基于离散裂隙网络的烟台水封洞库渗水点分析

黎照洪，胡 成，陈 刚，刘静华

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074)

基于离散裂隙网络的烟台水封洞库渗水点分析

黎照洪，胡 成，陈 刚，刘静华

(中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉430074)

建立在致密结晶岩地区的地下水封洞库开挖过程中洞室及水幕巷道的渗水具有不均匀性，而现阶段主要在开挖后根据实际渗水量组织施工排水，若排水不及时容易造成洞室或巷道大面积浸水而形成安全风险。为在洞室开挖前对渗水点分布及渗水量进行一定预测，从而提前且合理安排排水工作，降低施工风险，以烟台地下水封洞库丁烷库区为例，在对该库区裂隙调查结果进行一定的统计分区后，采用Monte-Carlo随机模拟方法建立离散裂隙网络模型，通过多次迭代确定裂隙模拟置信区间，并选取在置信区间范围内的裂隙模拟结果按照立方定律求取渗透系数，按区间进行水封洞库渗水点分布区划分，同时与实测大流量渗水区域进行比对，结果发现两者具有较好的一致性，表明该方法能借助前期裂隙统计结果预测洞室开挖后渗水情况，协助组织施工期洞室排水。

地下水封洞库;离散裂隙网络;随机模拟;渗水预测;烟台市

地下工程施工过程中巷道渗水是影响工程进度乃至引发事故的常见工程地质问题，而地下水封洞库一般建于致密基岩地区地下水位以下，开挖过程中洞室渗水问题尤为普遍。由于裂隙介质不均匀的导水性，渗水点的水量差异明显，故采取一定手段合理预判地下洞库涌水量，能帮助施工过程中合理安排排水工作或指导进行其他工程措施。目前，预测地下洞室渗水量的方法主要包括水文地质比拟法、经验解析法或公式法和数值模拟法。水文地质比拟法一般通过类比同类工程经验，但目前我国已建成地下水封洞库较少且地质条件差异较大，适合作为类比的工程项目不多。经验解析法以地下水动力学为基础，通过概化库区的地下水渗流条件而对洞室中的涌水量进行预测，如大岛扬志方法、佐藤邦明方法、我国铁道工程关于洞室初期涌水量和稳定涌水量的计算公式等。数值模拟法则根据概念模型对开挖区地下水渗流场进行计算机模拟，如王者超等［1］、何国富［2］综合运用多种方法分析了地下水封洞库工程的涌水量;庞家伟等［3］运用数值模拟手段分析烟台地下水封洞库在施工及运营期的涌水量;韩曼［4］分析了有无水幕条件下地下水封洞库涌水量的差异。上述三种方法在粗略估算地下水渗水总量方面起到了良好效果，但对于岩体各向异性方面考虑不足，不能较好地预测渗水点具体分布区域。为了对渗水点具体区域进行预测，需要对地下水封洞库地下渗透系数张量进行评估，如张龙等［5］引入试井理论，介绍了地下水封洞库水平水幕钻孔渗透张量的求解方法;季惠彬［6］则根据Hyung等［7］总结的地下水封洞库岩体渗透系数张量的合理范围，评价了黄岛水封洞库岩体渗透系数张量。此外，通过建立离散裂隙网络的方法，可有效研究地下裂隙的不均匀分布，并借用立方定律，可求取岩体渗透系数［8-13］。但目前在地下水封洞库领域应用较少，仅有马峰［14］根据黄岛水封洞库裂隙统计结果求解了裂隙岩体渗透系数张量，并分析了渗透系数张量的整体特点，尚缺乏根据渗透系数与实际渗水量进行对比的研究。

本文以烟台地下水封洞库丁烷库区为例，基于裂隙调查结果，按裂隙密度对研究区进行划分后，采用模拟软件Fracman的Monte-Carlo随机模拟方法生成离散裂隙网络，通过多次迭代确定裂隙模拟置信区间，并选取在置信区间范围内的裂隙模拟结果按照立方定律求取裂隙岩体渗透系数，按区间进行水封沿库渗水点分布区统计划分，同时与实测渗水点进行对比，结果表明该方法能较好地预测洞库渗水区域及渗水特点。

1 烟台水封洞库工程概况

工程项目为烟台某公司商业储备区，分为丁烷洞库库区、LPG洞库库区和丙烷洞库库区，其中丁烷洞库库区为本文的研究对象。该烟台地下水封洞库丁烷库区截面呈马蹄形，拱顶跨度约18 m，高度约26 m，包含3条水幕巷道、1个竖井和3个主洞室，分别编号为BC1、BC2、BC3，主洞室之间配有连接巷道，水幕巷道在洞室上方20 m，总长度784 m。库址区地形地貌上属山间河谷冲洪积丘陵到平原地貌过渡带，基岩为燕山早期的黑云母二长花岗岩，主要岩脉为闪长玢岩脉、煌斑岩脉、燕山期花岗斑岩脉等，库址西侧靠近丁烷库区发育一局部断裂段。

2 离散裂隙网络的建立

2．1 裂隙测量统计

本次通过8组钻孔电视成像、2组已开挖洞室地质素描，对研究区结构面裂隙进行了测量，得到水幕巷道裂隙314条、水幕巷道下方储藏品主洞室裂隙 388条，裂隙优势产状为:NE62°～74°∠79°～89°、SE111°～118°∠78°～84°、SW242°～253°∠83°～89°、NW289°～305°∠66°～79°。

2．2 模拟区划分

将洞室施工区域适当向外扩展，选取长为500 m、宽为250 m、高为200 m的空间区域作为模拟区，如图1所示。

图1 模拟区范围平面图Fig．1 Plan of simulation area

根据工程重要性在水平方向划分为中部洞室主体区域以及左、右两侧外围区域共3部分，并根据裂隙密度随深度变化特征，将每个部分在垂直方向上各划分为3个裂隙等密度区域，共计9个分区，具体分区位置见图2，其中V区为洞库工程的水幕巷道及油气品洞室所在区域。各分区空间位置、裂隙密度及优势产状统计见表1。

2．3 裂隙结构面几何要素统计及裂隙网络生成

裂隙结构面几何要素统计包括产状统计、裂隙迹长统计、裂隙隙宽统计等，本次研究对洞室主体部分Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区裂隙结构面几何要素进行了统计，结果显示:裂隙迹长服从对数正态分布;裂隙隙宽服从负指数分布;Ⅳ、Ⅴ区产状分布类型为二元宾汉类型，Ⅵ区产状分布类型为费雪类型。

图2 模拟区分区示意图Fig．2 Zoning of the simulation area

表1 离散裂隙模拟分区情况统计表Table 1 Statistics of the simulation zone of the discrete fracture

在裂隙结构面几何要素统计结果基础之上，采用Monte-Carlo法随机生成各个分区内的裂隙，研究区裂隙结构面网络模拟结果见图3。

图3 研究区离散裂隙网络Fig．3 Discrete fracture network of the study area

图3中每一种颜色的片状六边形分别表示子分区中某一优势产状控制的裂隙集，六边形的分布位置及密集程度表示裂隙集的空间发育密集位置及其密集程度。由图3可见，垂向上(沿Z轴正方向)，自上而下裂隙发育程度逐步降低;水平方向上，自西向东(即X轴正方向)裂隙发育密集程度下降，裂隙发育特点受研究区西侧的局部断裂带影响明显。

3 渗透系数求取与渗水区域对比

3．1 置信区间分析与渗透系数求取

为合理预测地下封洞库渗水情况，需从模拟结果中选取与洞室开挖空间相连通的裂隙。虽然Monte-Carlo方法［15］是一种统计意义上概率分布的随机模拟方法，不同模拟结果间存在一定程度差异，但随着模拟次数增加能表现其宏观规律性，故利用Fracman软件的宏命令功能产生100次连通性分析随机模拟结果，并分别统计每次所得出的与洞室连通的裂隙数量，最终得到丁烷洞库各个子洞室(BC1、BC2、BC3)的连通裂隙数量分布，详见图4至图6。

图4 子洞室BC1连通裂隙数量迭代统计结果Fig．4 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC1

图5 子洞室BC2连通裂隙数量迭代统计结果Fig．5 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC2

本文利用SPSS软件对裂隙数据进行分析，采用95%置信率下的连通裂隙数数量范围作为置信区间，用于渗透性分析。各子洞室对应的连通裂隙数量置信区间见表2。

图6 子洞室BC3连通裂隙数量迭代统计结果Fig．6 Iterative statistical result of the numbers of fractures connecting to the sub-cavern BC3

同样，为保证裂隙模拟结果的可靠性，进行了多次模拟，得到一个在置信区间范围内的连通裂隙数量模拟结果值，再根据立方定律求取对应的渗透系数，并根据渗透系数数量级进行分区间裂隙数量统计，其结果见表3。

表2 子洞室连通裂隙数量置信区间Table 2 Confidence interval of the numbers of fractures connecting to the sub-caverns

表3 子洞室连通裂隙数量模拟结果及对应的渗透系数Table 3 Simulation result of the numbers of fractures connecting to the sub-carvens and the corresponding permeability coefficients

3．2 模拟结果与实测渗水区域对比

将连通裂隙数量多(取连通裂隙数量大于10条的部分)且渗透性相对较大的部分作为预测大流量渗水区，即BC1子洞室的K090～130 m及K0240～270 m区域、BC2子洞室的K0150～200 m区域以及BC3子洞室的K0150～230 m区域，并在洞室开挖完成后对现场实测渗水点进行统计，划分实测大流量渗水区域，对3个子洞室共划分出6个实测大流量渗水区域，详见表4。

表4 丁烷洞库各子洞室大流量渗水区域Table 4 High-flux seepage zones in each sub-carven of the butane reservoir

在丁烷洞库平面图上将实测和预测大流量渗水区域这两部分区域进行投影，可得到该丁烷洞库实测与预测大流量渗水区域的对比图，见图7。从实测渗水区域与预测渗水区域在平面图上的重叠情况来看，6个实测渗水区域中，有5个实现了较准确的预测，其预测效果良好。

图7 丁烷洞库实测与预测大流量渗水区域对比图Fig．7 Comparison of the measured and predicted high-flux seepage zone in butane reservoir

4 结 论

本文通过对烟台地下水封洞库丁烷库区开展离散裂隙网络构建工作与现场渗水统计工作，对比了通过数值模拟得到的渗透系数偏大区域与实测大流量渗水区域的分布差异，发现两者具有较好的一致性。因此，在洞室未开挖阶段，通过收集整理前期的裂隙展布数据，建立离散裂隙网络模型，在一定程度上可以实现对开挖阶段大流量渗水区域的预测，以便协助组织施工期洞室排水。

［1］王者超，李术才，梁建毅，等．地下水封石油洞库渗水量预测与统计［J］．岩土工程学报，2014，36(8):1490-1497．

［2］何国富．湛江某地下水封洞库涌水量估算与分析［J］．西部探矿工程，2011，23(11):19-24．

［3］庞家伟，丁国平，陈刚，等．地下水封洞库水位降深与涌水量的数值分析［J］．油气储运，2013，32(9):1007-1011．

［4］韩曼．地下水封石油洞库渗流场及溶质运移模拟研究［D］．青岛:中国海洋大学，2007．

［5］张龙，陈刚，胡成．试井理论在洞库水幕效率试验中的应用［J］．安全与环境工程，2015，22(1):7-10．

［6］季惠彬．水封地质条件对地下水封洞库选址的影响研究［J］．安全与环境工程，2013，20(2):138-141．

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Seepage Analysis of the Water-sealed Cavern in Yantai City Based on the Discrete Fracture Network Model

LI Zhaohong，HU Cheng，CHEN Gang，LIU Jinghua
(School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan430074，China)

Seepage inhomogeneity is common characteristics in carvens and water curtain tunnels during excavation which are built in compact crystalline rock area．At presentthe site drainage is deployed after the excavation has begun according to the actual seepage quantity．Once the water is not discharged in time，the caves or the tunnels tend to immerse to a large extent with a hysteretic drainage，which may cause safety risk．To forecast the seepage point and its quantity before the caves are dug，so as to arrange reasonably the drainage in advance and lower the constructive risk，this paper calculates and classifies the fracture in the water-sealed cavern of Yantai city and builds the discrete fracture network model based on the stochastic method by Monte-Carlo．With multiple iterations，the paper confirms the confidence interval of the fracture simulation，then calculates the permeability coefficients using cubic law according to the simulated result of fractures which lies in confidence interval．Furthermore，the paper divides seepage points of water-sealed cavern into several parts by the confidence interval and compares with the virtual parts．The results exhibit fine consistency between the simulated and the measured parts，showing that the method can predict the seepage after caving，which helps in site drainage in construction period．

underground water-sealed cavern;discrete fracture network;stochastic simulation;seepage prediction; Yantai City

X948;TU926

ADOI:10．13578/j．cnki．issn．1671-1556．2016．05．029

1671-1556(2016)05-0170-04

胡 成(1976—)，男，博士，副教授，主要从事3S技术在水文地质中的应用以及工程水文地质方面的研究。E-mail:hu-cheng @cug．edu．cn

2015-11-09

2016-08-24

黎照洪(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为工程水文地质。E-mail:526152304@qq．com