地下水封洞库水幕孔渗控处理及效果分析

摘要：

为研究地下油气储存洞库水幕孔渗控处理方法及效果，结合实际工程案例，通过渗流计算分析，预测工程巷道充水情况及不同水位条件下的渗水量，在现场开展水幕孔示踪和渗控处理试验，分析灌浆前后围岩渗透特性。采用三维渗流数值分析方法，研究了施工期地下水封石油洞库的渗流场及涌水量受水位初始高程和水幕供水压力的影响，结果表明：主洞室洞壁（含顶板和底板）揭露的裂隙与结构面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔补水压力降低和水幕孔的渗控处理可以大幅减少洞库的涌水量；现场开展水幕孔示踪试验可为下一步洞室注浆及渗控方案提供依据；结构面灌浆对围岩渗透性的密封效果得到验证。

关键词：

地下水封洞库； 渗控处理； 水幕孔； 渗透性； 数值计算

中图法分类号：TE972

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.013

文章编号：1006-0081（2023）04-0076-06

0 引 言

石油的储存方式主要分为地上钢罐、土中罐、覆土罐和地下洞库等［1］。其中，地下油气储存洞库因安全、环保、经济，成为油气储备的首选方式［2］，但基础应用理论和工程实用经验方面还较薄弱。如山东黄岛库、辽宁锦州库、广东惠州库等第一批国内大型石油洞库建设，都是在必要的技术标准和建设标准尚不完善的情况下，直接进入工程实践阶段［3-5］。尤其对于渗控处理，在规范、文献和技术认识方面非常有限。结合实际工程建设案例总结有利于地下水封洞库渗控的系列措施，可为今后类似工程提供理论及实践参考。

地下油封洞库施工过程中常遇透水裂隙，裂隙突然透水可能导致整个洞库渗水量急剧增加，相关工程处理措施很难达到理想效果，易出现堵好后渗水偏移现象，还可能导致地下水位大幅下降的不利局面，洞庫渗水量预测成为水封效果评价的核心内容［6］。对于大型石油洞库，库区面积范围超过1 km2，现有的勘测和检测手段不具备提前查明主要渗水裂隙能力。GB 50455-2008《地下水封石油洞库设计规范》中提出“渗水水量每 100万m3库容不宜大于100 m3/d”。目前对岩体渗流的分析手段仍基于等效连续介质思路，而针对岩体中的结构面裂隙网络的概化和渗透性问题还缺乏有效测试手段，导致所采用的模型、参数和分析方法与洞库岩体渗流的实际情况间存在差异［7-10］，不能满足实际工程需要。本文结合实际工程案例，通过渗流计算与分析，得出本工程巷道充水情况及不同水位条件下的渗水量，为后续渗水处理工作和污水处理设计提供依据。

1 工程概述

本地下水封洞库位于广东省廉江市良垌镇西南8 km处，洞库设计库容500万m3。地下工程主要包含3条施工巷道、10个主洞室、16个竖井及8条水幕巷道。洞库场区属波状平原及滨海地带，剥蚀残丘地形，库区自然高程为-0.49～35.23 m。库区内的地层岩性主要以燕山中晚期煌斑岩脉、花岗伟晶岩脉、长英质细脉等各种岩脉为主。库址周边发育3条水系（图1），库址南侧发育的西河自西向东径流入海，河面宽约200 m，水面高程0～1 m，水深3.0～5.0 m，水位受潮汐影响较大，离洞库最近距离约0.59 km；库址东侧发育的东河呈北东向展布，河面宽约180～540 m，水面高程0～1 m，离洞库最近距离约1.95 km；东河与西河交汇口位于库址西南侧，水面高程0～1 m，离洞库最近距离约1.3 km；库址西侧发育的排干河，呈南北向展布，水面宽度10～20 m，水面高程不详，离洞库最近距离约1.34 km。库址区处于南方富水沿海平原地区，主洞室埋深在海平面以下80～110 m，地表水丰富。库址区裂隙多为张性裂隙，导水性强，连通性好，洞室底板渗水多为脉状承压地下水。

对各主洞室顶拱与边墙所有渗水部位的渗水进行实测，绘制施工期洞室涌水量历史变化曲线。由图2可知，2017年初前，施工巷道开挖过程中洞室的总涌水量约6 000～6 500 m3/d；2018年初主洞室顶层开挖基本完成，中、下层开挖过程中，洞室的总涌水量达到峰值，约8 000～9 000 m3/d；2018年10月至2022年，随着对主洞室与巷道的渗水处理，洞室总涌水量降至约2 600～3 000 m3/d，施工期洞室总涌水量远超前期测算。

2 渗控处理难点及要求

根据工程地质及水文地质条件调查，实际揭露的渗水结构面数量多、分布范围广、延伸长，局部洞段发育密集，多为张性裂隙，其导水性强、连通性好、渗水量大，需进行注浆处理，处理工程量及难度大；Ⅲ级、Ⅳ级地质结构面与其他渗水结构面相互交错连通，优势方向不明显，裂隙宽度不一，渗水不规律，渗控处理难度大；洞室底板渗水多为脉状承压地下水，相当于在压力水条件下进行渗控处理，是渗控工程的难点；受洞室开挖疏水影响，靠近洞室的观测孔水位持续较低；因水文地质条件复杂，按现有渗控处理工艺与技术水平处理后，渗控工程处理量与处理时间增加。

根据详勘成果和国内外同类工程围岩裂隙渗水处理的相关经验，确定了裂隙渗水处理的原则、措施与标准。其中，渗水处理以涌水量控制为原则，处理后的洞灌表面允许有渗水点，但不应有线流和漏泥砂，平均渗水量应不大于2 L/（m2·d），任意100 m2的平均渗水量应不大于4 L/（m2·d）。以具有水流或连续滴水的断层为重点进行注浆封堵，尽可能减少地下水位降落值。为减少毛细裂隙水的释放量，对洞室表层采用喷混凝土处理，对面状或斑状湿润状况出流的裂隙不进行注浆封堵。为控制洞底有压流并有效减少洞库渗漏水量，在主洞室底板铺设一层厚0.1 m的C15素混凝土。为预防西河与库区存在较强的水力联系通道而造成涌水、突水事件，开挖过程中根据实际揭露的地质条件适时进行防渗帷幕施工。

3 洞室涌水量数值分析与预测

3.1 数值模型

为研究地下水封石油洞库的渗流场及涌水量，采用三维有限差分法对整个场区进行建模分析，同时考虑水幕巷道和主洞开挖后地下水非恒定渗流过程对地下水位的影响。三维数值模型的原点为主洞室一西南角，Y轴正方向为北偏东10°，高程与实际高程一致；三维数值模型的大小为1 900 m×2 000 m，库区位于数值模型中间，东西南北模型边缘4个方向距离库区约500 m左右；模型最低高程为-270 m，洞库顶部最大高程-80.0 m，洞库底板高程-110.0 m；洞库区存在3条较大规模的断层，分别为F1，F2和F3，考虑到F1穿过洞库区外北边，且F1处水位稳定，三维数值计算模型只考虑F2和F3对渗流场影响，同时考虑洞室周围对渗流影响较大的105条裂隙，见图3。数值模型共有416 812个节点，剖分了1 374 147个单元，见图4。

3.2 水力学参数及计算工况

当钻孔钻进至微风化层3 m时进行提水试验，试验得到的渗透系数值维持在10-2～10-3 m/d，该值为中风化及以上岩土体渗透系数，前期该层地下水数值模拟计算时采用值1.728×10-2 m/d。施工期水幕孔注水-回落试验成果汇总得到水幕孔的平均渗透系数约为1.728×10-2 m/d，与前期勘察成果基本一致。因此本次计算选取的中风化及以上岩土体渗透系数为1.728×10-2 m/d。从钻孔的压水试验成果来看，微风化岩体的渗透系数大多集中在10-3～10-2 m/d，极少量达10-4～10-6 m/d，且大多数的钻孔在-70～-80 m标高处，渗透系数达到最大值10-1 m/d，说明洞库区-120 m标高以上导水构造较发育，尤其是-70～-80 m标高部位。勘测期洞库涌水量分析预测时，渗透系数取值9×10-4 m/d，本次计算微风化岩体渗透系数也取为9×10-4 m/d。为计算地下水位供水压力对渗水量的影响，具体计算工况设计见表1。

施工期對注浆孔进行了简易压水实验，根据对试验成果的汇总分析，得出不同等级结构面灌浆前、后的综合透水率。计算模拟时，对结构面透水率进行概化处理，即对不同等级结构面的透水率按表2取值。

3.3 涌水量及地下水位形态分析

3.3.1 水幕孔高压补水条件

计算分析水幕孔高压补水条件下涌水量及地下水位形态。考虑模型的对称性，模型四周为隔水边界，施工期水幕廊道边界孔隙水压力为 0，水幕孔内注水压力变化不考虑大气降水补给。工况1初始地下水按主洞室顶层开挖完成时的实际地下水位观测值拟合确定。考虑910个水幕孔未封堵，实际补水压力为0.5 MPa。施工期水幕巷道及施工巷道内未充水。工况1计算结果表明：洞库总涌水量约16 989 m3/d，其中1号和6号主洞室涌水量分别为2 006 m3/d和2 249 m3/d，为渗漏量最大的两个洞室；2，3，4号和8号主洞室涌水量分别为1 049，1 499，1 423 m3/d和1 465 m3/d，单洞涌水量相对较少；5号、7号和9号主洞室涌水量为1 724 m3/d、1 996 m3/d和1 876 m3/d。主洞室洞壁（含顶板和底板）揭露的裂隙与结构面越多，涌水量越大，例如1，5，6，7号主洞室。图5～6为工况1条件下5号主洞室剖面和中间横截面（Y=450 m）孔隙水压力分布图。由图可知：裂隙分布的不均匀性导致水压力分布不均，由于水幕孔补水压力较高（达到0.5 MPa），水幕巷道高程附近岩体中的水压力显著高于主洞室顶部岩体中的水压力，同时补水导致裂隙水幕巷道上方局部位置岩体水位出现较大幅度上升，洞室周围岩体整体处于饱和状态。

3.3.2 水幕孔中压补水条件

计算分析水幕孔中压补水条件下涌水量及地下水位形态。工况2初始水位按目前实际地下水位观测值拟合，地下水位面最低点为-42.5 m。计算过程中考虑部分水幕孔已封堵，实际补水压力为0.3 MPa。水幕巷道及施工巷道内未充水。工况2计算结果表明：洞库总涌水量在1 061 m3/d左右，1，4号和5号主洞室涌水量超过110 m3/d，分别为117，115 m3/d和110 m3/d；2号与3号主洞室涌水量约为86 m3/d和85 m3/d，6号和7号主洞室涌水量分别为108 m3/d和104 m3/d；8号和9号分别为97 m3/d和99 m3/d；10号主洞室涌水量最大，为140 m3/d。在现有实测水位条件下，水幕孔补水压力从0.5 MPa降低到0.3 MPa，储油主洞室的计算涌水量与工况1相比出现大幅度降低，洞库总涌水量仅为工况1的6.2%。这说明地下水位的降低、水幕孔补水压力降低和水幕孔的渗控处理可大幅度减少洞库涌水量。图7～8为工况2条件下5号主洞室剖面和中间横截面（Y=450 m）孔隙水压力分布。从图中可知裂隙分布的不均匀性导致水压力分布不均，由于水幕孔补水水幕巷道高程附近孔隙压力较主洞室顶部岩体中的水压力更大，但由于出水压力相对较低，地下水沿导水结构面上升的高度有限，因此计算结果显示地下水位面相对平缓，洞室周围岩体处于饱和状态。

4 水幕孔渗控处理过程及效果分析

4.1 水幕孔有效性试验

根据施工期水幕孔注水-回落试验成果，孔内的岩体渗透性以10-1 m/d（弱透水10-7 m/s≤k＜10-6 m/s）和10-2 m/d（微透水10-8 m/s≤k＜10-7 m/s）两个数量级为主，见图9。每个水幕孔分别通过水幕孔压力曲线形态分析与各阶段波动指数分析，将其划分为正常孔、低效率孔或潜在低效率孔，针对本库址区单孔注水回落试验揭露的水幕孔渗透系数普遍较大现象，在孔间连通性好的区域进行补孔，以避免在围岩较为破碎区域的孔内排泄较大。对于不连续分布的低效率孔，若该低效率孔与两侧正常孔的压力曲线无相同变化规律，则在两侧补孔，否则只在无相同规律的一侧补孔即可；对于连续分布的低效率孔，在每个低效率孔之间补孔；通过判断两端的低效率孔与正常孔的圧力曲线是否有相同变化规律决定是否补孔。本工程共计补孔63个，补孔率6.8%。

4.2 水幕孔示踪试验

为验证大流量水幕孔与施工巷道和主洞室的水力联系，并为下一步洞室注浆及渗控方案提供依据，2018年9月开始，对设计要求的水幕孔进行示踪试验。试验采用的示踪剂均为无毒环保的有机材料（呈绿色），为保证注入的均匀性及一定的注入量以取得预期的效果，试验设备采用注浆机。

试验过程对C101，C102，F209，F213，F218，F263和F269共计7个水幕孔进行了示踪试验，试验成果如表3所示。

4.3 水幕孔渗控处理试验

因水幕孔深度较大，为尽量达到渗控处理效果，开展了水幕孔渗控处理试验。根据施工期主洞室布置的注浆孔简易压水试验成果，Ⅲ级、Ⅳ级结构面出露的洞段或区域透水率基本在2～10 Lu之间，渗透系数为10-2 m/d；部分区域透水率超过10 Lu，渗透系数不小于10-1 m/d。试验过程中，发现试验孔下方洞室有水泥浆液渗出，试验前后观测并记录了洞室的渗水变化情况，具体見表4。基于试验进一步优化了水幕孔渗控处理的工艺与参数，检验了渗控处理效果。

5 结 论

结合实际工程案例，通过渗流计算与分析，预测工程巷道充水情况及不同水位条件下的渗水量，现场开展水幕孔示踪和渗控处理试验，分析灌浆前后围岩渗透特性，得到如下结论。

（1） 采用三维渗流数值分析方法，研究施工期地下水封石油洞库的渗流场及涌水量受水位初始高程和水幕供水压力的影响，结果表明：主洞室洞壁（含顶板和底板）揭露的裂隙与结构面越多，涌水量越大，地下水位和水幕孔补水压力降低及水幕孔的渗控处理可大幅度减少洞库的涌水量。

（2） 总结本工程中渗控处理的技术难点及相关要求，为验证大流量水幕孔与施工巷道和主洞室的水力联系，现场开展水幕孔示踪试验，测试结果为下一步洞室注浆及渗控方案提供依据，并通过水幕孔注水-回落试验验证了结构面灌浆对围岩渗透性密封效果的影响。

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（编辑：唐湘茜，张 爽）

Seepage control treatment and effectiveness analysis for water curtain holes in underground water-sealed cavern

CHEN Zongguang

（ Powerchina Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410014，China）Abstract：

In order to study the treatment method and effect of water curtain seepage control in underground oil and gas storage caverns，the water filling condition of engineering roadway and seepage discharge under different water level conditions were predicted by seepage calculation and analysis combined with practical engineering examples.The permeability characteristics of surrounding rock before and after grouting were analyzed through field tests of water curtain hole tracing and seepage prevention.The influence of initial elevation of water level and water supply pressure of water curtain on seepage field and water inflow of underground water-sealed petroleum cavern during construction period was studied by using three-dimensional seepage numerical analysis method.The results showed that the more cracks and structural plane exposed in the main chamber wall （including roof and floor），the more water inflow；By reducing the water pressure of the water table and the water curtain hole，and treating the water curtain hole with anti-seepage，the water inflow can be greatly reduced.Field water curtain hole tracer test can provide basis for the next grouting and anti-seepage scheme.The permeability sealing effect of structural plane grouting on surrounding rock was verified.

Key words：

underground water-sealed cavern； seepage control treatment； water curtain hole； permeability； numerical calculation

收稿日期：

2022-06-23

作者简介：

陈宗光，男，高级工程师，硕士，主要从事深部岩体工程灾害防控的理论研究及实践工作。E-mail：214228741@qq.com