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水封洞库围岩渗透性质与渗水量分析及防渗效果检测标准讨论

更新时间:2009-03-28

地下油气储库通常建设在场地稳定、天然地下水位稳定且埋深浅、坚硬完整的岩体中 [1-3]。洞库建造有关的岩土问题主要有两方面:洞库围岩的稳定性及围岩的渗透性。洞库围岩工程质量通常较好,围岩整体稳定性不存在问题,局部裂隙密集带或地质缺陷部位可能存在块体失稳,需要进行适当分析和支护。围岩渗透性及洞库渗水量分析是最核心的岩土技术问题,洞库的水封效果评价及渗水量控制,是洞库设计的核心问题。

水封是保证地下洞库运行成立的必要条件,为了防止油气泄漏,地下水压力需大于存储介质的压力,由此需综合考虑水封洞库布置、洞库储存压力、水幕系统水压力、洞库埋深等相互关系问题 [4-9]。水封方式包括利用天然地下水和人工水幕两种,使得洞库在运营期间一直处于地下水位以下。当地质条件复杂、水位不稳定或深度不够时,需采用人工水幕以保证稳定的地下水位,从而避免因自然水位下降而导致洞库上部地下水盖层缺失,并致使油气泄漏的风险。为了保证地下水压力大于油气压力,可以通过水幕系统、洞库与天然地下水位三者之间的相对高差,以及水幕系统的注水压力进行控制,这也是水幕系统设计中通过各种分析后需要确定的最重要设计参数。

避嫌,怕人说闲话,也是古往今来廉政官员的“标配”,他们爱惜羽毛,珍重名誉,谨言慎行,有所不为。于谦有《入京诗》一首:“绢帕蘑菇与线香, 本资民用反为殃; 清风两袖朝天去, 免得闾阎话短长。”代表了许多廉洁官员的心声,正是靠了“怕人说闲话”的念想,他们拒绝诱惑,不谋私利,守身如玉,初心不改。这也就是《菜根谭》说的那个意思:“一点不忍的念头,是生民生物之根芽;一段不为的气节,是撑天撑地之柱石。”

从目前的经验认识看,即便洞库周边的地下水位非常稳定,但施工期洞库及各种洞室的开挖,导致地下水边界条件发生重大改变,若取消水幕系统(有一些这样的观点)或水幕系统供水不足或不及时(工程中可能存在这样的问题),洞库上方的岩体赋存的地下水会被显著疏干,地下水位显著降落,失去的地下水将被空气填充。运行期通过水幕系统供水补给,或在没有水幕系统的情况下仅仅依靠洞库四周的天然地下水向洞库上方围岩补给,对于渗透性很低的洞库围岩,需要很长时间才能恢复到设计所需的地下水位,由此将显著增大油气泄漏的风险。

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岩体渗流分析模型主要包括3类:等效连续介质渗流模型、裂隙网络渗流模型及裂隙-孔隙(双重介质)渗流模型。等效连续介质渗流模型将裂隙和岩块一起等效为连续均匀介质,基于岩体中存在一个表征单元体积(representative elementary volume,REV)的思想,获得基于REV的平均等效渗透张量 [10-11]。这类模型应用最为广泛,但当岩土材料具有强烈的非均质性、各向异性时,REV难以确定,渗透参数的取值困难,渗流计算的精度可能难以保证。裂隙网络渗流模型 [12-13]考虑水只在裂隙网络内流动,忽略岩块的导水作用,能够体现裂隙在渗流中的强导水作用。裂隙-孔隙(双重介质)渗流模型 [14-15]考虑岩块和裂隙都导水,两种介质之间存在复杂的水交换,可以考虑主干裂隙的强导水作用,并将细小裂隙和岩块等效为连续介质,有利于进行大规模渗流分析。后两种模型的发展还不够成熟,工程应用更少。不管是哪种模型,都要对裂隙网络的发育特征、裂隙的渗透性质或包括裂隙在内的等效渗透张量进行确定,计算结果的精度可能较难把握。

围岩渗透参数取值是渗水量计算分析中的最重要参数,也是决定分析结果是否准确的最重要因素。工程岩体渗流分析中一般需要计算地下水压力分布和井孔等部位的流量。水利水电工程中,与流量计算结果相比,通常更关注的是地下水压力分布。水压力计算结果往往比流量计算结果更可靠,而流量计算结果可能和实际偏差甚远。水封洞库工程中,洞库渗水量控制是渗流分析和防渗处理的核心,因此,对渗水量的计算精度要求高于水利水电工程。

特别地,由于在传输过程中,CPLD TLP(数据应答包)并不是按顺序到达DMA数据接收通道的,故PPOE会结合TLP头的Low Addr参数(相当于TLP序号)与Pic_head中的Addr参数,生成一个绝对地址,然后将这部分图片数据送到图像存储单元对应的位置。

围岩渗透系数的确定非常困难。由于天然岩体的非均质性、各向异性,岩体中的裂隙发育存在随机性、不确定性和不可知性的特点,目前的探测技术无法对大范围岩体内部的裂隙发育特征进行较详细准确的描述。岩体各部位的渗透性质可能差异显著,裂隙密集区的渗透系数可以是较完整岩体的成千上万倍,甚至出现集中的渗漏通道。各种岩体工程中,尤其在勘察阶段,往往只能通过有限的压水试验等对岩体渗透参数进行估计,很难反映较大范围岩体渗透性质的复杂变化。

《地下水封石油洞库设计规范》 [1]提出了“渗水水量每1×106 m3库容不宜大于100 m3/d”。为了控制渗水量,需要从三方面入手:在勘察选址时选择致密完整的岩体作为洞库围岩,水幕系统设计时对洞库渗水量进行较为准确的分析预测,并在施工期对透水性强的部位进行灌浆等防渗处理。

对于储库工程而言,水幕系统完全覆盖在洞库上方,各部位岩体的渗透性都可以通过水幕孔的各种岩体水力学试验得到反映,这为详细地进行围岩渗透参数取值分析提供了大量实测数据。这是其他工程进行岩体渗透参数取值分析不具备的优越条件。通过水幕孔试验数据反算围岩的渗透性质,可以对各区域围岩渗透性质进行较合理准确的把握,为较准确估算洞库渗水量提供了重要依据和途径。然而,目前工程界对此还没有足够深刻的认识,并未形成行之有效的工作方法。

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1 水幕系统渗透性试验及围岩渗透参数分析

为了达到洞库总体渗水量的要求,当需要灌浆等防渗处理的部位越多,渗控效果压水检测评判标准应该越严格。较准确地给出合理的渗控效果压水试验控制标准,需要综合考虑出渗部位多少、灌浆等渗控处理后渗水量情况、现场试验条件、仪表计量精度、试验时间要求等,以达到洞库总体渗水量的控制要求。标准太严格,可能导致现场施工和检测十分困难甚至不切实际;标准太宽松,又可能达不到洞库总体渗水量的要求。譬如,一个班级的平均分要达到60分(满足洞库渗水量要求的总体渗透系数限值),不需要每个学生都达到,因为有许多好生的成绩远高于60分。差生越多(渗水点越多)时,拟定的每个差生补差(防渗处理)后需要达到的分数要越高(如50分,检测标准对渗透性要求越严格)。如果只有少数差生,标准降低(如45分)时也能使得均分达到60分。

一般工程中通过有限的压水试验等水文地质试验,很难反映岩体不同部位渗透性质的复杂变化,进而导致渗流分析中的渗流量计算精度很难得到保证。然而,水幕系统对洞库实现了全覆盖,岩体各区域的渗透性都可以通过水幕孔有关的渗流试验进行反算,这是其他工程所不具备的优越条件。通过水幕孔渗透试验反算岩体渗透参数,并进行详细的渗透性分区,以保证渗流量预测精度,这样的工作思路在实际工程中还没有得到充分认识和接受。

水幕系统的各种渗透性试验中,都有其渗流理论背景,通过分析试验过程和试验数据,可以确定孔壁围岩的渗透系数。在黄岛水封洞库分析中,对各种试验的理论背景和问题进行了讨论,并通过单一水幕孔回落试验和稳定注水试验进行渗透系数反算,为洞库渗水量估计提供了最重要的参数。

K——水幕孔围岩等效渗透系数;

洞库上层开挖后,洞库的渗水量与洞库开挖完成后相差不太大,此时需要在对洞库渗水量预测分析的基础上,完成洞库上方岩体的防渗处理工作。倘若没有对水幕系统围岩渗透参数及洞库渗水量进行较准确的分析预测并进行有效的渗控处理,而是贸然进行水幕系统的封堵充水,将可能付出不必要的工程代价。

2 通过水幕孔渗透性试验确定围岩渗透参数

在工程实际中,时而暴露出试验方案不完整、试验要求不细致、实际操作不规范、数据分析的理论依据不充分、数据分析不及时、试验分析工作的工程指导性不强等弱点。

针对黄岛洞库工程,文献 [17]建立了如图1的三维渗流分析模型(并考虑水幕廊道排水的影响),在达西流假定下,模型输入的等效渗透系数与洞库渗水量、各水幕孔的平均注水量三者之间存在线性关系。这样,通过模型计算可建立水幕系统围岩渗透系数和水幕孔注水量的经验关系:

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图1 主洞库开挖完成后的三维水压力分布 [17]Fig.1 Distributions of three-dimensional pore pressure field after the storage cavern excavation finished

式中 Q——水幕孔注水量;

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L——水幕孔长度;

a—— 比例系数,受水幕孔间距、注水压力等设计参数影响,不同的工程需要通过数值模型进行拟合确定。

根据式(1),通过水幕孔注水量反算得到洞库围岩的等效渗透系数,其数值大小分布如图2所示,等效渗透性强弱分区如图3所示。获得这些结果后,还需结合钻孔岩芯、现场地质调查进一步对地质缺陷区与渗透性强弱分区的对应关系进行比对,综合考虑地质缺陷区和渗透性分区,确定需要灌浆等防渗处理的部位。

  

图2 水幕孔围岩等效渗透系数统计 [17]Fig.2 Statistics of the equivalent permeability of surrounding rocks of the water curtain boreholes

  

图3 水幕系统围岩渗透性分区 [17]Fig.3 Partition diagram of the permeability of surrounding rocks of the water curtain system

3 围岩总体渗透系数限值及渗控效果检测标准问题

本文提出了通过水幕孔有关岩体水力学试验反算围岩各部位的渗透参数,由此可以较准确地对洞库渗水量进行预测分析的观点,并进行了分析讨论。

黄岛水封洞库分析中,通过规范的经验公式、二、三维数值分析得到满足洞库渗水量要求的围岩总体渗透系数限值如表1所示。

因此,水幕系统围岩总体渗透系数不高于2.8×10-4 ~ 6.1×10-4 m/d(3.2×10-9 ~ 7.0×10-9 m/s)时,可以满足规范中对洞库渗水量的控制要求。由于岩体各个部位的渗透性存在很大差异,岩体完整性高的区域,其渗透系数可能明显小于2.8×10-4 ~ 6.1×10-4 m/ d,裂隙和各种地质缺陷发育的部位,其透水性大大增强。根据主洞开挖后的实际情况分析,总体上,存在缺陷且透水性强的区域范围所占比例远远小于岩体完整透水性弱的区域。这样,即使存在少量渗透系数大于2.8×10-4 ~ 6.1×10-4 m/d的区域,洞室的总体渗水量也可以达到要求。

 

表1 满足洞库渗水量要求的围岩总体渗透系数允许限值Tab.1 The allowable limits of whole permeability of rock mass satisfying the inflow quantity contro

 

SH / T 3195—2017《地下水封石油洞库水文地质试验规程》(报批稿)中推荐了压水试验、微水试验、抽水试验、注水试验、水幕系统有效性试验(分为单孔注水-回落试验和多孔有效性试验),以及全面水力试验。为了测试水幕系统围岩的渗透情况,检测水幕系统的有效性,黄岛洞库等在水幕孔造孔完成后进行了单孔注水-回落试验、施工期水幕孔注水试验、水幕有效性试验和水幕全面有效性试验。这些试验借鉴了GEOSTOCK 公司的《地下开挖工程通用规范GSU—14·水幕》 [16]。湛江洞库也正在进行这些试验。总体上,各种试验的适用性、试验中的观测读数、流量和压力的计量、试验时间要求等,尤其是各种试验的理论背景等问题,还存在不完善的地方。例如,非稳定流试验的稳压时间和观测时间,对于低渗透性岩体和高渗透性岩体,其要求是完全不一样的,应在试验中分别进行规定。

根据有关灌浆施工和压水试验的经验,建议黄岛洞库压水试验标准为:检查孔透水率不大于0.3 Lu(渗透系数不超过3.7×10-8 m/s)。另外,地质缺陷的处理,还需满足围岩稳定的要求。湛江洞库中,岩体局部区域存在裂隙密集带或小型断层,其透水性比低渗透性岩体强得多,但其分布的比例小得多。灌浆等渗控处理和效果检测,以及洞库渗水量的估计,也要重点关注这些部位。

4 结束语

地下水封洞库工程中,围岩渗透性及洞库渗水量分析是最核心的岩土技术问题。规范对洞库渗水量控制的要求很高,因此对渗流分析和渗水量的计算预测精度提出了很高要求。天然岩体的渗透参数变异性非常大,有限的试验数据很难反映岩体不同部位渗透性质的复杂变化。因此渗流数值分析中,渗流量的计算结果往往与实际相差甚远。

文献 [18]采用水文地质比拟法、经验解析法以及数值模拟分析对湛江某地下水封洞库的涌水量进行了估算,讨论了不同方法的特点及引起计算结果差异的原因。

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总体上,目前的工程实践中,暴露出的问题有:一些水幕系统试验方案不完整,缺乏对各种试验的理论背景、数据分析处理方法的论述;水幕孔渗流试验不严格不规范,试验结果的分析不及时不专业;试验分析的工程指导性不强;渗流计算的理论分析模型不够合理;渗透参数取值的依据和论述不够充分等,给洞库渗水量预测分析和工程建设留下隐患,需要引起足够重视。今后工程建设需要在以下几个方面进行加强。

(1)加强水幕孔试验数据的分析,获得对渗水量的较准确估计。水幕孔实现了对岩体渗透性测试和分析的全覆盖,大量的试验资料为较准确获得岩体渗透参数提供了坚实基础。

(2)制定合理可行的水幕孔渗流试验方案,内容包括试验方法、试验流程、读数和计量、试验稳压时间等,以及试验数据的计算分析方法,异常情况应对处理的说明。

(3)严格进行各种水幕孔渗流试验,通过试验数据反算不同区域的围岩渗透系数。

(例如,设mb= 0.3,Φ= 175,ψx= 15,[α]= 40,利用软件Excel的规划求解功能,可这样求得ma= 2.508,mc= 2.194,φ0= 56.0,ψ0= 15.3。

(4)为了较准确估计洞库渗水量,在获得较准确的渗透参数基础上,通过结构面调查和岩体渗透分区建立较精细的分析模型,采用双重介质渗流分析等模型进行计算分析。

薪酬管理所表现出来的外部竞争能力,能够有效的提升企业知名度。具备较高竞争能力的薪酬管理可以吸引企业外部的人才来提升企业的人力资源优势。而且随着企业的薪酬设计复杂化,给应聘者在判断企业的薪酬外部竞争能力带来了较大难度,因此薪酬管理外部竞争能力的鲜明体现尤为重要。

(5)制定合理的灌浆等防渗效果检测标准,获得最优渗控方案和处理效果,使得洞库的总渗水量达到运行要求。

参考文献

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[16]GEOSTOCK 地下开挖工程通用规范GSU-14. 水幕,GKF/H/D/0003.

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[18]何国富. 湛江某地下水封洞库涌水量估算与分析[J].西部探矿工程, 2011( 11): 19-24, 33.

 
张奇华,何国富,李玉婕,袁东
《化工与医药工程》 2018年第02期
《化工与医药工程》2018年第02期文献

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