地下石油洞库水封性评价方法体系及应用

水封性评价是地下水封石油洞库建设的关键科学问题。围绕地下石油洞库水封性评价,提出了地下水封石油洞库水封性评价的水文地质概念模型,总结了水封性评价中地下水、岩体性质与地质环境和洞库工程特征3个方面基础数据,分析了三者之间关系;分析了经验法、数值分析法和试验法三大类评价方法的特点和对应的适用范围,提出了评价方法"三适应"选用原则:评价方法与建设阶段、评价目标和参数要求相适应,提出了水封性评价流程,分析了不同评价阶段所应采用评价方法和重点的评价内容;以具体工程为背景,介绍了评价方法体系的应用情况,并着重介绍了经验法、裂隙网络法和现场试验法在水封性评价中的使用情况。研究成果对提高地下水封石油洞库水封性评价水平具有重要参考价值。     

大型地下石油洞库自然水封性应力-渗流耦合分析

根据地质条件,地下水封石油洞库可以选择自然水封或人工水封方式。以中国首个大型地下水封石油洞库为背景,开展了岩石三轴压缩试验和现场水文试验,获得了洞库围岩变形特征和渗透特性,采用应力-渗流耦合理论,分析了该地下石油洞库的自然水封性与稳定性。岩石三轴实验表明,岩体受剪作用下体积变化情况与剪胀性密不可分。现场水文试验表明,洞库渗透系数存在一定的不确定性。通过数值分析得出如下结论：自然水封条件下,洞库水位将不满足水封要求;地下水封洞库实现水封条件的水头受水力梯度和岩体渗透性影响;洞库施工期涌水量与渗透系数存在着分形关系;施工期各洞室拱顶沉降为19～32 mm,水平收敛为16～35 mm。研究成果为中国首个大型地下水封石油洞库工程建设提供了科学依据。     

地下水封石油洞库施工期监控量测与稳定性分析

现场监控量测是确保大型地下工程建造和运营安全的重要手段。地下水封石油洞库在中国刚刚起步,不但缺少监测方案设计原则、实施方法等方面的规范标准,还缺少对相关监测数据分析方面的研究。以国内首个正在实施的大型地下水封石油洞库建设项目为依托,首先介绍了适用于大型地下水封石油洞库的监测原则与实施方法,该原则和方法充分考虑工程特征、地质情况和经济适用性;其次介绍了洞库监测结果:洞室大部分监测断面的洞周围岩收敛变形、拱顶沉降、内部位移和围岩松动圈分别处于4~8 mm、3~6 mm、4~8 mm和0.9~1.8 m区间范围内,锚杆应力和接触应力值大部分控制在50 MPa和0.5 MPa以内;而后分析了监测数据:1黄岛地下水封石油洞库围岩变形和支护受力较小、岩体稳定性良好、设计支护方案合理;2综合全面的监控量测结果可准确地反映地下水封石油洞库稳定性特征;3监测数据显示地下水封石油洞库稳定性表现出显著的时空演化特征。该研究可为中国地下水封石油洞库监测技术和稳定性评价研究提供重要依据。     

地下水封洞库岩体渗透系数估算研究

 在分析现有主要岩体渗透系数估算模型适宜性的基础上,根据地下水封洞库区岩体渗透性特征,依据烟台LPG洞库岩体渗透系数测试数据,以岩石质量指标(RQD)、岩体完整性指标(RID)、裂隙宽度指标(AD)、岩石渗透性指标(LPD)为建模指标,建立地下水封洞库岩体渗透系数估算模型--RMP模型,并采用该RMP模型估算青岛地下水封洞库区14个钻孔277段岩体的渗透系数。研究结果表明,青岛地下水封洞库岩体渗透系数空间分布随机性较大,其中57.04%的渗透系数集中于10－4 m/d≤K＜10－3 m/d的区间内。研究成果对地下水封洞库工程的水幕系统设计和水封效果评价具有一定理论意义和工程参考价值。     

地下石油洞库水幕设计原则与连通性判断方法研究

地下水封石油洞库建设技术在我国刚刚起步,其水幕系统设计理念和方法还不成熟。结合我国首个大型地下水封石油洞库工程,研究水幕系统设计原则与连通性判断方法,分析水文地质条件对水封方式选用、水幕系统布置和水幕连通性测试的影响,并根据现场试验结果,研究水幕连通性判断方法,提出改进的连通性测试方法。通过研究发现,地下水封石油洞库水封方式的选择需充分考虑库区水文地质情况,而垂直水力梯度是判断洞库水封性的重要参数;人工水封方式中水幕孔应尽量垂直于结构面走向布置;水幕连通性判断可综合单孔注水试验与分区有效性试验结果进行,并考虑库区渗流场分布与变化规律对试验结果的影响;改进的水幕连通性测试方法适用于不同水文地质条件下水幕孔连通性测试。该研究成果可为地下水封石油洞库水幕设计提供重要依据,并为岩体渗流特性研究提供不可多得的工程实例。     

水封油库地下水位动态变化特性数值研究

为认识水封石油洞库区地下水位的动态变化过程,以黄岛地下水封石油洞库的基本地质条件为依据,采用饱和非饱和非恒定流数值分析方法,对水封油库在施工期和运行期可能出现工况下的地下水位变化情况进行了全过程数值仿真计算,分析了不同时期洞库区附近岩体的地下水位分布特点及变化过程。研究表明水封油库区内的地下水位变化过程主要受岩体渗透系数、洞库开挖方式和运行方式的影响;当洞库区岩体渗透系数大于 m/s 时,洞顶上方岩体中的地下水将被疏干,必须设置水幕系统来保证洞库的水封效果。     

地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究

地下水封石油洞库建设具有投资大、无成熟设计施工规范、不确定因素多等特点,建设过程中存在着一定安全风险,开展地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究具有重要意义。针对地下水封石油洞库施工期安全风险,从洞库稳定性与水封性两个方面,开展了洞库施工期安全风险评估研究,结合中国首座大型地下水封石油洞库工程对研究结论进行了验证。研究中,开展了地下水封石油洞库风险因子识别,进行了风险因子重要性和引发功能失效概率调查;采用模糊数学方法获得了风险因子模糊权重集和模糊评价集,得到了风险因子影响程度排序;总结了某地下水封石油洞库建设中典型稳定性和水封性风险事故,分析了事故发生原因,并与上文所得风险因子影响程度进行了对比验证。研究结果不但为提高地下水封石油洞库风险管理水平提供支撑,而且还可丰富地下工程安全风险评估研究内容。     

地下石油洞库水幕设计原则与连通性判断方法研究

 地下水封石油洞库建设技术在我国刚刚起步,其水幕系统设计理念和方法还不成熟。结合我国首个大型地下水封石油洞库工程,研究水幕系统设计原则与连通性判断方法,分析水文地质条件对水封方式选用、水幕系统布置和水幕连通性测试的影响,并根据现场试验结果,研究水幕连通性判断方法,提出改进的连通性测试方法。通过研究发现,地下水封石油洞库水封方式的选择需充分考虑库区水文地质情况,而垂直水力梯度是判断洞库水封性的重要参数;人工水封方式中水幕孔应尽量垂直于结构面走向布置;水幕连通性判断可综合单孔注水试验与分区有效性试验结果进行,并考虑库区渗流场分布与变化规律对试验结果的影响;改进的水幕连通性测试方法适用于不同水文地质条件下水幕孔连通性测试。该研究成果可为地下水封石油洞库水幕设计提供重要依据,并为岩体渗流特性研究提供不可多得的工程实例。     

基于非饱和流的地下水封洞库涌水量研究

地下水封洞库通过水压将储存在洞室内的介质密封,涌水量的动态变化制约着洞库的密封性能。通过对岩体孔隙和裂隙双重介质的渗流特征分析,将渗流的非饱和流特性引入到涌水量的计算过程中。推导得到岩体双重介质土水特征曲线公式,并将其引入到有限元计算过程中。通过赋予材料非饱和特性属性,在有限元每个计算时间步中重新计算渗透系数,来实现地下水封洞库开挖时水位变化过程,建立了动态涌水量的计算方法。另外,通过工程实例对该计算方法进行验证、结果表明涌水量随时间呈递减变化,拟合得到了涌水量与时间的函数关系。该计算方法对地下工程中涌水量的研究具有较强的指导意义。     

地下水封洞库渗水特征与治理方法

以黄岛地下水封洞库为例,分析得知洞室渗水类型主要有断层渗水和优势裂隙渗水,在综合考虑减少渗水量、维持地下水位稳定兼顾围岩稳定性的基础上,提出了"短孔密布"布设注浆孔与"短锚密布"支护的新方式,以此来避免长孔可能打穿隔水岩板所导致的工程风险。     

Discrete element analysis of hydro-mechanical behavior of a pilot underground crude oil storage facility in granite in China

The hydro-mechanical behavior of a pilot underground crude oil storage facility in granite in China is analyzed using Discrete Element Method (DEM). Characterization of hydro-mechanical coupling behavior of rock mass was performed using geological investigation, laboratory test, field monitoring and case study. Geological investigations were performed to obtain the geometrical properties of joints. Direct shear tests were performed to obtain the mechanical behavior of joints. A case study was performed to obtain the hydro-mechanical parameters of rock mass around the facility. Discrete element method was employed to assess the hydro-mechanical behavior of the facility. The groundwater pressure distribution and flow rate of the facility under different water curtain pressures were obtained. The groundwater inflow, deformation and stability of the caverns were obtained through the numerical simulations. It was found that the water seal property could not maintain if there is no water curtain system for the facility. The groundwater flow rate increases with the water curtain pressure. Both groundwater flow rate and crown settlement from this study are comparable to those from field measurements. However, the simulated flow rate and crown settlement are less than those predicted using empirical equations, due to the interaction between neighboring caverns and the effect of groundwater table dropdown.     

考虑流固耦合的地下储油洞库稳定性研究

应力场与渗流场耦合是影响水封式地下储油洞库群稳定性的重要因素之一。洞库群的开挖导致形成区域地下水降落漏斗,因此储库水封系统必须保证稳定的地下水位。以“黄岛地下水封洞库工程”的设计方案为模型,基于流固耦合分析理论,采用有限差分软件Flac3D进行数值模拟,主要分析了饱和水状态下,渗流场对洞库周围围岩应力、位移变形和孔隙水压力的影响,并确定合理的水封方案和最优的水封巷道高度。文中所得结论对实际地下洞库群的设计施工具有一定的参考价值。     

节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析

节理岩体地下洞室在地震作用下的安全响应是众多专家学者关注的问题之一,本文针对该问题采用三维离散元法研究节理地下洞室的稳定性,建立了一个含节理组的地下洞室模型进行分析研究。分别对洞室开挖后在常规荷载作用下的响应、洞室开挖后在地震荷载作用下的响应以及开挖支护后在地震荷载作用下的响应等三种工况进行模拟,得出了洞室在三种工况下的应力和位移变化情况。研究表明:地震对洞室的破坏非常大且时间短暂,支护后的洞室围岩能够使破坏时间延迟,在一定时间内增强了洞室围岩的抗震能力。本文的工作不仅对含节理的地下洞室开挖后的围岩变形和支护提供借鉴,而且对地下洞室和隧道的抗震设计具有指导意义。     

Behavior of Large Scale Underground Cavern Located in Jointed Rock Masses Evaluated by Using Distinct Element Method

The stability and support effects of large-scale underground caverns located in jointed rock masses are principally ruled by the mechanical behavior of discontinuities. The major deformations of the host rock masses containing underground caverns originate from the normal and shear movements among the walls of discontinuities. Therefore, in the numerical simulations of the deformation behavior of underground structures, how to accurately model the discontinuities becomes a key problem. In this study, a 2-D distinct element code, UDEC, was used to analyze the deformation behavior of an underground cavern of a pumped storage power plant, based on in-situ geological data. The validity of numerical simulation was evaluated by comparing the numerical results with the site measurement data at two cross-sections of the cavern. Some local deformation behavior of the cavern affected by the characteristics of discontinuity distributions was discussed. The influences of cross-sectional shape of the cavern and the orientation of initial ground stress on the performance of cavern were evaluated. The simulation results revealed that the orientation, position and density of discontinuities as well as the cross-sectional shape of a carven influence its deformation behavior and stability significantly.     

海岛地下水封洞库围岩稳定性及水封可靠性研究

为提高我国的石油储备量及海岛资源利用率,在海岛环境建造地下水封油库成为了一种新的思路。海岛环境相比于内陆具有更好的水力条件,且可作为港口,便于油品运输。以某海岛地下水封油库为依托,基于流固耦合理论,采用有限元数值模拟方法对海岛环境建造地下水封洞库的围岩稳定性和水封可靠性进行研究。结果表明:在海岛环境建造地下水封洞库围岩的应力和位移均较小,可以满足围岩稳定性要求;在不设置水幕系统情况下,开挖地下洞库会在洞库上方形成明显的降落漏斗,部分洞库顶部甚至发生疏干现象,无法满足水封可靠性要求;在设置水幕系统后,地下洞库上方可形成较大厚度的地下水覆盖层,可以满足水封可靠性要求。该成果对在海岛环境下建造地下水封洞库的研究具有借鉴意义。     

Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns

An isotropic assumption is often applied to analyze permeability tests of in situ fractured rock mass, and the homogeneous hydraulic conductivities are then used directly in the seepage analysis. However, the hydraulic conductivities are normally anisotropic in fractured rock masses and the effects of the anisotropic permeability should be taken into account in rock engineering analysis, especially for seepage analysis of underground oil storage caverns. In this study, an underground oil storage cavern project is analyzed and the Oda’s method is used to determine the anisotropy in permeability, where the anisotropy in permeability is determined using the fracture orientation and the in situ stress information from the field survey. The horizontal hydraulic conductivities are obtained based on the geometric average hydraulic conductivities from the injection tests of six boreholes. A typical cavern unit is numerical modeled using code FLAC. The effects of anisotropic permeability on water pressure, water quantities and critical gas pressure are studied carefully. The results indicate that most calculated results based on in situ hydraulic tests with isotropic permeability assumption can be used safely in the underground oil storage cavern project.