幕孔。水幕巷道1南北向布置，由6条洞室构成，南北方向超出储油洞室范围以外14．5 m；水幕巷道2东西向布置，由5条洞室构成，在东西方向上超出储油洞室范围各13 m。水平水幕孔按东西方向布置，直径为100 mm，两孔之间的间距为10 m；垂直水幕孔直径亦为100 mm，两孔之间的间距为10 m，孔深52 m，底标高为－86 m。

2．2 工程地质条件

研究区出露的岩石类型主要有2大类，即太古代混合岩和燕山期花岗岩。燕山期花岗岩为中粗粒结构，块状构造，在研究区内分布广泛。地表风化强烈，多呈散砂状，强风化层厚一般可达20～30 m。

研究区内岩脉分布较多，但规模较小，岩脉总体走向为北东向和北西向，脉体岩性以花岗伟晶岩、辉绿岩居多。花岗岩层中存在很多节理，节理的发育与岩脉有比较密切的关系。研究区内断层性质多呈压性、压扭性，断层规模一般较小，均属稳定性断裂，导水能力较差，对区域地壳稳定性影响不大。总之研究区的工程地质条件适宜建设地下水封洞库工程。

2．3 水文地质条件

研究区地下水按岩土体赋水条件和含水介质的不同分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水［11］。第四系松散岩类孔隙水的含水岩组具有典型双层结构，上部由粉质黏土、粉土构成，下部由粗砂、砂砾石组成。含水层厚度变化较大，一般厚3～25 m，最厚为33 m。地下水埋深为1．15～7．80 m，标高14．22～39．98 m，为潜水，局部为上层滞水，单井出水量小于100 m3／d。基岩裂隙水的存在形式主要是网状裂隙水和脉状裂隙水，地下水富水性不均，单井出水量小于100 m3／d。在洞室开挖的深度范围内，地下水的主要类型是基岩裂隙水。

研究区地下水的主要补给方式是大气降水垂向渗入。地下水的排泄主要表现形式是向区外（主要为研究区西南部）径流排泄和大气蒸发。研究区地下水的径流主要受地形地貌条件的影响和控制，研究区主体地貌类型为剥蚀丘陵，地下水从NE向SW流，为弱径流型地下水。

3 渗流场数值分析

3．1 地下水渗流模型建立

为了分析储油洞室的密封性，需要分析洞室周围地下水等水位线的变化情况及水力梯度的变化情况。这就需要研究地下洞室周围地下水渗流场分布，建立三维地下水渗流数值模拟模型。研究区的水文地质概念模型为：非均质各向异性，上边界为降水补给、蒸发和井泉排泄边界，下边界为隔水边界。四周小尺度上的分水岭概化为零通量边界，在模型左下角的水洼地概化为定水头边界。地下油库和水幕系统设为定水头边界。

根据水文地质概念模型可写出其数学模型［12］，如公式（1）所示：

式中：Ω表示地下水渗流区域；S1为模型的第一类边界；S2为模型的第二类边界；kxx，kyy，kzz分别表示x，y，z主方向的渗透系数（m／s）；w表示源汇项，包括降水入渗补给、蒸发、井的抽水量和泉的排泄量（m3／s）；μs表示弹性释水系数（m2／s）；H0（x，y，z）表示初始地下水水头函数（m）；H1（x，y，z）为第一类边界地下水水头函数（m）；q（x，y，z，t）为第二类边界单位面积流量函数（m3／s）。

3．2 模型范围及网格划分

图1 模型范围示意图Fig．1 Sketch map of the model range

模型的模拟范围为东西向长3 000 m，坐标自587 000至590 000；南北向宽为1 800 m，坐标自4 525 400至4 527 200（如图1所示，x表示东西向，y表示南北向）；高为210 m，自海拔－150 m至海拔60 m。模型东西向网格和南北向网格大小为20 m，在洞室开挖区和水平水幕孔和垂直水幕孔区域适当加密；垂向高程自－150 m至60 m剖分为30 m一层，为使模拟更为合理，在洞室上下即洞底－76 m和洞顶－53 m处分别加剖1 m的微层，水幕高程－33 m加剖1 m的微层。最终剖分共计235列，156行，10层，总共有366 600个节点。

3．3 计算参数和初始条件

为确定水文地质参数，在可行性研究勘察阶段选择了研究区内10个钻孔中的4个钻孔进行综合水文地质试验，并对所有钻孔短段水文地质试验所得渗透系数进行统计分析。根据水文地质试验成果统计分析结果发现，岩体渗透系数为30%～40%测试值大于1×10－7m／s；岩体渗透系数随深度的增加并没有减小的趋势，岩体渗透性和深度没有明显的联系。根据上述分析结果发现，确定含水层渗透系数非常困难，在模型中使用等效多孔介质模型来模拟等效裂隙含水层，含水层渗透系数k的选取是从1×10－5～1×10－9m／s，水平渗透系数比垂向渗透系数大。选取含水层的贮水系数Ss＝0．000 5，给水度 Sy＝0．01。

图2 无水幕条件地下水等水位线扩展情况Fig．2 Extension of groundwater level contours without water curtain system

在研究区范围内，与地下水相关的动态资料很少，难以取得合适的地下水初始水位，故采取以稳定流计算的水位值作为非稳定流计算的初始水位值的方法，先进行地下水稳定流一年（365 d）计算，然后把地下水稳定流计算的稳定地下水水位值作为后期非稳定流计算的初始水位。

3．4 计算结果及分析

将初始水位、边界流量、水文地质参数等代入模型，分别计算洞室在无水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3种条件下运营5 a，10 a至50 a时，洞室周围地下水等水位线扩展范围和扩展速度。在模型中选取典型剖面A－A（剖面位置见图1），以剖面A－A上洞室上方16 m等水位线扩展情况为例进行分析。地下水等水位线扩展情况见图2～图4（y表示南北向，z表示垂向深度）。

图5是上述3种条件下洞室上方地下水16m等水位线垂直扩展范围情况。

无水幕时，运营期开始洞室上方地下水16 m等水位线向外扩展很快，由洞库运行5 a后的11 m升至10 a后的16 m，再到20 a后的20 m，最终至50 a后的24 m。

图3 有水平水幕条件地下水等水位线扩展情况Fig．3 Extension of groundwater level contours with horizontal water curtain system

图4 有水平水幕和垂直水幕条件地下水等水位线扩展情况Fig．4 Extension of groundwater level contours with horizontal and vertical water curtain system

图5 洞室上方地下水16 m等水位线垂直扩展范围情况Fig．5 Vertical development of groundwater 16 m level contour above oil－storage caverns

有水平水幕时，运营初期洞室上方地下水16 m等水位线向外扩展也较快，10 a后趋于稳定，由洞库运行5 a后的8．5 m最终至50年后的8．7 m。

有水平水幕和垂直水幕时，运营期洞室上方地下水16 m等水位线向外扩展很慢，基本上不再扩展，地下水位比较稳定。

对比无水幕系统和有水幕系统（水平水幕和垂直水幕）条件下的结果可知，水幕系统在洞室运行初始阶段作用很小，之后逐渐起到补给作用，在10 a后作用尤其明显，可见水幕系统保证了洞库周围稳定的地下水位，对洞库上方的地下水环境起到了一定的保护作用。

4 结 论

本文以锦州某地下水封洞库工程为例，建立了研究区地下水封洞库周围地下水三维渗流数值模拟模型，将无水幕条件、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3种条件下洞库周围地下水等水位线的扩展范围和速度、洞室上方地下水16m等水位线随时间的变化进行对比，分析了水幕系统（水平水幕和垂直水幕）在地下水封洞库水平方向和竖直方向上的作用，可得出如下结论：

（1）地下水封洞库通过水幕系统可以阻止洞内石油向外泄露，保证了工程的有效性和储油的安全性。

（2）有水平水幕时，地下水等水位线在水平方向上的扩展速度与无水幕时基本相同，开始时扩展较快，随后逐渐小。

（3）有水平水幕和垂直水幕时，洞库周围的地下水等水位线基本不再向外扩展，被封闭在水幕范围内，说明水平水幕和垂直水幕对垂直方向尤其是洞库上方的地下水等水位线的扩展起到了抑制作用，这就大大减少了洞库上方的地下水位下降。

由此可见，水幕系统不仅保证了地下水封洞库的储油安全，而且保护了洞库周围地下水资源和生态环境。因此，在地下水封石油洞库工程中水幕系统有着十分重要的作用。

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