地下水封洞库渗水特征与治理方法

刘晓亮 梁建毅 李康林 刘 欢

(1.黄岛国家石油储备基地有限责任公司，山东 青岛 266426；2.东北大学，辽宁 沈阳 110819)

地下水封洞库技术是在地下岩体中由人工挖掘形成的一定容积洞室中储存石油产品[1，2]，并通过设计控制地下水由围岩裂隙流入油库实现密封储油的一种技术。利用地下水封洞库储存石油产品具有安全性高、投资少、占地面积小等优点，因此它已成各国储存石油产品以保障国家能源安全、平抑国内油价的主要存储设施。

地下水封洞库在建设和运行期，维持比较稳定的地下水位尤为重要，因此洞库必须建在比较稳定的地下水位以下，保证洞室以上具有一定高度的地下水，使洞室周围地下水压力大于洞室内存储石油产品的压力，以此实现油库密封。由于受地质构造影响，在洞室开挖过程中，地下水会沿导水裂隙渗入洞室，为防止大量地下水流失引起不可接受的地下水位降落，同时防止渗入量大于设计的洞室渗水量，要及时注浆封堵。一般注浆前要完成支护，其一方面是防止抬动，保证在注浆的过程中结构的稳定，一方面规避了支护的过程中，由于锚杆的施工，对已完成注浆封堵的局部围岩，又造成二次破坏。在锚喷支护钻孔的过程中，可能会打穿隔水岩板或者连通了导水裂隙，通常情况由于水幕系统的存在，锚杆孔的出水量会较大，给锚杆注浆带来了困难，且会对已完成注浆封堵的局部围岩产生二次破坏，给注浆工作增加了难度；并且注浆孔的钻孔也会对隔水岩体产生破坏，同样孔深过大，一旦与上层的水幕形成连通，将增加注浆难度并导致地下水位下降。

针对上述工程中遇到的问题，结合对地下水封洞库渗水特征的分析，在综合考虑满足注浆封堵减少渗水量、维持地下水位稳定兼顾围岩稳定性基础上，提出了注浆与支护的新方式，为维持水封洞库的稳定地下水位和控制洞室渗水量大小提供方法。

1 地下水封洞库工程特点

1.1 岩石整体性好，强度高

地下水封洞库选址首先要满足岩体的完整性，即应选出无深性断层和断裂、裂隙不甚发育的结晶岩体，以保证有足够的可用岩体范围[3]。这些要求决定了其工程地质条件要优于常规隧洞，规避了施工中一些大的地质灾害，如大体积的坍塌、突水突泥等。

1.2 柔性支护为主，不衬砌或基本不衬砌

公路、铁路的隧道采用的支护方式为钢性支护，开挖后锚喷支护只是作为初次支护，在其完成后要进行二次混凝土衬砌，而地下水封洞库柔性支护作为永久支护，只在局部的Ⅳ级岩体和Ⅴ级岩体进行混凝土的衬砌。

1.3 隙存水补，水必不可少

密封性是地下水封洞库存储油品满足运行要求的关键。为满足洞库密封性，岩石裂隙和地下水始终应保持“隙存水补”的关系，而这补足裂隙空隙的水来源于天然地下水和水幕系统产生的人工补水，为了防止在施工过程中地下水位降落过大导致洞室上部岩体裂隙处于无水、少水状态，在主洞室施工过程中水幕始终要保持供水状态。因此水既作为施工期间防治对象(限制渗水量)，也是水封洞库不可或缺的一部分。而在常规的隧洞工程中，水通常都是以首要的致灾因素出现的，是工程建设中重要的防治对象之一。

2 地下水封洞库渗水原因

由于地质构造作用，岩体中存在一些导水通道，在开挖洞室过程中，地下水会沿着这些导水通道渗入洞室内；从水封性原理方面，洞室周围地下水压力大于洞室内部存储油品的压力，因此，洞室外地下水不断向洞室内渗流，同时，为降低施工和运营期成本，又要满足洞室的渗水量尽量小。因此，适当高度的稳定地下水位与尽量小的渗水量成为地下水封洞库水封性评价的重要指标。由于水封洞库的原理是建立在地下水的特性上，因此，了解与分析水封洞库渗水类型与特点是洞室处理渗水的基础。

2.1 水封洞库渗水类型

以黄岛国家石油储备地下水封洞库工程为例，根据出水部位及水量分为裂隙渗水、断层渗水、侵入岩脉面渗水及其他渗水，如表1所示。

表1 地下水封洞库渗水类型统计表(黄岛洞库为例)

第一类，优势节理裂隙渗水。此类渗水部位岩体较完整，强度高、节理裂隙不发育或较发育，渗水主要为少数贯通性较强的优势节理发生，由于出水点较少，渗水形式多为集中渗流，流量为10 L/m2～50 L/m2,当裂隙与水幕孔相交时，会形成较大的压力水。

第二类，断层破碎带渗水。此类渗水部位受断层破碎带的影响，围岩破碎，节理裂隙发育，且有粘土矿物充填，出水点较多，且充填物质的渗透性也较差，此类情况下多为面渗，局部为流水，水量为5 L/m2～15 L/m2。

第三类，岩脉的侵入面渗水。由于后期岩脉的入侵，岩脉的侵入面形成了水力通道，发生渗水，此种情况的流量由侵入岩与母岩的结合情况而定。

第四类，其他情况。在锚喷支护钻孔的过程中，可能会把原始的隔水层或闭合的节理裂隙打通而形成的渗流水，通常情况由于水幕系统的存在，锚杆孔的出水量会较大。

2.2 地下水封洞库的渗水特点

1)预见性差。地下水封洞库的岩性以火成岩为主，岩石的完整性较好，水的附存状态以基岩裂隙水为主，局部断层储水[4]。

2)渗流量小，出水压力低。出水状态以面淋为主，局部集中线状流水，流量小、压力低。对于洞内的集中流水点，流量大约为50 L/h,而对于面渗区域其流量为4 L/(m2·h)～20 L/(m2·h)。

3)可灌性差，停灌标准高。岩体节理裂隙随机性较大，一般网络结构模拟不了，以压扭性为主的断层有泥质填充，充填多为粉—粘性土，张开度较小，吸浆量小，灌浆前后波速变化不明显。在注浆处理的过程中，容易出现预注浆后效果不明显，需要得到反复的后注浆处理。

4)以堵为主，原则上不建议排。地下水封洞库一方面要保持结构稳定性，另一方面保持地下水的稳定性及稳定的补给源。而对于以基岩裂隙水为主的地下水，降雨入渗系数较小，施工过程中一旦流失过多，短时间难以恢复，因此对于开挖施工过程中揭露的渗流水要及时封堵，最小程度保持地下水在施工阶段的流失，原则上不建议排水。

3 渗水治理方法研究

对渗水的治理目前较为常用的方法就是注浆，在开挖前进行注浆为预注浆，开挖后进行注浆的为后注浆。预注浆适用范围主要是已探明的前方有富水构造，水量较大，水压较高。后注浆主要是对已揭露岩面而进行的注浆，针对性较强，但相对于预注浆来说，压力相对较小。对于地下水封洞库来说，由其工程特点可以了解到，其岩石的完整性较好，因此注浆的目的主要为防渗、堵水，在具体的施工过程中，以后注浆为主。

在进行注浆前首先要完成支护，一方面是防止抬动，保证在注浆的过程中结构的稳定，一方面规避了支护的过程中，由于锚杆的施工，对已注浆实现隔水层的围岩，又造成二次破坏。因此支护要兼顾结构稳定与维护地下水稳定为目的。

洞室中存在局部裂隙较发育、不发育或断层破碎带，而锚喷支护在造孔的过程中，可能锚杆造孔会打穿隔水岩板或连通导水裂隙，通常情况由于水幕系统的存在，锚杆孔的出水量会较大，给锚杆注浆带来了困难，且由于隔水岩板的二次破坏，给注浆工作也增加了难度。因此在支护的过程中，要“短锚密布”这样不造成原生的岩体结构发生破坏，然后在注浆的过程中，注浆孔要根据岩体结构面的产状来布孔，孔向和岩体的走向大角度相交，压力可以适当提高。

而针对地下水封洞库的工作原理，注浆的目的就是使浆液形成的结石和岩体共同形成隔水的帷幕，最深层次是控水，因此，注浆孔布设方式也要“短孔密布”，一方面本身注浆孔的打孔也是对隔水岩体的破坏，同样孔深过大，一旦与上层的水幕形成有效的连通，就会由面渗转为局部集中渗水。

4 结语

本文以黄岛地下水封洞库为例，分析得知洞室渗水类型主要有断层渗水与优势裂隙渗水；通过提出注浆堵水中注浆孔“短孔密布”布设方式以及支护中“短锚密布”布设方式，以此避免长孔可能因打穿隔水岩板或者连通导水裂隙所导致的洞室渗水量增大、注浆封堵困难以及地下水位降落的工程风险。