地下水封洞庫不設人工水幕系統可行性探討

彭振華，李俊彥，楊森，王金昌，王敬奎

（中海油石化工程有限公司，山東 青島266000）

1 引言

地下水封油庫相比于其他石油儲備方式具有占地少、安全性高和經濟效益好等優點，已成為世界各國石油儲備的首選方式。圍巖穩定性和水封可靠性是地下水封洞庫儲油研究中的重點內容。為保證圍巖穩定性，地下洞庫大多建造在巖體性質較好的結晶巖體中[1，2]；為保證水封可靠性，地下洞庫多埋置在地下水位下方一定位置處，且通常設置水幕系統來補給地下水[3]。本文分析了人工水幕系統的作用原理，探討了在一定地質條件下建設地下水封洞庫不設置人工水幕系統的可行性，并提出了不設置人工水幕系統的必要條件，對今后我國類似地下水封洞庫水幕系統的布設具有一定的參考價值。

2 水封原理及人工水幕系統概況

地下水封洞庫大多建造在致密、物理力學性質優越、完整性好和化學性質穩定的巖體中。地下洞庫開挖后，洞庫圍巖中包含有各種成因的裂隙，地下水位以下的裂隙被地下水充填，即利用巖石和水共同組成容器，通過較大的水壓力將油氣封存于石洞中，并不使油、氣向洞庫外部滲漏。

在一定地質條件下，為防止油氣外溢，通常在地下洞庫上方設置水幕系統以保證在地下洞庫上方有一定厚度的穩定水蓋層。水幕系統的布置形式一般為水平水幕與垂直水幕2 種，兩者均為在主洞庫上方一定高度布置水幕巷道，分別在水幕巷道兩側沿水平方向和底部沿垂直方向鉆取水幕孔，通過向水幕巷道充水達到給水幕提供壓力的目的（見圖1）。

圖1 水幕系統布置圖

3 人工水幕系統存在的問題

地下水封洞庫對地質的依賴性遠大于其他地下工程，洞庫圍巖的巖體滲流具有明顯的各向異性，由于其圍巖性質特殊，加之高跨比較大，仍然采用傳統的鉆爆法施工，鉆爆法對巖體完整性有著極大程度的破壞。因水幕巷道長度較大，距離儲油洞室較近，水幕孔數量較多，因此，必然形成了人為地制造的裂隙系統，從而造成對儲油洞庫圍巖的累進性破壞（見表1），新形成的裂隙會增加儲油洞庫圍巖中的裂隙連通性，使巖體的滲透性變強，儲油洞庫的滲水量增加，從而增大水資源、能源的消耗，導致運營費用的增加。

表1 洞庫圍巖開挖累進性破壞類型表

4 不設置人工水幕系統的探討

4.1 地下水補給、徑流與排泄條件

4.1.1 補給條件

某洞庫所在地區雨量充沛（年降雨量為2000～2700mm），植被十分發育，加之上部構造裂隙連通性好，這些條件均將有利于大氣降水的垂直滲入補給。另外，當進入枯水期地下水位必將下降，此時，庫區附近水庫和位于庫區的多處魚塘、溝、溪等地表水體亦可成為地下水的少量補給源。

4.1.2 徑流、排泄條件

洞庫所在地的山體溝谷切割深度較大，從而導致地形起伏、溝谷坡降比均較大，呈現出開挖前后不一致的徑流、排泄條件。

1）開挖前：呈現出：補給、徑流與排泄條件的短程循環，網狀裂隙水流失較快較多的態勢。溝谷水流既接受大氣降水補給（次要），又接受網狀裂隙水補給（主要）。網狀裂隙水沿地勢高低就近以潛流形式排泄，局部以泉或滲流形式在坡腳或低洼地段外溢。

2）開挖后：補給、徑流、排泄發生了顯著變化。徑流路程系經網狀裂隙水→脈狀裂隙水→拱頂、側墻出水點→泵坑；另一條路徑為：網狀裂隙水→施工巷道儲水體→脈狀裂隙水→拱頂、側墻出水點→泵坑。

洞庫的水封條件優劣是決定是否設置水幕的至關重要條件。這與地下水的滲透性、垂直變化規律以及上部水蓋層的穩定補給程度密切相關。

4.2 洞庫圍巖滲透性

地下水封洞庫圍巖體滲透性具有明顯的垂直分帶性。在區域水文網排泄作用較強的網狀裂隙水分布地段產生特別強烈的水交替作用。而巖體裂隙隨深度的增加而減弱，水文網的排泄影響也逐漸減小，因而水交替的積極程度也降低下來。含水體的裂隙性質也隨之產生互相連通的裂隙系統（網狀）轉化為孤立的水交替接近停滯的脈狀水。根據水交替程度和含水類型（見圖2），某洞庫大致可分出如下3 帶。

1）迅速交替帶：網狀裂隙潛水，具有統一地下水面，分布比較均勻，滲透系數約≥10-3cm/s，接受充沛的大氣降水補給，沿水文網排泄，水交替迅速，其分布范圍大體為10～60m。

2）緩慢交替帶：網狀裂隙水分布比較均勻，水交替緩慢。滲透系數約在10-3～10-5cm/s，它相當于含水類型由網狀轉化到脈狀的過渡地帶（或稱網脈組合帶），其厚度大體約為40m，局部可達100m。

3）停滯交替帶：本帶主要分布脈狀水，與上帶銜接并接受上帶水補充。脈間缺乏水力聯系。水基本處于停滯狀態。這一帶的不含水裂隙均屬不開啟裂隙。某庫的停滯交替帶中的斷裂規模不大以及侵入體（二長花崗巖）對圍巖的破壞程度也不強烈，但其埋深較大，儲油主洞室大部分都處于這一帶巖體中。

圖2 某洞庫圍巖裂隙組合形式

4.3 水封條件的評價

良好的水文地質條件為較好的水封條件提供了物質基礎。某地下水封洞庫在施工過程中，地下水滲流場雖有較大改變，但其主洞室拱頂以上仍能保持20～32m 的水層厚度。雖然地表地形切割較劇烈，導致網狀裂隙含水體的水資源流失不少。但是當地供水無工業需求，各項用水量均不高，因而可以保證天然水封的成功實施。

4.4 不設置人工水幕系統的條件

通過對場區圍巖滲流補給條件的分析，以及洞庫場區圍巖裂隙滲透性的識別，可以得出地下水封洞庫場區具備不設人工水幕的基本條件如下：

1）庫區水資源豐富。庫區內有較大的外部補給并且地下水資源豐富，對某洞庫所在地的花崗巖區域進行了水資源論證，得出在論證范圍內可開采的地下水資源量為3888m3/d。同時調查了論證范圍內用水狀況。洞庫區域生活工業地下取水及洞庫用水合計約1500m3/d。洞庫附近各村莊現狀及近期生活用水均取自溝谷中水流。其水源主體為網狀裂隙水，其次為大氣降水，洞庫場區地下有充足的地下水資源。

2）嚴格封堵洞室圍巖滲水。封堵工作對保證一個洞庫的水封可靠性至關重要。洞庫施工過程中洞室圍巖裂隙較小的出水點較難封堵，不僅要求注漿液質量高（配合比尤其重要），而且施工工藝也必須嚴格，否則可能會事倍功半。

為保證注漿封堵效果，應做好以下工作：（1）提出科學的封堵標準，根據規范或者參照已建洞庫的經驗值；（2）須全過程檢查封堵施工質量，對于超標滲水點重復封堵。

3）選擇合理的滲透試驗。目前，地下洞庫大部分建設在結晶巖體中，無論其補給如何充分，但由于其裂隙發育規律限制，其滲透性自上而下總是有規律的。滲透系數從上部的10-3～10-4cm/s到0～-50m 之間的10-8～10-9cm/s。后者是洞庫建設所關注的。在這樣一種弱透水的巖體之中，最好保持其原有裂隙特性。須根據滲透試驗的深度及巖體的性質選擇合理的滲透性試驗方式。

5 結論與建議

本文探討了地下水封洞庫人工水幕設置的優缺點，并探討了地下水封洞庫不設置人工水幕系統的可行性，得到以下結論建議：

1）人工水幕系統會導致地下水封洞室開挖過程中圍巖的累進性破壞加大及圍巖裂隙滲水量的增加；

2）在一定的地質和外部補給條件下，地下洞庫不設置人工水幕系統是可以實現水封可靠性的；

3）現場滲透試驗宜采用不破壞巖體完整性的滲透試驗手段如注水試驗。同時為保證水封可靠性，應嚴格做好主洞室的注漿封堵工作。