裂隙随机分布条件下地下石油洞库水封性评价

以国内首个大型地下水封石油洞库工程为背景,在考虑洞库围岩节理裂隙的随机分布特征基础上,采用离散介质 流-固耦合理论对大型地下石油洞库水封性进行了评价。介绍了地下水封储油洞室水封原理与水封准则。通过室内结构面剪切试验获得了结构面参数,采用Barton-Bandis剪胀模型对结构面参数进行了校验。根据库区节理裂隙统计结果,建立了洞库围岩的随机节理裂隙网络模型。分析了不同水幕压力条件下洞室开挖后地下水压力分布情况、涌水量大小和洞库围岩变形与受力情况。分析表明：在水幕压力大于或等于75 kPa的条件下,洞室周围地下水压力满足水封准则;在水幕压力为75 kPa条件下各洞室涌水量在0.003~0.015 m3/d之间,拱顶沉降量在16~32 mm之间。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统设计提供依据。     

大型地下水封石油洞库水幕系统优化设计研究

水幕系统是决定地下水封洞库运营的关键,水幕孔设计是水幕系统的核心组成部分。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为背景,运用地下水渗流理论,研究水幕孔间距以及隙宽对地下洞室水封性的影响。研究结果表明,在陡倾结构面条件下,水平水幕孔的间距以及隙宽对水封性具有重要影响。在计算工况中,水幕孔间距为10 m时,水封效果最好;水幕孔间距为30 m时,无法满足水封要求;相同水幕孔间距条件下,隙宽越大,水封效果越好;主洞室拱顶区域,水封效果较差。研究结果可为地下水封石油洞库水幕系统优化设计提供理论依据。     

新建地下水封油库对附近运行油库水封可靠性影响研究

大型地下水封油库分期建设中,新建地下水封油库可能会对已投产的同类洞库水幕系统及渗流场产生一定影响,进而可能导致已建油库发生油气外泄等安全事故,但目前国内外对该问题的研究甚少。以在邻近某一已建大型地下水封油库附近扩建国家三期战略石油储库项目为背景,研究因扩建项目施工改变库区渗流场而导致的对已投产大型水封油库储油安全性的影响。通过洞库实际涌水量资料反演分析获取库区岩体的等效渗透张量,采用COMSOL Multiphysics软件模拟已建成的地下水封油库运营期的渗流场,并将其作为初始渗流场,进而模拟研究新建洞库开挖情况下渗流场的演化规律。以洞库区地下水位线、水封压力及围岩渗水量为评判指标,分析新建洞库对运行洞库水封可靠性的影响,研究表明:当两期洞库间距超过200m时,即使不设置中央垂直分离水幕系统,新建洞库施工也不会对已投产洞库的水封可靠性产生影响,即确保储油安全的最小洞库间距为200m。研究成果对评价在已投产地下水封油库附近修建同类油库的可行性及相互影响程度提供了理论依据。     

基于COMSOL的地下水封油库围岩流固耦合特征模拟研究

地下水封油库通常建造于完整性好的结晶岩体内部,利用隙存水封的原理将油气封闭于地下洞室内部,洞库围岩在施工及运营期间具有典型的流固耦合特征。论文基于裂隙岩体流固耦合理论,采用COMSOL Multiphysics 软件对洞库围岩不同工况下流固耦合特征进行了模拟研究。研究结果表明:地下洞库在不设置人工水幕情况下,开挖后洞室顶部地下水位明显下降,并形成降落漏斗,可能导致洞室油气外溢; 设置人工水幕后,洞室顶部地下水位下降趋势得到明显控制,有效确保了水封的可靠性; 在设置水幕的情况下,洞室直墙及洞室拱顶与底板角点处出现明显的应力集中,但围岩仍未出现连贯塑性区,洞室最大位移不超过5mm,洞室围岩稳定性良好。分析成果对于指导洞库优化设计及施工具有一定的参考价值。     

黄岛地下储油库渗流场模拟

为预测黄岛地下水封油库洞库运营期间洞库涌水量和研究设置水幕的必要性,利用FEFLOW软件,首先对黄岛地下水封石油洞库分别建立无水幕和有水幕条件下的三维地下水数值模型,进而对两种条件下的洞库涌水量做预测以及洞库上方的水位变化分析,结果指出：洞库在无水幕条件下前期涌水量为530m^3／d,常规涌水量为249m^3／d。有水幕条件下前期涌水量为643m^3／d,常规涌水量为309m^3／d。相对于无水幕条件,有水幕条件下有力保证洞库的水封条件,水封效果较好,有力的保证了地下水封石油洞库的储油安全。     

地下水封洞库水幕孔注水试验及岩体等效渗透参数分析

地下水封洞库渗流场分析和渗水量预测是水幕系统水封效果评价的核心内容,目前多采用连续等效模型进行这类大范围的渗流场分析,分析结果是否可靠的关键在于能否合理、可靠地获取裂隙岩体的等效渗透参数。施工期进行了大量的与水幕孔有关的现场水力学试验,可以用于分析和确定岩体等效渗透参数,但试验的理论背景、试验过程的合理性和数据分析方法还有待深入研究。首先简要介绍了黄岛石油储备洞库工程的4种水幕孔现场水力学试验的试验过程和特点;然后,采用三维渗流数值分析方法,研究了施工期因水幕廊道排水作用对水幕孔围岩渗流场的影响。基于施工期水幕孔注水试验,在达西流假定下,建立了围岩等效渗透系数与水幕孔注水量的经验关系,由此,可以根据水幕孔注水量反算出围岩等效渗透系数。采用裂隙-孔隙渗流分析模型,对比解释了裂隙不同发育特征对水幕孔注水量及岩体宏观渗透参数的影响。最后,对实测试验资料进行了分析,获得了水幕系统围岩等效渗透系数分区图。研究结果对水幕孔有关的渗透性试验的理论分析、裂隙岩体渗透参数取值研究等具有参考价值。     

基于裂隙渗流效应的水封油库涌水量预测分析

准确预测洞室涌水量和库区渗流场的空间分布特征是确保地下水封油库施工期安全性和运行期经济性的基础性工作之一。为真实地反映地下水封油库围岩随机分布裂隙的渗流效应对涌水量预测和渗流场空间分布特性的影响,提出了一种基于嵌入裂隙单元模型（EFE模型）的裂隙岩体渗流分析方法,并采用该方法对湛江水封油库的三维渗流场进行了计算分析,通过对比工程实测资料,验证了所提出方法的可靠性,进而预测了实例工程在运行期的涌水量。计算结果表明,EFE模型能够较好地模拟裂隙对洞室岩体局部渗流场的影响,反映库区渗流场及洞室涌水量空间分布不均匀的特性。研究成果可为水封洞库渗控措施的精准设计以及运行期污水处理设施配套设计工作提供参考。     

基于离散裂隙网络法和水流数值模拟技术的地下水封洞库水封性研究

水封性是保证地下水封洞库安全运营的关键,目前研究地下水封洞库水封性的主要难点在于裂隙岩体含水层强烈的非均质性和各向异性.以某地下水封洞库工程为背景,通过实测裂隙几何参数分析裂隙发育特征,建立了研究区离散裂隙网络模型.之后对研究区进行网格化划分计算了各单元体渗透系数张量,基于对裂隙渗流基本规律的理解和假设建立了研究区高精...     

多孔联合水幕效率试验方法及应用实例

我国地下水封洞库主要修建在结晶岩体中,岩体裂隙发育程度和空间展布的非均质各向异性使得水封洞库的水封条件十分复杂。水幕系统是保证地下水封洞库密封性的核心要素,因此所设计的水幕孔与围岩间的水力联系是否满足密封性需求,需进行检验。前人在进行相关问题研究时往往将地质体简化为均质各向同性介质,个别文献在实验室尺度对地质体各向异性进行讨论,但工程适用性不强。为分析场地尺度岩体渗透性能各向异性对水幕孔水力传输效率的影响,并探究考虑这种影响的水幕系统优化方法,本文借鉴工程经验,引入水幕效率的概念,设计一种多孔联合水幕效率试验,以烟台地下水封洞库工程项目为依托,进行场地试验并利用阈值法得到试验结果,进而对水幕孔进行相应补充以优化水幕系统网络,最终使水幕系统网络在考虑地质体各向异性的实际影响下满足气密性要求。实践证明,该方法能显著加强水幕系统在各向异性场区的水力传输能力,比现行的等间距设置水幕系统钻孔更适于工程实际。     

基于流固耦合的围岩后注浆对大型水封石油洞库水封性影响分析

基于多孔弹性连续介质流固耦合理论,通过合理选取围岩主要物理力学参数,建立了大型石油储备地下水封洞库全断面开挖后洞室涌水量计算模型,利用大型商业软件Comsol对黄岛国家石油储备地下水封洞库地下水渗流场和位移场进行数值模拟分析。通过不同注浆方案及不同注浆厚度情况下地下水渗流量的比较分析发现,并不是注浆圈的厚度越大对洞室渗水量的控制效果越好,而是存在相对经济合理的阈值。研究表明,最佳的注浆方式是形成全断面闭合注浆圈,最佳注浆厚度为5 m。     

大型地下储油洞粘弹性稳定性分析

在大型地下岩洞中储油是世界各国石油战略储备的重要方式之一。随着我国石油进口量的不断增加,建造大型地下储油洞库无疑是一种综合经济效益良好的方案。针对大型地下水封储油岩洞库的工程特点,利用数值模拟方法对储库洞群中各洞室的开挖施工顺序进行了仿真模拟计算。通过对3种可能的施工方案所引起的地表变形、洞周关键位置的变形以及应力场和位移场的分布规律对比分析,比选出了洞群中各洞室较优的开挖先后顺序。对筛选出的较优方案进行了施工过程与粘弹性稳定性分析模拟,给出了考虑岩体流变特性时油库的变形规律特点,并对大型地下油库的强度及长期稳定性进行了分析评价,所得结论对地下储油库的开挖施工有一定的参考价值。     

海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究

海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。     

地下水封油库围岩地下水渗流量计算

为准确地计算特大型地下水封储油岩洞库地下水的渗流量,根据现场调查、测试与监测以及室内外物理力学试验,采用了三维多孔连续介质流-固耦合有限差分数值模拟计算分析软件模拟地下水渗流场。提出了一种适用于特大型地下水封储油岩洞库地下水渗流量计算的合理方法。经与法国专家经验法、大岛洋志经验式、《铁路工程水文地质勘测规范》（TB10049－96）等方法的计算结果进行比较,结果比较接近。该计算方法适用于试验数据和资料匮乏的可行性研究阶段的特大型地下水封储油岩洞库围岩地下水渗流量或涌水量的计算;考虑地下水流-固耦合分析时,单洞室的涌水量比只考虑地下水流动作分析时稍小;考虑流-固耦合作用比不考虑流-固耦合作用时围岩地下水的最大渗流速度稍小。     

Performance assessment and optimization of seepage control system: A numerical case study for Kala underground powerhouse

The Kala Hydropower Station, planned in the middle reach of Yalong River in China, consists of a large-scale cavern system for water conveyance and power generation. The construction site is characteristic of difficult geological conditions and is rich in groundwater, and the control of groundwater flow in the surrounding rocks of the underground caverns becomes one of the key technological issues. This case study presents a systematic performance assessment of the seepage control system designed for the underground caverns by finite element numerical modeling, with particular concerns on geological characterization of the site and quantitative determination of the excavation-induced variation in hydraulic conductivity of the surrounding rock masses. The significant influence of the excavation-induced permeability variation on the seepage field in the surrounding rocks and the overall behaviors of the seepage control system are comprehensively illustrated by the numerical results, and the optimized design parameters are suggested for the drainage system. The methodology presented in this study is useful for understanding the performance of the seepage control system widely deployed in underground powerhouse engineering.     

基于GIS的中国东部沿海地区地下水封油库建造适宜性研究

地下水封油库以其经济、环保、安全、便捷、适合战略储备等优点, 成为国家石油储备的首选形式。我国石油战略储备库建设方兴未艾, 与众多大型地下洞室一样, 水封油库的选址对其顺利建设及安全运营均起着决定性作用。论文以中国东部沿海地区为研究区域, 在分析地下水封油库储油原理及其自身特点的基础上, 选取地震烈度、活动断裂、最大水平地应力、地层岩性、地下水埋深、年均降雨量、与大型码头距离、与大型炼油厂距离等8个评价指标构建用于地下水封油库建造适宜性综合评价的指标体系。在此基础上采用层次分析法确定指标权重并应用ArcGIS的空间分析功能对研究区的地下水封油库建造适宜性进行研究, 得到了中国东部沿海区域地下水封油库建造适宜性分区评价成果, 为我国东部沿海地区地下水封油库科学选址提供了参考依据。     

等效连续岩体流固耦合流变分析模型

位于地下水位线以下的岩体洞室围岩承受应力场与渗流场的耦合作用,而且其变形随时间的持续而发展。本文以岩体水力学和流变力学的基本理论为基础,研究建立了岩体应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,导出了相应的流变有限元计算格式。所建立的两场耦合有限元流变分析模型,可用于对地下洞室和边坡工程等进行两场耦合流变条件下的长期稳定性分析。