水封石油洞庫(kù)區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程分析

水封石油洞庫(kù)區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化過(guò)程分析

0聯(lián)合研究及數(shù)值分析方法地下水開(kāi)采儲(chǔ)水庫(kù)是原油儲(chǔ)備的方法之一，在中國(guó)已進(jìn)入實(shí)施階段。地下水封油庫(kù)的原理是利用洞室周邊巖體裂隙水壓力與洞庫(kù)中的油壓力之差封存洞庫(kù)中的原油。因此為達(dá)到良好的水封效果,地下水封油庫(kù)必須布置在某一穩(wěn)定的地下水位線以下,以保證洞庫(kù)邊墻和底板裂隙巖體中的水壓力大于洞庫(kù)中相應(yīng)位置處的儲(chǔ)油壓力。洞庫(kù)區(qū)地下水位的變化與洞庫(kù)初始地下水位、洞庫(kù)開(kāi)挖過(guò)程及油庫(kù)運(yùn)行方式等密切相關(guān)。洞庫(kù)上方巖體內(nèi)的地下水位變化在施工期和運(yùn)行期都將經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的變化過(guò)程,文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)寧波石浦水封油庫(kù)1976年7月—1978年7月地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析后也證實(shí)了這一情況。同時(shí)文獻(xiàn)還明確地指出運(yùn)行期水封油庫(kù)罐體周?chē)嬖谝粋€(gè)地下水的降落漏斗,而且漏斗曲線隨罐內(nèi)液面的高低而變化。洞庫(kù)區(qū)出現(xiàn)的降落漏斗一般源于施工期洞室開(kāi)挖處理不當(dāng)而在洞室頂部形成降落漏斗,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致洞室周?chē)严端韪?。洞?kù)周?chē)鷰r體中的降落漏斗過(guò)大和水體疏干嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致水封條件的喪失。由于洞庫(kù)區(qū)巖體滲透性一般較小,洞庫(kù)水封條件喪失后再恢復(fù)將是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)過(guò)程。因此在施工期應(yīng)采取相應(yīng)的裂隙水保護(hù)措施以避免洞庫(kù)周?chē)鷰r體中的水體被大范圍疏干。文獻(xiàn)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料的分析證實(shí)了在長(zhǎng)期空庫(kù)排水條件下儲(chǔ)油洞庫(kù)拱頂以上還保持了一定厚度的水柱。文獻(xiàn)利用三維非恒定流數(shù)值方法研究了惠州和湛江地下水封油庫(kù)的地下水變化情況,結(jié)果表明洞庫(kù)上方巖體內(nèi)的水體在長(zhǎng)達(dá)3a的施工過(guò)程中也不會(huì)被完全疏干。由此可見(jiàn),關(guān)于洞庫(kù)區(qū)上方巖體中地下水位存在形態(tài)的認(rèn)識(shí)存在兩種觀點(diǎn):一是洞庫(kù)上方存在明顯的與洞庫(kù)邊墻相連接的地下水位降落漏斗曲線,這也是采用解析解方法求解洞庫(kù)流量的前提;另外也有文獻(xiàn)指出洞頂上方不存在降落漏斗曲線。從相關(guān)文獻(xiàn)的論述來(lái)看,這兩種觀點(diǎn)都有各自的充分依據(jù)。在中國(guó)目前大型水封油庫(kù)建設(shè)的起步階段,需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行充分的論證和研究。這兩種看似矛盾的觀點(diǎn)是否意味著洞庫(kù)上方巖體中的水體被疏干有可能存在一定的前提條件,而非在任何情況下都會(huì)被完全疏干呢?要全面認(rèn)識(shí)這一問(wèn)題,需要弄清楚洞庫(kù)周?chē)臐B流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布,而解析法是不能給出滿意的解答的;數(shù)值分析方法則可以較好地模擬水封油庫(kù)巖體滲流場(chǎng)變化和洞庫(kù)區(qū)地下水位變化過(guò)程?？紤]到洞庫(kù)區(qū)地下水位存在形式是洞庫(kù)水幕系統(tǒng)設(shè)置的重要依據(jù),本文以黃島水封石油洞庫(kù)的水文地質(zhì)條件為依據(jù),嘗試采用非恒定流數(shù)值方法對(duì)不同情況下的儲(chǔ)油洞庫(kù)區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行探討,以期為水封石油洞庫(kù)工程中水幕系統(tǒng)的合理決策提供參考依據(jù)。1洞庫(kù)建巖滲流的邊界目前中國(guó)擬建的4個(gè)大型地下水封石油洞庫(kù)施工期基本都安排在3a左右。考慮到洞庫(kù)開(kāi)挖的過(guò)程性,洞庫(kù)區(qū)地下水位變化將始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中;地下水位變化過(guò)程實(shí)質(zhì)上也反映了洞庫(kù)區(qū)巖體飽和非飽和滲流的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程,而這個(gè)過(guò)程可以采用飽和非飽和非恒定流理論加以分析。巖體飽和非飽和滲流本構(gòu)關(guān)系仍采用達(dá)西定律。洞庫(kù)區(qū)巖體非恒定滲流偏微分方程形式如下:式中H為巖體裂隙中的總水頭;Kx和Ky為x和y方向的滲透系數(shù);w為源匯項(xiàng);us為儲(chǔ)水率,t為時(shí)間。巖體非恒定滲流有限元方程為式中[K]為單元特征矩陣;[M]為單元質(zhì)量矩陣;{Q}為節(jié)點(diǎn)流量向量。有限元方程求解結(jié)合以下邊界條件進(jìn)行:式中S1為已知水頭邊界;S2為已知流量邊界。目前大多數(shù)學(xué)者在滲流分析時(shí)對(duì)洞庫(kù)邊界條件都概化為定水頭邊界。這種處理方法對(duì)洞庫(kù)施工期滲流數(shù)值模擬存在較大不足。實(shí)際上洞庫(kù)邊界上的水頭隨著洞庫(kù)周?chē)叵滤粩酀B入洞庫(kù)而變化,在長(zhǎng)期疏干作用下,洞庫(kù)邊界附近巖體甚至出現(xiàn)非飽和狀態(tài),在這種情況下仍然采用定水頭邊界對(duì)洞庫(kù)邊界附近滲流場(chǎng)的模擬會(huì)帶來(lái)較大的誤差。為了更加真實(shí)模擬巖土中的水體自由出滲的物理現(xiàn)象,一些商業(yè)程序(如GeoStudio)在求解時(shí)提供了自由排水邊界。實(shí)際上自由排水邊界是流量邊界的另一種形式。當(dāng)邊界設(shè)置為自由排水邊界的情況下,邊界上的流量大小取決于邊界最近單元的實(shí)際滲透系數(shù)值和當(dāng)前狀態(tài)下單元孔隙水壓力的大小以及與該節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的邊界長(zhǎng)度值,并且隨著求解時(shí)間步的變化而變化。因此,進(jìn)行施工期滲流分析時(shí),洞庫(kù)邊墻、頂拱邊界按自由排水邊界處理更合理。非恒定滲流分析的初始條件為隨著洞庫(kù)周?chē)鷰r體內(nèi)的水分不斷地排出,拱頂和邊墻附近的巖體將從飽和狀態(tài)演變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài);而在儲(chǔ)油后,洞庫(kù)周?chē)膸r體將逐漸恢復(fù)到飽和狀態(tài)。因此洞庫(kù)區(qū)圍巖的滲流是一個(gè)飽和非飽和滲流過(guò)程。在飽和非飽和滲流數(shù)值分析中,巖土體的滲透系數(shù)與單元的飽和度相關(guān),較為常用的滲透系數(shù)與飽和度的關(guān)系為VanGenuchten模型。2數(shù)值模型和計(jì)算方案2.1巷道洞罐組設(shè)置國(guó)家石油儲(chǔ)備黃島地下水封洞庫(kù)工程包括地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分,設(shè)計(jì)庫(kù)容為300×104m3。地下工程主要包括2條施工巷道及其連接巷道、9個(gè)主洞室、9個(gè)豎井以及5條水幕巷道。9個(gè)主洞室按北偏西45°平行設(shè)置,每3個(gè)主洞室之間通過(guò)4條連接巷道組成一個(gè)罐體,共分為3個(gè)洞罐組。主洞室設(shè)計(jì)底面標(biāo)高為-50m,長(zhǎng)度為484~717m不等,設(shè)計(jì)洞跨20m,洞高30m,截面形狀為直墻圓拱形。主洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計(jì)凈間距為25m,兩個(gè)相鄰主洞室之間設(shè)計(jì)凈間距為30m。圖1為洞庫(kù)布置示意圖。2.2地下水位及圍巖滲流場(chǎng)數(shù)值分析軟件采用GeoStudio軟件中的滲流分析模塊。計(jì)算剖面選擇在洞庫(kù)中間部位橫剖面I–I進(jìn)行有限元建模。平面有限元計(jì)算范圍從施工巷道外邊緣向外各延伸600m,模型底部高程-250m,頂部為自然高程,模型總長(zhǎng)1805m。計(jì)算模型單元數(shù)量為7321,節(jié)點(diǎn)數(shù)量5789。網(wǎng)格自動(dòng)剖分為四邊形和三角形單元,對(duì)洞室附近巖體進(jìn)行單元加密處理。圖2為有限元計(jì)算網(wǎng)格圖。初始條件:根據(jù)庫(kù)址區(qū)鉆孔水位觀測(cè)資料及庫(kù)址區(qū)外圍水文地質(zhì)調(diào)查資料:鉆孔的水位標(biāo)高為93.07~268.48m,庫(kù)址區(qū)外圍水井及地表水體水位標(biāo)高為39.00~124.35m,地下水位變化幅度一般小于5m,地下水位標(biāo)高變化與地形基本一致,水位標(biāo)高最小值39.00m為遠(yuǎn)離洞庫(kù)的殷家河水庫(kù)水位。計(jì)算時(shí),洞庫(kù)位置初始水位按鉆孔水位考慮,進(jìn)行初始滲流場(chǎng)擬合計(jì)算。邊界條件:模型計(jì)算邊界位于影響區(qū)半徑范圍外,因此認(rèn)為邊界不受地下洞室的影響。模型底部水平邊界設(shè)定為不滲透邊界,鉛直邊界設(shè)定為已知水頭邊界。施工期洞庫(kù)邊墻、頂拱按自由排水邊界處理;運(yùn)行期地下油庫(kù)邊墻和底板以及水幕孔布置平面概化為定水頭邊界,注水孔水頭按高出水幕孔高程2m控制。地表降雨入滲的年均降水量為821.4mm。水力學(xué)模型:各向同性達(dá)西流模型。計(jì)算水力學(xué)參數(shù):為了有效地封存地下洞庫(kù)中的原油,地下石油洞庫(kù)都選擇布置在滲透性小的地層中,例如韓國(guó)Yeosupeninsula石油洞庫(kù)區(qū)巖體滲透系數(shù)為i×10-9~i×10-10m/s;韓國(guó)U2石油洞庫(kù)區(qū)巖體滲透系數(shù)為i×10-8m/s;錦州地下石油洞庫(kù)圍巖滲透性則在i×10-5~i×10-9m/s之間變化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)成果,黃島地下石油洞庫(kù)區(qū)圍巖滲透系數(shù)也在i×10-9~i×10-10m/s;湛江地下石油洞庫(kù)區(qū)圍巖滲透系數(shù)也在i×10-7~i×10-9m/s。由此可見(jiàn),盡管地下儲(chǔ)油洞庫(kù)區(qū)巖體滲透系數(shù)較小,但不同的工程或同一工程的不同部位,其滲透性相差也在2~3個(gè)量級(jí)之間變化。針對(duì)這種情況,數(shù)值計(jì)算時(shí)滲透系數(shù)分別取k=1.15×10-9m/s,k=1.15×10-8m/s,k=1.15×10-7m/s,共計(jì)3種情況。滲透系數(shù)取值變化的計(jì)算目的是為了研究滲透系數(shù)變化對(duì)地下水位變化的影響。2.3數(shù)值模擬的計(jì)算難點(diǎn)由于地下儲(chǔ)油洞庫(kù)的規(guī)模宏大,其施工期一般都在3a以上,完全按實(shí)際開(kāi)挖進(jìn)度模擬洞庫(kù)施工過(guò)程引起的地下水位變化難度較大。因此,數(shù)值模擬考慮9個(gè)洞庫(kù)一次開(kāi)挖完成,然后排水3a的最不利情況和洞庫(kù)分三步開(kāi)挖,然后逐步排水兩種情況?，F(xiàn)有的資料表明,國(guó)內(nèi)外的地下水封石油洞庫(kù)大都采用了水幕系統(tǒng),但也有少量未采取水幕系統(tǒng)而成功儲(chǔ)油的工程,因此計(jì)算中考慮水幕注水和不注水兩種工況。對(duì)每種滲透系數(shù)均按表1設(shè)計(jì)的計(jì)算方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。3不群眾降水對(duì)洞庫(kù)的地下水位的影響水封油庫(kù)區(qū)的地下水位變化對(duì)洞庫(kù)的運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。關(guān)于洞庫(kù)區(qū)洞庫(kù)上方地下水位在施工及運(yùn)行過(guò)程中的變化情況,目前觀點(diǎn)還不統(tǒng)一。從現(xiàn)有文獻(xiàn)來(lái)看,大部分文獻(xiàn)中均采用了洞庫(kù)上方水體在施工及運(yùn)行期將被疏干而形成一個(gè)降落漏斗的假定。如果這個(gè)假定成立,洞庫(kù)排水形成的降落漏斗必然影響到洞庫(kù)儲(chǔ)油功能的正常發(fā)揮。由于洞庫(kù)在儲(chǔ)油運(yùn)行過(guò)程中會(huì)在拱頂位置積聚大量的油氣;油氣的積聚會(huì)導(dǎo)致洞罐頂部的壓力增加,如果洞罐上方巖體中的水頭不足,油氣很可能通過(guò)巖體中的裂隙進(jìn)入到大氣中,污染大氣,危害人體健康,甚至?xí)a(chǎn)生安全事故。圖3為施工期水幕孔不注水情況下的洞庫(kù)一次性開(kāi)挖3a后的地下水位和孔隙水壓力分布等值圖(工況1)。由圖可知,當(dāng)巖體滲透系數(shù)在10-7m/s量級(jí)時(shí),中間6個(gè)洞庫(kù)上方巖體均進(jìn)入到非飽和狀態(tài),山體中原地下水位下降幅度明顯,洞庫(kù)區(qū)形成了明顯的水位降落漏斗。同時(shí)左邊2個(gè)洞庫(kù)和右邊1個(gè)洞庫(kù)的圍巖因排水作用也出現(xiàn)了一定范圍的非飽和區(qū),其中洞頂?shù)姆秋柡蛥^(qū)明顯大于洞庫(kù)邊墻附近巖體的非飽和區(qū),洞庫(kù)上方出現(xiàn)不連續(xù)的地下水位線。圖4為洞庫(kù)一次性開(kāi)挖且水幕孔在施工期注水情況下的地下水位和孔隙水壓力分布等值圖(工況3)。在開(kāi)挖2a后對(duì)水幕孔進(jìn)行注水時(shí),洞庫(kù)上方巖體中的地下水位也會(huì)產(chǎn)生較大幅度的下降,但由于水幕孔注水作用,地下水位的下降幅度遠(yuǎn)小于不注水工況。洞庫(kù)上方巖體中的水位降落漏斗也不十分明顯。同時(shí),由于水幕系統(tǒng)的補(bǔ)水,使得儲(chǔ)油洞庫(kù)附近巖體的非飽和區(qū)范圍十分有限。由此可見(jiàn),施工期水幕系統(tǒng)注水與否對(duì)地下水位的影響至關(guān)重要。圖5給出了不注水條件下洞庫(kù)開(kāi)挖后不同時(shí)期的地下水位變化過(guò)程圖(工況1)。在洞庫(kù)開(kāi)挖之前,洞庫(kù)上方巖體中的地下水位變化基本與地形一致。由于巖體滲透性較大,開(kāi)挖180d后地下水位的最大降幅達(dá)到101m左右,第4和第5洞庫(kù)之間拱頂上方巖體以及#7和#8洞庫(kù)之間拱頂上方巖體中的水體也被大量排出而形成連通的地下水位線。開(kāi)挖后180~360d之間,地下水位下降也比較迅速,360d后#4和#5洞庫(kù)之間拱頂上方巖體非飽和區(qū)與地表大氣連通。第2年~第3年之間的地下水位的下降速度明顯放緩,巖體中的滲流逐步趨向于恒定滲流。圖6是洞庫(kù)分三步開(kāi)挖不同時(shí)段的地下水位變化過(guò)程(工況2)。對(duì)比圖5,6可發(fā)現(xiàn),洞庫(kù)一次開(kāi)挖和分步開(kāi)挖最終形成的地下水位基本一致,但其中間變化過(guò)程卻不相同。在分步開(kāi)挖360d情況下,洞庫(kù)上方還保留了相當(dāng)厚度的地下水體。由此可見(jiàn),施工方式的不同也是影響地下水位變化的重要因素之一。圖7給出了工況3注水條件下洞庫(kù)開(kāi)挖后不同時(shí)期的地下水位變化過(guò)程圖。由于水幕孔的注水,一方面補(bǔ)給了因開(kāi)挖而形成的洞庫(kù)上方非飽和區(qū)裂隙巖體,同時(shí)水幕系統(tǒng)注水向上抬高了水幕系統(tǒng)布置平面上方的地下水位。使得水幕系統(tǒng)布置平面上方和下方的非飽和巖體重新飽和,導(dǎo)致洞庫(kù)上方巖體中的地下水位180d中快速升高近90m;而注水180d后地下水位的變化緩慢。圖5,7表明了設(shè)置水幕系統(tǒng)和不設(shè)置水幕系統(tǒng)情況下,洞庫(kù)區(qū)地下水位變化過(guò)程和規(guī)律完全不同;同時(shí)指出洞庫(kù)區(qū)飽和非飽和非恒定滲流分析過(guò)程可以清晰地反映洞庫(kù)開(kāi)挖引起的地下水位變化過(guò)程。對(duì)地下水位變化過(guò)程的充分認(rèn)識(shí)是洞庫(kù)區(qū)地下水合理管理的基本前提之一。圖8為不注水條件下運(yùn)行期洞庫(kù)地下水位變化過(guò)程圖(工況4)。在不設(shè)置水幕系統(tǒng)的條件下,因施工開(kāi)挖在洞庫(kù)上方巖體中形成了大量的與地表大氣連通的非飽和區(qū)。在洞庫(kù)區(qū)周?chē)w補(bǔ)給作用下,這部分非飽和區(qū)在儲(chǔ)油后將逐漸恢復(fù)到飽和狀態(tài),即洞庫(kù)上方的巖體地下水位會(huì)逐漸恢復(fù)。圖8還表明在維持0.2MPa儲(chǔ)油壓力作用下洞庫(kù)運(yùn)行50a,洞庫(kù)上方地下水位將經(jīng)歷一個(gè)較為緩慢的下降過(guò)程,并逐步穩(wěn)定在距離洞頂25m位置處。圖9為注水條件下運(yùn)行期洞庫(kù)地下水位變化過(guò)程圖(工況5)。在施工完成2a后開(kāi)始注水的條件下,洞庫(kù)上方巖體中將保持較高的地下水位。運(yùn)行期儲(chǔ)油開(kāi)始后(圖中第0天),如果保持洞庫(kù)0.2MPa儲(chǔ)油壓力,洞庫(kù)上方地下水位將逐漸緩慢地降低。洞庫(kù)運(yùn)行50a后,地下水位也逐步穩(wěn)定在距離洞頂49m位置處。注水情況下洞庫(kù)上方保留的水體厚度遠(yuǎn)大于不注水情況下洞庫(kù)上方保留的水體厚度。4不業(yè)水位下降的影響圖10為注水和不注水條件下洞庫(kù)開(kāi)挖3a后的地下水位對(duì)比圖。無(wú)論洞庫(kù)上方是否設(shè)置水幕系統(tǒng),當(dāng)洞庫(kù)區(qū)巖體滲透系數(shù)小于1.0×10-8m/s條件下,洞庫(kù)上方的地下水位下降幅度都比較小,而當(dāng)洞庫(kù)區(qū)巖體滲透系數(shù)大于1.0×10-7m/s時(shí),洞庫(kù)上方的地下水位將產(chǎn)生大幅度下降,特別是不注水條件下洞庫(kù)區(qū)地下水位會(huì)下降到洞庫(kù)拱頂位置,并在洞庫(kù)區(qū)形成巨大的降落漏斗。洞庫(kù)區(qū)因疏干形成大范圍降落漏斗后,洞庫(kù)上方巖體裂隙與大氣連通,嚴(yán)重影響運(yùn)行期洞庫(kù)上方地下水位恢復(fù)。因此從安全儲(chǔ)油的角度出發(fā),洞庫(kù)區(qū)不宜選擇在巖體滲透系數(shù)大于1.0×10-7m/s的地區(qū)。如洞庫(kù)區(qū)局部存在滲透系數(shù)大于1.0×10-7m/s的巖體,則必須對(duì)該部分巖體進(jìn)行防滲處理。5巖相儲(chǔ)層水震系設(shè)置的啟示大型水封石油洞庫(kù)區(qū)地下水位變化受洞庫(kù)區(qū)圍巖滲透系數(shù)大小、洞庫(kù)開(kāi)挖方式和運(yùn)行方式等的影響。洞庫(kù)區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)變化特性的研究有助于全面了解洞庫(kù)