地下水封洞库不设人工水幕系统可行性探讨

彭振华，李俊彦，杨森，王金昌，王敬奎

（中海油石化工程有限公司，山东 青岛266000）

1 引言

地下水封油库相比于其他石油储备方式具有占地少、安全性高和经济效益好等优点，已成为世界各国石油储备的首选方式。围岩稳定性和水封可靠性是地下水封洞库储油研究中的重点内容。为保证围岩稳定性，地下洞库大多建造在岩体性质较好的结晶岩体中[1，2]；为保证水封可靠性，地下洞库多埋置在地下水位下方一定位置处，且通常设置水幕系统来补给地下水[3]。本文分析了人工水幕系统的作用原理，探讨了在一定地质条件下建设地下水封洞库不设置人工水幕系统的可行性，并提出了不设置人工水幕系统的必要条件，对今后我国类似地下水封洞库水幕系统的布设具有一定的参考价值。

2 水封原理及人工水幕系统概况

地下水封洞库大多建造在致密、物理力学性质优越、完整性好和化学性质稳定的岩体中。地下洞库开挖后，洞库围岩中包含有各种成因的裂隙，地下水位以下的裂隙被地下水充填，即利用岩石和水共同组成容器，通过较大的水压力将油气封存于石洞中，并不使油、气向洞库外部渗漏。

在一定地质条件下，为防止油气外溢，通常在地下洞库上方设置水幕系统以保证在地下洞库上方有一定厚度的稳定水盖层。水幕系统的布置形式一般为水平水幕与垂直水幕2 种，两者均为在主洞库上方一定高度布置水幕巷道，分别在水幕巷道两侧沿水平方向和底部沿垂直方向钻取水幕孔，通过向水幕巷道充水达到给水幕提供压力的目的（见图1）。

图1 水幕系统布置图

3 人工水幕系统存在的问题

地下水封洞库对地质的依赖性远大于其他地下工程，洞库围岩的岩体渗流具有明显的各向异性，由于其围岩性质特殊，加之高跨比较大，仍然采用传统的钻爆法施工，钻爆法对岩体完整性有着极大程度的破坏。因水幕巷道长度较大，距离储油洞室较近，水幕孔数量较多，因此，必然形成了人为地制造的裂隙系统，从而造成对储油洞库围岩的累进性破坏（见表1），新形成的裂隙会增加储油洞库围岩中的裂隙连通性，使岩体的渗透性变强，储油洞库的渗水量增加，从而增大水资源、能源的消耗，导致运营费用的增加。

表1 洞库围岩开挖累进性破坏类型表

4 不设置人工水幕系统的探讨

4.1 地下水补给、径流与排泄条件

4.1.1 补给条件

某洞库所在地区雨量充沛（年降雨量为2000～2700mm），植被十分发育，加之上部构造裂隙连通性好，这些条件均将有利于大气降水的垂直渗入补给。另外，当进入枯水期地下水位必将下降，此时，库区附近水库和位于库区的多处鱼塘、沟、溪等地表水体亦可成为地下水的少量补给源。

4.1.2 径流、排泄条件

洞库所在地的山体沟谷切割深度较大，从而导致地形起伏、沟谷坡降比均较大，呈现出开挖前后不一致的径流、排泄条件。

1）开挖前：呈现出：补给、径流与排泄条件的短程循环，网状裂隙水流失较快较多的态势。沟谷水流既接受大气降水补给（次要），又接受网状裂隙水补给（主要）。网状裂隙水沿地势高低就近以潜流形式排泄，局部以泉或渗流形式在坡脚或低洼地段外溢。

2）开挖后：补给、径流、排泄发生了显著变化。径流路程系经网状裂隙水→脉状裂隙水→拱顶、侧墙出水点→泵坑；另一条路径为：网状裂隙水→施工巷道储水体→脉状裂隙水→拱顶、侧墙出水点→泵坑。

洞库的水封条件优劣是决定是否设置水幕的至关重要条件。这与地下水的渗透性、垂直变化规律以及上部水盖层的稳定补给程度密切相关。

4.2 洞库围岩渗透性

地下水封洞库围岩体渗透性具有明显的垂直分带性。在区域水文网排泄作用较强的网状裂隙水分布地段产生特别强烈的水交替作用。而岩体裂隙随深度的增加而减弱，水文网的排泄影响也逐渐减小，因而水交替的积极程度也降低下来。含水体的裂隙性质也随之产生互相连通的裂隙系统（网状）转化为孤立的水交替接近停滞的脉状水。根据水交替程度和含水类型（见图2），某洞库大致可分出如下3 带。

1）迅速交替带：网状裂隙潜水，具有统一地下水面，分布比较均匀，渗透系数约≥10-3cm/s，接受充沛的大气降水补给，沿水文网排泄，水交替迅速，其分布范围大体为10～60m。

2）缓慢交替带：网状裂隙水分布比较均匀，水交替缓慢。渗透系数约在10-3～10-5cm/s，它相当于含水类型由网状转化到脉状的过渡地带（或称网脉组合带），其厚度大体约为40m，局部可达100m。

3）停滞交替带：本带主要分布脉状水，与上带衔接并接受上带水补充。脉间缺乏水力联系。水基本处于停滞状态。这一带的不含水裂隙均属不开启裂隙。某库的停滞交替带中的断裂规模不大以及侵入体（二长花岗岩）对围岩的破坏程度也不强烈，但其埋深较大，储油主洞室大部分都处于这一带岩体中。

图2 某洞库围岩裂隙组合形式

4.3 水封条件的评价

良好的水文地质条件为较好的水封条件提供了物质基础。某地下水封洞库在施工过程中，地下水渗流场虽有较大改变，但其主洞室拱顶以上仍能保持20～32m 的水层厚度。虽然地表地形切割较剧烈，导致网状裂隙含水体的水资源流失不少。但是当地供水无工业需求，各项用水量均不高，因而可以保证天然水封的成功实施。

4.4 不设置人工水幕系统的条件

通过对场区围岩渗流补给条件的分析，以及洞库场区围岩裂隙渗透性的识别，可以得出地下水封洞库场区具备不设人工水幕的基本条件如下：

1）库区水资源丰富。库区内有较大的外部补给并且地下水资源丰富，对某洞库所在地的花岗岩区域进行了水资源论证，得出在论证范围内可开采的地下水资源量为3888m3/d。同时调查了论证范围内用水状况。洞库区域生活工业地下取水及洞库用水合计约1500m3/d。洞库附近各村庄现状及近期生活用水均取自沟谷中水流。其水源主体为网状裂隙水，其次为大气降水，洞库场区地下有充足的地下水资源。

2）严格封堵洞室围岩渗水。封堵工作对保证一个洞库的水封可靠性至关重要。洞库施工过程中洞室围岩裂隙较小的出水点较难封堵，不仅要求注浆液质量高（配合比尤其重要），而且施工工艺也必须严格，否则可能会事倍功半。

为保证注浆封堵效果，应做好以下工作：（1）提出科学的封堵标准，根据规范或者参照已建洞库的经验值；（2）须全过程检查封堵施工质量，对于超标渗水点重复封堵。

3）选择合理的渗透试验。目前，地下洞库大部分建设在结晶岩体中，无论其补给如何充分，但由于其裂隙发育规律限制，其渗透性自上而下总是有规律的。渗透系数从上部的10-3～10-4cm/s到0～-50m 之间的10-8～10-9cm/s。后者是洞库建设所关注的。在这样一种弱透水的岩体之中，最好保持其原有裂隙特性。须根据渗透试验的深度及岩体的性质选择合理的渗透性试验方式。

5 结论与建议

本文探讨了地下水封洞库人工水幕设置的优缺点，并探讨了地下水封洞库不设置人工水幕系统的可行性，得到以下结论建议：

1）人工水幕系统会导致地下水封洞室开挖过程中围岩的累进性破坏加大及围岩裂隙渗水量的增加；

2）在一定的地质和外部补给条件下，地下洞库不设置人工水幕系统是可以实现水封可靠性的；

3）现场渗透试验宜采用不破坏岩体完整性的渗透试验手段如注水试验。同时为保证水封可靠性，应严格做好主洞室的注浆封堵工作。