不同埋深情況下地下水封洞庫穩定性分析

一、前言

地下水封洞庫是目前成熟的油氣存儲技術，它利用油水不相混合的特性，在穩定的地下水位以下的完整堅硬巖石中開挖洞室，不襯砌直接儲存，依靠圍巖的承載力和地下水的壓力組成一個封閉的容器，將石油存儲在洞庫中。

地下水封洞庫儲存原油應具備兩個條件：一是巖石堅硬完整，地質構造簡單，二是處于穩定的地下水位以下適當的深度，以保證油品不滲不漏。在洞室開挖前，地下水通過節理裂隙等滲透到巖層的深部并完全充滿巖層空隙。當儲油洞室開挖形成后，周圍巖石中的裂隙水就向被挖空的洞室流動，在洞室中注入油品后，油品周圍會存在一定的壓力差，因而在任一油面上水壓力都大于油壓力，使油品不能從裂隙中漏走，從而達到將所儲油品封在洞內的目的。水封洞庫儲油原理(如圖l所示)。

由于地下水封洞庫對地質條件要求較高，同時又深埋地下一定的深度，洞室在開挖后的圍巖穩定性就要受到埋深的影響。分析洞庫在不同埋深情況下的受力狀況，對于洞庫的設計及施工有重要的指導意義。

二、工程實倒

某地下水封洞庫位于東部沿海地帶，根據勘察資料，庫區巖體為二長花崗巖，洞室斷面為半圓拱直墻斷面，尺寸是：洞室跨度20m，洞室高度為30m，地表標高在110米～330米之間，主洞室拱頂設計埋探為-30m。

三、計算模型建立

圍巖主要為花崗質巖體，巖體節理裂隙不太發育，在宏觀上可視為連續介質體。考慮巖石的性質和變形特性，以及外界因素的影響，本次計算采用彈塑性模型。洞庫屬于細長結構物，即洞庫的橫斷面相對于縱向的長度來說很小，可以假定在圍巖荷載作用下，在其縱向沒有位移，所以其受力狀態可看成平面應變狀態，本次采用ANSYS二維平面應變彈塑性非線性方法對洞庫的圍巖穩定性進行計算分析，計算準則采用Drucker-Prager(D-P)準則。

在巖體中開挖洞室，應力重分布的范圍是有限的，因而計算的范圍也是有限的。實踐和理論分析表明，對于地下洞室開挖后的應力應變，僅在洞室周圍距洞室中心點3～5倍隧道開挖寬度(或高度)的范圍內存在實際影響。在3倍寬度處的應力變化一般在10％以下，在5倍寬度處一般在3％以下。據此，本文的模型的計算邊界寬度取為洞室最大跨度的3倍，模型高度取洞室總高度的3倍。下圖為洞室埋深140m時的模型。

模型計算采用平面4節點等參單元(plan42)模擬，洞距20m的模型共劃分了1272個單元、1376個節點。洞距30m的模型共劃分了1268個單元、1373個節點。(見圖1)

巖體中的初始應力狀態未進行實測，但根據巖體構造形跡及其形成機理分析，主要有巖脈侵入時局部應力場作用造成，而固化后已經釋放。加之庫區及其周圍無區域性大斷裂或活動性斷裂存在，鉆孔巖芯也無發生餅化現象，因此可認為巖體中不存在高初始應力的可能。故本次計算不考慮巖體構造應力。巖體中應力為自重應力場，模型的底部采用豎向約束，邊界為水平約束。

依據地質勘察的測試資料，有限元模型計算采用的物理力學參數見表1所示。

五、計算結桑

采用上述計算模型，參數和邊界條件，對洞室進行了有限元模擬試驗性二維計算，得到的結果如下。對于埋深140m時候的洞室分析，根據計算結果洞庫在x方向上的位移以洞庫中垂線為中心呈左右對稱分布，側墻中部位移較大，但最大值發生在洞趾處。

模型的頂部位移是0.614cm，洞室底板位移0.614cm。壓應力最大值發生在洞室的洞趾處，其次為側墻中部。最大值為2.43MPa。剪應力t，主要發生在洞庫的洞趾處和直墻和拱頂交界等洞庫中曲率較大的部位，最大絕對值為1.87 MPa。

從埋深360m與埋深140m的計算結果來看，洞室的應力、位移矢量方向基本沒有變化，但在數值上都有增大；其它計算指標也有不同程度的增大，這是洞室埋深加大的必然結果，計算結果仍然沒有出現塑性區，說明洞室總體上處于穩定狀態。

六、結論

本文通過對兩種不同埋深情況下洞庫的穩定性有限元計算分析，得出如下結論：

(1)

地下洞庫開挖后，圍巖中的應力發生應力重分布。如果洞庫圍巖重分布應力超過圍巖強度，則圍巖將發生破壞。其破壞機理是圍巖巖體在集中應力作用下，巖體首先發生破碎，破碎后的巖塊沿圍巖中的軟弱面，在剪應力作用下，向洞內產生滑動或轉動坍落。

(2)洞庫圍巖的穩定性，一方面取決于洞庫周邊圍巖應力集中情況，另一方面取決于巖體強度和變形特性。若洞庫圍巖強度能夠足以阻止圍巖在集中應力作用下，裂隙擴展和松動范圍擴大，則圍巖很快進入穩定狀態。

(3)根據有限元分析結果，兩種不同埋深的洞室在開挖后圍巖處于穩定狀態，洞庫四周圍巖的位移量均較小，都在巖體的彈性變形范圍以內，重分布后的應力也都在巖體的強度范圍之內。

作者簡介：

姓名：高飛，性別：男學歷：大學本科，出生年月：1970年11月生，籍貫：山東淄博，職稱：工程師，研究方向：工程技術研究方向