水封洞库建设中水文监测井水位变化的影响研究

李 世 银

(北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

水封洞库建设中水文监测井水位变化的影响研究

李 世 银

(北京东方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

结合烟台万华地下水封洞库水文监测井水位变化的工程实例，对水文监测井水位下降进行了分析研究，研究了对水文监测井地下水位变化的控制措施，并提出了一些地下水封洞库的建设建议。

地下水封洞库，水文监测井，地下水位，水封条件

0 引言

国际上利用地下水封式洞库储存石油及液化气的技术已广泛应用，随着我国经济的发展和对油气资源的需求增大，我国目前已经进入大规模建设地下水封洞库时期。地下水封洞库的原理主要是在稳定的地下水位以下一定深度挖空岩石形成一定容积的洞室，通过洞室周围岩体和裂隙中的地下水，借助人工水幕系统来达到在岩石内储存石油及液化气。根据其原理可知，在地下洞室建设过程中，储存洞室以上必须有长期稳定的地下水位，且要达到一定的水头差(静水压力)，使洞室周围地下水的静水压力大于油(气)压力，同时还要求在人工水幕系统中通过水幕孔将地下水连通，在洞室周围形成连续的水幕帘或水幕墙，才能保证将油(气)长久密封储存。地下水封洞库储存原理如图1所示。

一般在地下水封洞库建设中，地下洞室开挖后会出现大量涌水，导致地下水流失，从而引起地下水位的陡降，形成降水漏斗。为了监测建库场区地下水位的变化，及时规避地下水位下降对地下洞库水封效果的风险，在地下水封洞库建设期都会布设一定的水文监测井，为地下水封洞库的成功建设保驾护航。

在地下水封洞库建设中，影响其建设的因素很多，作为岩石洞室本身，其实与其他地下工程(发电站、隧道)并无本质上的差别，主要是围岩完整性和稳定性方面的要求，其设计和施工技术也在国内比较先进和成熟；而水封原理是储存石油及液化气的地下岩洞与其他地下工程最大的不同或者本质上的区别，可以说，水封能否成功是制约地下水封洞库成败的关键，也是其最大的风险所在。地下水位的变化(主要是下降)直接决定着地下洞库的水封效果，是影响地下水封洞库建设的重要因素。本文通过对烟台万华地下水封洞库建设中水文监测井地下水位变化的分析研究，希望在以后的地下水封建设中，重视水文地质监测井的设置、注重水文地质监测井水位变化的影响分析，以保证地下洞库的水封效果。

1 库区水文监测井

1.1 库区水文监测井布设

拟建烟台万华地下水封洞库设计库容100万m3，按储存介质分为三个洞库，其中液化丙烷库50万m3，液化丁烷(或LPG)库25万m3，LPG库25万m3，主要地下工程包括9个主洞室、4个竖井、10条水幕巷道、1条施工巷道。一般地，建库区水文监测井布设基本原则如下：

1)当需要观测库区的岩体裂隙水与地表水体的水力联系时，应布置垂直地表水体岸边线的监测井，同时监测地表水体的水位变化；

2)在可研阶段勘察的地下水监测井可利用已有钻孔；

3)初步设计阶段勘察的地下水动态监测井，可在已完钻的各种勘探孔中选择一部分加以利用；不足时，再补充观测井；

4)施工图设计及施工阶段勘察的地下水动态监测井布置应在初步设计阶段勘察观测网基础上对洞库有针对性的部署，如各洞库的拱顶部位，洞库周围临近洞库排水边界一带的主要含水带；

5)在地下洞库的建设期，应尽早尽快建立水文监测井，开展地下水位监测工作。

根据地下水封洞库设置水文监测井的原则，在烟台万华地下洞库的选址勘察、初步勘察及详细勘察期间，布设了36个水文地质监测井(ZK01～ZK37，其中，ZK27号钻孔因洞库布置调整，未施钻)。在地下洞库建设后期，为确保地下水封洞库的水封效果，及时了解地下洞库开挖对场地地下水的影响，保障地下水封洞库及其水幕系统的安全施工和正常营运，在充分利用原有勘察钻孔的基础上，尽可能的将建库区域内的已有勘探钻孔改造为长期的地下水监测孔，因此在地下水封洞库施工期，根据新近库区水文地质监测资料分析及确保运营期地下洞库的水封要求，新增水文地质监测井15个。最后，在烟台万华地下水封洞库建设中，共布设了51个水文地质监测井。这些监测井分布于地下洞室、水幕巷道、岩脉、断层及破碎带上及其周围，主要用于监测洞室及水幕巷道周围岩体深层裂隙水、浅层地下水、岩脉及破碎带水等等。

1.2 水文监测井地下水位介绍

拟建库区地下水位主要受洞库施工影响变化，在地下洞库建设中，随着施工开挖，岩石深层裂隙水势必受到影响。自洞库选址勘察阶段开始，对洞库区域内各水文地质监测井进行水位监测。一般情况，所有监测井每日进行1次地下水位监测，遇特殊水文地质情况每日2次～3次的地下水位监测。截止到地下洞库主体建设结束，共对51个水文地质监测井进行了3个阶段的地下水位监测工作。

1)施工开挖初期。

在地下洞库施工开挖初期，主要对洞库施工巷道明槽段和浅埋段进行了开挖，该阶段的洞室开挖对场地地下水水位基本无影响，洞库区域地下水大部分一般在地表以下10.0 m范围内。库址区的地下水主要随季节发生自然波动，地下水位变幅受降水、蒸发和开采条件等因素的影响。地下水水位动态随季节性变化明显，年平均变幅可达2 m～3 m。

2)施工开挖高峰期。

在地下洞库施工开挖高峰期，洞室及巷道开挖大规模展开。该阶段的洞室开挖对距离开挖工作面较近的监测井地下水影响较大，但在洞库开挖过程中，通过采取一定的堵水措施，避免了水文监测井地下水位持续的下降，大部分监测井地下水位保持在洞库设计地下水水位(高程：±0 m)以上。本阶段水文地质监测井水位下降较大的监测井主要有ZK06，ZK07，ZK23，ZK25，ZK30，ZK44及ZK37，其中有6个监测井的水位降到了洞库区域设计地下水水位(高程：±0 m)以下。

ZK23监测井，位于公共交通巷道附近，距离交通巷道仅3.0 m，且井内地下水与交通巷道洞室已经相连，施工开挖时水位降至交通巷道底板高程处。ZK25监测井，位于公共施工巷道和丁烷水幕巷道之间，受洞室开挖影响，洞内大量涌水引起该监测井内水位陡降，水位降至洞库区域设计地下水水位(高程：±0 m)以下后开始平缓下降。ZK44监测井，位于丁烷水幕巷道附近，距离洞室仅5.0 m，根据水幕巷道开挖过程中的出水量监测，该监测井内地下水与水幕巷道水幕孔裂隙连通性很好，由于水幕巷道水幕孔多次间断供水，导致该监测井水位降深较大。后期水幕巷道水幕孔供水正常后，该孔水位也基本稳定。ZK30监测井位于丁烷洞库和丙烷洞库之间，该监测井穿过场地内的花岗斑岩脉，该岩脉贯穿整个场地，与丁烷水幕巷道、丙烷水幕巷道和丙烷竖井相连，这些洞室的大量涌水造成ZK30监测井内水位发生持续下降。

3)开挖后期到气密试验。

在洞室开挖后期，施工开挖工作基本已经结束，洞室内大的渗水点已经注浆封堵，洞库区域内各水文监测井地下水位基本稳定，大部分地下水位位于洞库区域设计地下水水位(高程：±0 m)以上。各水文监测井水位均呈现上升趋势。洞库主体建设全部完成后继续进行场地地下水位监测，至洞库气密试验期间场地所有监测井地下水位均能恢复至设计地下水位(高程：±0 m)以上。

总体来说，在地下水封洞库建设过程中，通过对洞库区域内51个水文监测井3个阶段的地下水位监测工作，可以随时准确掌握洞库区域内地下水水位变化情况，为洞库的超前预报、超前注浆、洞室开挖、洞室支护、后注浆方案、洞库设计和施工方案等提供了详细的场地地下水水位情况，对烟台万华地下洞库项目的建设意义重大。同时，通过对场地水文监测井地下水位的监测也验证了在洞库交通巷道和水幕巷道灌满水至高程±0 m后，洞库区域内场地地下水水位也恢复至高程±0 m以上。洞库区域内的水文地质情况满足洞库水封的基本要求。

2 水文监测井水位陡降对水封条件的影响

按水封洞库密封原理，在地下洞室开挖时出现的大量涌水，导致地下水流失，若引起地下水位的陡降，会形成降水漏斗。当地下水位下降到建库场区地下水位安全界限(设计水位高程：±0 m)以下时将威胁到地下水封洞库的水封条件。在该地下水封洞库建设中，主要有ZK30，ZK44，ZK07，ZK23及ZK37水文监测井影响到地下水封洞库的水封条件。而从影响程度来看，ZK30水文监测井水位的陡降直接威胁到地下洞库水封效果，严重影响到地下洞库建设的水封条件。

水文监测孔ZK30是位于丙烷主洞库和丁烷主洞库间的斜孔，方位角为N75°E，顶角为30°，孔深250.2 m。该监测井穿过地下洞库场区15号，16号花岗斑岩脉，主要监测15号，16号花岗斑岩脉对丁烷主洞库与丙烷主洞库之间的深层地下水。ZK30监测井与岩脉平面位置图如图2所示。

自2011年12月25日开始对ZK30监测井水位开始监测以来，随着地下洞库开挖施工的进行，ZK30监测井水位开始出现缓慢的下降，随后多次出现陡降与上升现象。2014年3月13日～3月14日期间，ZK30监测井水位出现异常陡降，埋深由56.60 m陡降至90.58 m(标高-49.27)，陡降深度达29 m。3月15日，水位埋深为72.35 m(标高-33.49 m)，相比3月14日该监测井水位又上升了15.79 m。具体的地下水位变化情况如表1所示。

表1 ZK30监测井地下水位变化表 m

从整体来看，ZK30水文监测井水位主要表现为下降趋势，局部表现为上下波动变化，波动幅度差在20 m左右。前期主要受地下洞室开挖影响，在洞室内岩脉大量出水、丙烷竖井大量涌水及水幕孔施钻等造成ZK30监测井水位的持续下降；但在后期随着施工开挖的完成、水幕供水的稳定，ZK30监测井水位一段时间内趋于稳定；随后由于丙烷水幕巷道水幕孔供水间断，ZK30监测井水位上下波动变化明显。丙烷水幕供水的中断对ZK30监测井水位产生了很大的影响，最终导致该监测井水位最低降至90.58 m(标高-49.27)。

经分析，ZK30水文监测井水位下降的直接原因是：与贯穿丙烷主洞库、丁烷主洞库及ZK30监测井的15号，16号花岗斑岩脉有关，该监测井内导水裂隙带通过花岗斑岩脉与丁烷主洞库和丙烷主洞库的个别水幕孔相连通。而ZK30监测井通过花岗斑岩脉与丙烷竖井内的某个裂隙也存在连通。在花岗斑岩脉及水幕孔出现大量涌水时，ZK30监测井地下水位出现陡降。

因此ZK30水文监测井水位陡降对地下洞库水封条件的影响如下：

1)ZK30监测井位于丙烷水幕巷道和丁烷水幕巷道之间。其中丙烷水幕巷道顶标高为-95 m，丁烷水幕巷道顶板标高为-65 m。而地下水封洞库的最低警戒水位为水幕巷道顶板以上20 m，因此丙烷主洞室区域为-75 m，丁烷主洞室区域为-45 m。根据本次ZK30监测井地下水位最低降落标高为-49.27 m，该标高已经超过了该区域最低警戒水位(标高-45 m)，在该监测井附近形成了较大的陡降漏斗，将直接威胁地下洞库的水封效果。

2)在ZK30监测井水位下降可能导致深层裂隙水体大量流失，水幕巷道顶板20 m以上的毛细水出现不饱和状态，而这种不饱和是不可逆的，势必影响到地下洞库区域地下水位的恢复情况，从而影响到地下水封的效果。

3 水文监测井地下水位的控制措施

为了监测建库场区地下水位的变化，及时规避地下水位下降对地下洞库水封效果的风险，并对出现陡降的水文监测井地下水位实现有效安全的控制。通过实际工程实例，提出以下几点措施：

1)及早建立地下水位监测井，完善监测数据库，并及时分析各监测孔水位与相邻巷道和洞室开挖涌水量之间的关系；

2)合理布设水文监测井，尤其在洞室的断层及破碎带、岩脉发育地带，一定要布设有水文监测井；

3)设置水幕巷道，重视水幕孔裂隙的连通性，分析水幕孔与水文监测井的连通性，加强对水幕孔供水的检查，确保水幕供水正常；

4)加强对洞室内涌水量的监测，如有大的涌水或者持续的流水裂隙，立即分析其对地下水位的影响；

5)在洞室或者巷道施工时采取超前预注浆，对大的涌水量进行超前注浆封堵，并加强超前地质预报；

6)在地下水位监测期，加强对水文监测井的监测和保护工作。

4 结语

本文通过对烟台万华地下水封洞库建设中水文监测井地下水位变化的分析研究，得出以下结论：

地下水封洞库在建设中，施工开挖总会对洞室及巷道周围地下水造成一定影响，地下水位会出现不同程度的下降。由于地下水封洞库受水封条件的制约，对于地下水位有着严格的要求，当地下水位出现大的陡降或者持续的下降，可能会威胁到最终的水封效果，进而决定地下水封洞库的建设成败。而作为地下水位的直接监测通道，水文监测井在地下水封洞库的建设过程中扮演着极其重要的作用。

根据以上结论及对水文监测井地下水位变化的研究，提出以下建议：

1)在水文监测井监测地下水位时，在对地下洞库洞内涌水量监测基础上，应查明水幕巷道与水文监测井的连通程度。

2)在地下水封洞库建设中，应详细查明岩脉裂隙含水量及其导水性能。

3)在地下洞库施工中，依据库区水文地质条件，结合开挖揭露的水文地质条件，预测施工过程中出现突水或者涌水的可能；建议采取超前地质预报查明裂隙水形态及水量，并采用超前预注浆的方式对涌水点进行注浆处理。

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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

李世银(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)10-0091-03

P641

A