某地下水封石油洞库渗流场模拟研究及水封效果评价

梁 斌， 陈 刚，胡 成

（1.核工业北京地质研究院，北京100029；2.中国地质大学（武汉），武汉 430074）

国内、外学者在地下水封石油洞库，特别在液化石油气（LPG）储库的渗流场数值模拟方面做过一些研究［6-13］。

地下储油洞库的建设对洞库区域水文地质条件要求较高，本次研究利用地下水数值模拟技术可以有效刻画水文地质模型，反应储油洞库区施工期和运营期地下水渗流场变化情况，提前预判和了解储油库水封效果，为洞库的施工和管理提供必要的技术支持。

1 库区水文地质条件

研究区的含水介质主要以燕山一期片麻状花岗岩为主。地下水的主要存在类型为松散岩类孔隙水和浅层基岩网状、深层脉状裂隙水。

于2009年9月—2010年8月对研究区共约25 km2区域内的居民用水井及钻孔进行了调查，主要为松散岩类孔隙水，部分为浅层基岩网状裂隙水。水位调查的结果显示，雨季地下水位较高，旱季地下水位较低，研究区内地下水水位受降雨影响明显，变幅为0.5～4 m。

研究区内含水层主要为上覆的松散岩类孔隙含水层和下伏的基岩裂隙含水层。对孔隙含水层主要利用提水试验和注水试验获得其渗透系数，对基岩裂隙含水层，主要利用分段单栓塞压水试验获得其渗透系数，图1、2为部分压水试验结果。

2 研究区数值模拟研究

2.1 水文地质概念模型

研究区的含水介质主要是浅层的松散孔隙和深层的基岩裂隙，且渗透性较小，渗透系数多为10-3～10-5m·d-1，同时渗透性的空间分布也有很大不同，含水层各向异性特征明显，将裂隙含水层概化为非均质各向异性的含水层，根据地下水运动特征，整个含水层地下水运动按三维非稳定渗流问题处理。

图1 洞顶 （-80 m）渗透系数水平分布Fig.1 Horizontal distribution of conductivity（roof， -80 m）

图2 ZK28渗透系数垂直分布Fig.2 Vertical distribution of conductivity in ZK28

地下水封油库研究区东、南、西有河流为自然边界，研究区北边发育有区域性F1断裂带，根据水文地质试验判定F1断层为定水头边界（一类边界）。西边（排干河），南边（西河），东边 （东河）由于河流切割深度浅，所以在刻画边界条件时，北部边界 （F1断层）刻画为定水头边界，其他边界刻画为流量边界；研究区模型上边界概化为降雨入渗和蒸发排泄边界，由研究区钻孔柱状图知模型下边界区域未风化，岩石完整性较好，渗透性极低，所以概化下边界为隔水边界

结合上述，实际施工中，地质工程风险的影响因素较多，比如，其对工程的经济效益就会产生较大的影响，故此在工程建设的过程中，相关人员需要充分保证安全投资。在安全投资决策中，注意不断加强决策的科学性与合理性，这样才能使安全投资充分发挥其重要作用，并有助于地质工程的持续向前。

2.2 数学模型

根据上述水文地质条件的概化，得出研究区的地下水渗流场数学模型。其表达式如下：

式中：D—研究区地下水渗流区域；Kxx，Kyy，Kzz—分别为 x， y， z方向的主渗透系数，L·T-1；SS—给水度；H0—初始地下水水位，L；H1—洞库或水幕的定水位，L；Hf—潜水面水位，L；n—边界外法线方向；q—研究区流量边界的单宽流量，L2·T-1，流入为负，流出为正；B1—一类边界，地下水封洞库和人工水幕的标高；B2—第2类边界，流量边界；w—上边界降雨入渗量， L·T-1； ε—上边界潜水蒸发量， L·T-1。

2.3 网格剖分

为建立研究区地下水系统数值模型，模型采用三角网格剖分渗流区域，三角剖分法采用FEFLOW软件里面的TMesh剖分方法。模型垂向分层主要参考研究区地下水封洞库功能、钻孔的柱状图与钻孔压水试验结果。在水幕高程-55 m处剖分0.1 m微层，在洞室开挖区-110～-80处剖分2层，并在洞室下0.2 m处剖分0.2 m的控制层，其他按照钻孔柱状图和压水试验结果来分层。

由此模型总共垂向上分为：第四系沉积物、中风化裂隙含水层、微风化裂隙含水层，模型总共分为10层，如图3。

图3 三维网格剖分Fig.3 3D mesh

2.4 初始条件及边界条件

根据研究区地下水赋存条件和分布规律以及地下水动态特征，取2009年9月的地下水位作为初始水位，见图4研究区地下水位初始等值线。

研究区东、南、西、北侧边界概化为水头边界，下边界概化为隔水边界，洞室和水幕概化为水头边界。研究区多年平均降雨量为1 700 mm，蒸发量为1 200 mm，降水主要集中在夏季，夏季降雨量占全年降雨量的76%，降雨入渗系数按照区内钻孔水位变化及降雨资料推求得到，取平均值为0.033。

2.5 含水层参数

图4 研究区初始等水位线Fig.4 Initial water level of the study area

研究区上覆为第四系松散岩类孔隙含水层，在该层主要利用提水试验获得其渗透系数；深部为基岩裂隙含水层，主要利用分段单栓塞压水试验获得其渗透系数。在模型中对研究区裂隙介质的各向异性的刻画，主要体现在研究区含水层渗透系数的各向异性的刻画，在水平方向上根据研究区钻孔压水试验得出的含水层渗透系数在水平上的分布差异，进行了分区，在研究区垂向上由研究区压水试验以及钻孔裂隙数据统计和渗透张量的计算得出渗透主值以及其渗透方向。选取最大渗透主值投影到x、y、z坐标上所得的数值为本次建立模型含水层的渗透系数。由于前期的勘察工作主要集中在洞库区域，而对洞库外围没有进行水文地质试验，在洞库区域主要利用各种试验数据进行渗透系数的分区，而在洞库外围则根据同一层洞库区内部渗透系数的平均值赋值。覆盖层给水度赋值为0.01，其余层贮水系数赋值为1E-4。含水层分区图5如下所示。

图5 渗透系数分区图Fig.5 Map of conductivity partition

2.6 模型水文地质参数的识别

模型以提水实验和压水试验的水文地质参数为初始参数，进行参数拟合与验正。时间步长为365 d。本次研究选取第1层 （第四系）、第2层（中风化）、第6层（洞室层）来反演拟合和验证，由图6可知观测水位和计算水位基本拟合，验证了模型的可靠性。模型识别后的水文地质参数见表1。

图6 研究区部分钻孔地下水位拟合曲线Fig.6 Fitting curves for dynamic simulation of groundwater level in some boreholes from the study area

表1 拟合后的水文地质参数Table 1 Fitting of hydrogeological parameters

3 数值模拟结果与分析

3.1 无水幕条件下模拟结果分析

洞室周围的水头变化在运营期开始时最大，随时间延长变化逐渐减小，变化幅度在洞室周围最大，向两侧逐渐变小。洞库上方地下水位最低，5 a为-22 m，10 a为-27.1 m，20 a为-30 m，30 a为-31 m，前期下降较快，后期逐渐稳定。洞库上方水位能保证储油洞库的水封效果。至运营30 a时，洞室上方形成明显的水位降落漏斗（图7）。

3.2 有水幕条件下模拟结果分析

有水幕条件下洞室上方未形成明显的地下水降落漏斗，可见，由于水幕的补水作用，有效防止了降落漏斗的形成，更好保证了洞室的水封性。只是在洞室上方水位缓慢降低，最低水位为-3 m。洞室周围的水头变化在运营期开始时仍然最大，随时间延长变化逐渐减小，影响程度在洞室周围最大，向两侧逐渐变小，这与无水幕条件下相同，相对于无水幕条件下，能在洞库上方形成地下水封水位，运营20 a后就稳定在-3 m，由于水幕对上方水位的限制作用，洞库上方水位能保证储油洞库的水封效果。

3.3 有水幕和无水幕对比分析

3.3.1 两种条件下洞室水平方向上0 m等水位线向外扩展对比

图7 无水幕运营30 a等水位线Fig.7 Water level after operating 30 years without water curtain

图8 有水幕运营30 a S1S1’剖面等水位线Fig.8 Water level after operating 30 years of S1S1’ section with water curtain

由图9中分析得出：在无水幕条件下，洞室水平方向上0等水位线逐年向外展，说明漏斗面积逐年增加，在前期 （5～15 a）水幕扩展速度较快，达到5.6 m·a-1，在后期（15～30 a）水幕扩展速度相对减缓，为3.15 m·a-1趋于稳定，这也是由于洞室涌水量的逐渐减小，后期达到稳定的结果，运营后期洞库水平方向上的扩展虽然逐年减小，但也以一定的速度向外扩展，漏斗影响面积逐年增加。

图9 运营期两种条件下0 m标高等水位线水平扩展Fig.9 0 m water level under two kinds of the conditions in operation period

由图9中分析得出：在有水幕条件下，洞室水平方向上0 m等水位线逐年外扩，说明漏斗面积逐年增加，在前期（5～15 a）扩展速度较快，达到3.5 m·a-1，但相对于无水幕条件下洞库水平扩展速度较小，在后期（15～30 a）水幕扩展速度相对于前期逐渐减缓，为0.32 m·a-1，该条件下后期水平扩展速度较小，漏斗面积基本稳定，漏斗水平影响区域稳定，这主要是由于水幕的补水作用，限制洞库漏斗影响范围，也保证了洞库周围地下水位的相对稳定，洞库周围的水资源也得到很好的保护。

3.3.2 两种条件下洞库上方最低水位对比分析

洞库上方地下水位的变化情况，与洞库的水封条件密切相关，洞库上方最低水位是保证洞库水封效果的关键。

图10 运营期两种条件下洞库上方最低地下水水位Fig.10 The lowest groundwater level above the caverns under two kinds of the conditions in operation period

由图10分析得出：在无水幕条件下，洞库上方最低水位逐年降低，在5～15 a期间洞库上方最低水位由-22 m减少到-27.1 m，15～30 a期间由-27.1减小到-30 m，从图中看出洞库上方水位不断下降，前期下降速度较大，后期下降较慢，最后逐渐稳定。

由图10分析得出：在有水幕条件下，洞库上方最低水位在5～15 a期间，由2.03 m减小到-1.37 m，相比无水幕条件水位变化明显减小。在15～30 a间洞库上方最高水位一直保持在-2.2 m左右，这主要是由于洞库上方设置的水幕限制了洞库周围地下水漏斗的扩展，保证了洞库储油运营后洞上方的水封地下水位，保证了储油洞库的水封效果。

4 结论

1）有水幕条件和无水幕条件0 m等水位线扩展在水平方向上变化趋势相近，前期扩展较快，后期扩展较慢逐渐趋于稳定。但有水幕条件下比无水幕条件下扩展速率相对较小，没有形成明显的降落漏斗；无水幕条件下洞室上方形成明显的降落漏斗。

2）运营期间在无水幕条件下水位变幅较大，在有水幕条件下洞库上方水位变幅较小，有力保证洞库的水封条件，水封效果较好。在极端气候条件下，如连续一年无降雨补给，水幕也能很好的保证水封效果。

3）无降水补给条件下，水幕系统设置是非常必要的。在无降水补给条件下研究区在无水幕下运行一年的最低水位为-98 m，已经低于洞顶-80 m标高，达不到水封效果。同样条件下有水幕运行一年最低水位为-3.1 m，保证了在研究区遭遇特殊气候情况下的储油洞库的水封效果。

4）水幕系统作用效果随着时间变化越来越明显。尤其在垂向上对漏斗的抑制作用可以有效降低原油泄漏的风险。