某地下石油儲備庫穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

王福海+譚黎中

摘要：地下石油儲備庫是由很多小洞室組成，在修建地下石油儲備庫的過程中，每個洞室之間相互影響，群洞室的開挖造成其圍巖穩(wěn)定性更差，為了研究地下儲備庫洞室群開挖后的變形特征、評價洞室的穩(wěn)定性、指導洞室空間布置，本文以某地下石油儲油庫為研究對象，采用有限元分析技術，結合相鄰地區(qū)中獲得的初始地應力資料以及場區(qū)地質(zhì)資料，對地下石油儲備庫洞室開挖后的變形特征進行分析。

關鍵詞：有限元；儲備庫；圍巖；數(shù)值模擬

引言：地下石油儲備庫為穩(wěn)定供求關系、保障國民經(jīng)濟的安全快速發(fā)展具有十分重要的意義，隨著我國石油進口量的不斷增加，在分布花崗巖、熔結凝灰?guī)r等優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定巖性區(qū)域建造地下石油儲備庫，無疑是一種綜合經(jīng)濟效益良好的方案。石油儲備庫洞室群的穩(wěn)定性分析評價是影響儲庫設計的重要因素，決定了儲庫的設計重點和洞庫建成后的工作狀況，同時也為洞室群的優(yōu)化設計提供了依據(jù)，相對于較多的關于水利工程中巖體穩(wěn)定性的研究，我國對于地下儲油洞庫巖體的穩(wěn)定性研究顯得很多不足，由于影響地下儲油洞庫巖體穩(wěn)定性的因素比較復雜，而且儲庫運營中圍巖狀態(tài)不易監(jiān)測，故本文采用有限元分析法對擬開挖儲備庫洞室穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析具有很強的科研價值和實際意義。

1 場地工程地質(zhì)條件

某地下石油儲備庫位于我國西南地區(qū)，區(qū)內(nèi)地形西高東低，地勢總體相對平緩，場區(qū)出露元古界上昆陽群、震旦系、中生界和新生界地層，其中華力西期（γ4）花崗巖廣泛出露，根據(jù)風化程度，由地表向下可分為全-強風化中細粒花崗巖、中風化中細粒花崗巖和微風化中細粒花崗巖，地下石油儲備庫位于微風化中細粒花崗巖中，長1400m、寬325m、面積455000m2，根據(jù)鉆探揭示該部分花崗巖巖體裂隙較發(fā)育，巖芯以大于10cm的短柱狀、柱狀為主，局部為碎塊狀，RQD值在55.3%～96.6%之間。

2 模型建立及參數(shù)選取

2.1模型范圍。由于本勘察階段缺少大比例的測量圖件，本次計算模型在1：10000地形圖基礎上進行概化剖面的選取。模型所采用的直角坐標系以南北向為X軸，并以東向作為X軸正向；以垂直高程為Y軸，從坡內(nèi)指向坡外為Y軸正向，具體模型范圍如下：模型X方向：以山頂向南側延伸到果興左附近，長度1400m；模型Y方向：模型盡可能的考慮地形完整，初步設想地下洞室頂板標高1625m，為了盡量消除邊界效應，洞室以下考慮1～1.5倍埋深，模型Y方向總長325m。

2.2模型概化。考慮到模型的復雜性和建模的可行性，本計算模型在建立過程中對地質(zhì)原型進行了一定的簡化，不考慮構造條件，只考慮風化層等巖體材料，因此數(shù)值計算中將巖體材料概化為三層：全-強風化層、中風化層、微風化層；考慮群洞效應，共建有8個地下洞室，洞室大小為20m×30m，儲油洞室凈間距為70m，建立后的模型如圖1所示。

2.3巖體物理力學試驗參數(shù)

為了研究地下洞庫開挖后變形特征，數(shù)值模擬中假定巖體由均質(zhì)各向同性、彈性材料構成，不考慮地下水的作用。其巖土體參數(shù)取值如表1所示。

表1巖體參數(shù)取值表

3洞室開挖后變形特征分析

洞室開挖后圍巖應力分布較天然狀態(tài)下變化較大，圍巖為適應這種新的應力狀態(tài)，將發(fā)生一定程度的變形甚至破壞。圖2至圖5展示的是洞室開挖后圍巖各部位的變形特征及其發(fā)展趨勢，從中可以看出，工程開挖對洞室變形有比較明顯的影響，具體表現(xiàn)有以下幾點：

⑴ 從洞室開挖后總位移分布特征圖2可見，洞室圍巖的變形主要發(fā)生在洞室群兩側，整體表現(xiàn)為有巖體內(nèi)部向開挖臨空方向產(chǎn)生位移，最大位移值達到8.40mm；變形集中區(qū)域主要分布在洞室圍巖范圍內(nèi)，影響范圍為1-1.5倍洞高。

⑵ 從洞室圍巖X向位移分布特征圖3可見，洞室開挖后，圍巖在X方向上的位移主要方位為巖體內(nèi)部向開挖方向，最大達到8.40mm，最大值位置出現(xiàn)在洞室群兩側；各個洞室之間水平位移較小，多為2.1mm。

⑶ 從洞室圍巖Y向位移分布特征圖4可見，洞室開挖后，整個洞室在Y方向上的位移值是比較小的，方向同樣表現(xiàn)為向著開挖臨空面，最大達到4.00mm，位移主要都是集中在洞室的上下側壁位置，并隨著埋深增大而表現(xiàn)出量值增大的趨勢。

⑷ 圖5為洞室開挖后圍巖內(nèi)剪應變增量分布特征，可見，洞室開挖后在圍巖范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的剪應變增量分布，影響范圍為1.5倍洞高。但是洞室開挖后圍巖未受剪切與拉張破壞，沒有明顯的塑形破壞區(qū)，說明洞室群開挖不會形成貫通的破壞區(qū)域。

結論：綜上所述，洞室開挖后在無支護的條件下，圍巖的應力分布受到較大的調(diào)整，主要表現(xiàn)為：洞室開挖后，在洞室周邊主要表現(xiàn)為最大主應力的釋放降低，都出現(xiàn)了應力值較低的區(qū)域，相對于初始應力值應力釋放了0.2～2.5MPa，在洞室群兩側處和邊角處，壓應力集中較為明顯，整個洞室圍巖無最大主應力拉應力區(qū)出現(xiàn)。同時，開挖后在無支護的條件下，圍巖的變形趨勢表現(xiàn)比較明顯，整體表現(xiàn)為有巖土內(nèi)部向開挖臨空方向產(chǎn)生位移，最大位移值達到8.40mm。因此，洞室圍巖在上述應力條件和變形趨勢下，容易在頂部發(fā)生張剪破壞，造成洞頂坍塌或掉塊破壞；在側壁則容易發(fā)生壓剪破壞，造成巖體崩裂等破壞。計算結果顯示在洞室圍巖的變形量值都比較小，洞室在開挖過程中圍巖出現(xiàn)大變形的可能性較小，而且洞室群之間未出現(xiàn)明顯的塑形破壞區(qū)，未發(fā)生剪切與拉張破壞，說明模擬中洞室的大小的選擇和洞室間距的選擇是比較合理的。

參考文獻

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