某地下石油储备库稳定性数值模拟分析

王福海+谭黎中

摘要：地下石油储备库是由很多小洞室组成，在修建地下石油储备库的过程中，每个洞室之间相互影响，群洞室的开挖造成其围岩稳定性更差，为了研究地下储备库洞室群开挖后的变形特征、评价洞室的稳定性、指导洞室空间布置，本文以某地下石油储油库为研究对象，采用有限元分析技术，结合相邻地区中获得的初始地应力资料以及场区地质资料，对地下石油储备库洞室开挖后的变形特征进行分析。

关键词：有限元；储备库；围岩；数值模拟

引言：地下石油储备库为稳定供求关系、保障国民经济的安全快速发展具有十分重要的意义，随着我国石油进口量的不断增加，在分布花岗岩、熔结凝灰岩等优质稳定岩性区域建造地下石油储备库，无疑是一种综合经济效益良好的方案。石油储备库洞室群的稳定性分析评价是影响储库设计的重要因素，决定了储库的设计重点和洞库建成后的工作状况，同时也为洞室群的优化设计提供了依据，相对于较多的关于水利工程中岩体稳定性的研究，我国对于地下储油洞库岩体的稳定性研究显得很多不足，由于影响地下储油洞库岩体稳定性的因素比较复杂，而且储库运营中围岩状态不易监测，故本文采用有限元分析法对拟开挖储备库洞室稳定性进行数值模拟分析具有很强的科研价值和实际意义。

1 场地工程地质条件

某地下石油储备库位于我国西南地区，区内地形西高东低，地势总体相对平缓，场区出露元古界上昆阳群、震旦系、中生界和新生界地层，其中华力西期（γ4）花岗岩广泛出露，根据风化程度，由地表向下可分为全-强风化中细粒花岗岩、中风化中细粒花岗岩和微风化中细粒花岗岩，地下石油储备库位于微风化中细粒花岗岩中，长1400m、宽325m、面积455000m2，根据钻探揭示该部分花岗岩岩体裂隙较发育，岩芯以大于10cm的短柱状、柱状为主，局部为碎块状，RQD值在55.3%～96.6%之间。

2 模型建立及参数选取

2.1模型范围。由于本勘察阶段缺少大比例的测量图件，本次计算模型在1：10000地形图基础上进行概化剖面的选取。模型所采用的直角坐标系以南北向为X轴，并以东向作为X轴正向；以垂直高程为Y轴，从坡内指向坡外为Y轴正向，具体模型范围如下：模型X方向：以山顶向南侧延伸到果兴左附近，长度1400m；模型Y方向：模型尽可能的考虑地形完整，初步设想地下洞室顶板标高1625m，为了尽量消除边界效应，洞室以下考虑1～1.5倍埋深，模型Y方向总长325m。

2.2模型概化。考虑到模型的复杂性和建模的可行性，本计算模型在建立过程中对地质原型进行了一定的简化，不考虑构造条件，只考虑风化层等岩体材料，因此数值计算中将岩体材料概化为三层：全-强风化层、中风化层、微风化层；考虑群洞效应，共建有8个地下洞室，洞室大小为20m×30m，储油洞室净间距为70m，建立后的模型如图1所示。

2.3岩体物理力学试验参数

为了研究地下洞库开挖后变形特征，数值模拟中假定岩体由均质各向同性、弹性材料构成，不考虑地下水的作用。其岩土体参数取值如表1所示。

表1岩体参数取值表

3洞室开挖后变形特征分析

洞室开挖后围岩应力分布较天然状态下变化较大，围岩为适应这种新的应力状态，将发生一定程度的变形甚至破坏。图2至图5展示的是洞室开挖后围岩各部位的变形特征及其发展趋势，从中可以看出，工程开挖对洞室变形有比较明显的影响，具体表现有以下几点：

⑴ 从洞室开挖后总位移分布特征图2可见，洞室围岩的变形主要发生在洞室群两侧，整体表现为有岩体内部向开挖临空方向产生位移，最大位移值达到8.40mm；变形集中区域主要分布在洞室围岩范围内，影响范围为1-1.5倍洞高。

⑵ 从洞室围岩X向位移分布特征图3可见，洞室开挖后，围岩在X方向上的位移主要方位为岩体内部向开挖方向，最大达到8.40mm，最大值位置出现在洞室群两侧；各个洞室之间水平位移较小，多为2.1mm。

⑶ 从洞室围岩Y向位移分布特征图4可见，洞室开挖后，整个洞室在Y方向上的位移值是比较小的，方向同样表现为向着开挖临空面，最大达到4.00mm，位移主要都是集中在洞室的上下侧壁位置，并随着埋深增大而表现出量值增大的趋势。

⑷ 图5为洞室开挖后围岩内剪应变增量分布特征，可见，洞室开挖后在围岩范围内出现了明显的剪应变增量分布，影响范围为1.5倍洞高。但是洞室开挖后围岩未受剪切与拉张破坏，没有明显的塑形破坏区，说明洞室群开挖不会形成贯通的破坏区域。

结论：综上所述，洞室开挖后在无支护的条件下，围岩的应力分布受到较大的调整，主要表现为：洞室开挖后，在洞室周边主要表现为最大主应力的释放降低，都出现了应力值较低的区域，相对于初始应力值应力释放了0.2～2.5MPa，在洞室群两侧处和边角处，压应力集中较为明显，整个洞室围岩无最大主应力拉应力区出现。同时，开挖后在无支护的条件下，围岩的变形趋势表现比较明显，整体表现为有岩土内部向开挖临空方向产生位移，最大位移值达到8.40mm。因此，洞室围岩在上述应力条件和变形趋势下，容易在顶部发生张剪破坏，造成洞顶坍塌或掉块破坏；在侧壁则容易发生压剪破坏，造成岩体崩裂等破坏。计算结果显示在洞室围岩的变形量值都比较小，洞室在开挖过程中围岩出现大变形的可能性较小，而且洞室群之间未出现明显的塑形破坏区，未发生剪切与拉张破坏，说明模拟中洞室的大小的选择和洞室间距的選择是比较合理的。

参考文献

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