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。     

大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式。在地下水封石油洞库的建设中,由于工程体的出现,改变了区域地下水的补给、径流和排泄条件,干扰了原来平衡的地下水渗流场,为保证地下石油洞库的水封效果,需进行裂隙岩体渗透特性及地下水渗流场时空演化研究。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为工程背景,结合现场试验数据分析,运用等效连续介质的方法,采用裂隙岩体各向异性渗透张量,建立三维地下水数值模拟模型,预测不同施工进程时地下水位的变化。分析预测结果表明：在地下洞室开挖过程中,无水幕条件下地下水位逐渐降低,主洞室部分区域出现零水头压力区,无法保证水封性;模拟运营期水幕巷道施加定水压力,地下水位上升至设计高度35 m且趋于稳定,可以满足水封效果要求。研究结果对地下石油洞库的水封性评价具有一定的工程意义和理论价值。     

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。     

花岗岩裂隙岩体油水两相渗流可视化试验及数值模拟研究

地下水封油库利用“隙存水封”的原理通过地下洞室进行石油地下存储,并多建于结晶岩体中,岩体裂隙渗流特性直接影响地下油库储油安全。地下洞库水封机理可简化为围岩裂隙中的油水两相渗流问题,需同时考虑油驱水和水驱油过程。基于分形理论定量刻画了天然花岗岩裂隙面的粗糙度,通过3D打印技术制备了不同粗糙度的透明裂隙,利用研制的单裂隙多相渗流可视化试验装置开展了模型试验,并结合数值模拟对花岗岩粗糙裂隙中的油-水驱替规律进行了研究。研究表明：水油流度比的差异导致花岗岩裂隙两相驱替呈现出不同效果,油驱水前缘呈活塞式整体推进,而水驱油前缘呈指进式推进;压力差或隙宽的增加更加显著地提升油驱水效果,但裂隙粗糙度的增加则对裂隙中流体的流动起到了阻碍作用,使得驱替难以进行;在考虑裂隙粗糙度和油相黏度的情况下,仅通过围岩裂隙水压力大于洞库内部油压来判别水封性能的“水封准则”存在缺陷;由于“贾敏效应”的作用,水驱油时裂隙中的油将难以被完全驱替,当油库发生油品泄漏时,难以将油品完全驱回洞库内部。研究成果可为粗糙裂隙岩体两相渗流规律及地下洞库水封机理的研究提供参考依据。     

基于DDA方法一种流-固耦合模型的建立及裂隙体渗流场分析和应用

以非连续变形分析方法（DDA）为基础并采用稳态流体计算方法将二者结合进行裂隙岩体流-固耦合分析。利用DDA方法生成裂隙岩体模型,在此基础上采用矩阵搜索等方法形成新的裂隙水通网络模型。采用稳态迭代算法和立方定律求得裂隙水压力,并把裂隙水压力作为线载荷施加到块体边界,在DDA算法中每个迭代步完成后更新裂隙开度和水压值,与DDA算法结合研究裂隙水与块体之间相互作用关系。利用以上裂隙岩体流-固耦合计算方法研究了某水封油库开挖和运行过程洞室围岩流量和密封性,为该工程预测水封效果提供了有益的主要依据,也是国内首次采用DDA方法做大型工程的流-固耦合模型分析。     

随机连续模型分析裂隙岩体耦合行为

利用能够反映岩体水力性质空间变异特性的随机连续模型对隧洞开挖过程中的裂隙岩体渗流-应力耦合过程进行了数值分析。随机渗透系数场通过顺序指示模拟方法生成。顺序指示法是一种非参数地质统计学技术,他允许输入任何形式的渗透系数概率分布而不需要对分布做任何假设。由随机模拟生成的渗透系数场被投影到有限元计算网格中进行耦合分析。力学响应使用基于连续介质的节理本构模型来反映岩体中软弱面的影响。结果表明,随机连续模型能够较好地预测裂隙岩体的稳定入渗率,水力性质的空间变异性对裂隙介质的耦合过程起着重要作用。在不排水条件下,隧洞每次开挖开始时,由于岩石应力重分布,孔隙水受到扰动,短时间内不能流动平衡,因此孔压会迅速上升,这对于围岩稳定是不利的。     

基于裂隙网络渗流差异的消落带岩体劣化空间预测方法

三峡水库175 m蓄水以来,水位周期性涨落,使得岸坡岩体强度下降而逐渐劣化,易导致岩质岸坡失稳破坏,因此引起了广泛的关注。岩体劣化与库水位的波动有关,其损伤劣化区域必然与水力调整范围有一定的关系。本文提出了基于裂隙网络模型渗流差异的岩体劣化空间分析方法。利用Beacher模型结合裂隙几何参数分布概型模拟岩体裂隙的空间分布,并基于裂隙截面面积相等,在裂隙网络中简化面状渗流为管道流,构建出裂隙网络渗流空间图。同时利用拓扑关系求解实际工况中岩体裂隙网络渗流空间的水头分布区域,通过不同水位下的渗流差异区域来推测发生岩体劣化的空间,基于理论分析和数值模拟得出存在水力差异的区域和新增的渗流区域两种情况合集即为岩体劣化区域。这一预测方法将对量化三峡库区岩体劣化空间强度及岸坡稳定性有重要的指导意义。     

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...     

软硬互层状岩体渗透特性研究

叙述软硬互层状岩体中的裂隙发育规律,并由此建立了互层状岩体渗流的离散裂隙网络模型.根据裂隙网络水均衡原理,介绍了裂隙岩体网络渗流数学模型以及模型的求解方法;通过一个数值算例验证了模型的合理性,并且讨论了软岩中的切层裂隙以及软岩层面裂隙开度对渗流场分布和通过软岩流量的影响.     

裂隙岩体渗流场的无单元法模拟及渗流特性研究

裂隙岩体因含有发育程度不同的裂隙、节理和断层等不连续面,致其渗透性具有各向异性、不连续性等特点,因此传统的有限元法对分布密集的裂隙岩体渗流场求解有一定的难度。本文提出了采用无单元Glaerkin法求解有自由面裂隙渗流问题,并推导了无单元法求解渗流场的基本方程和积分格式,给出了应用罚函数法处理渗流边界条件和自由面处理方法。采用IDL语言编制了二维无单元法计算软件LIDAREFM。文中以北京怀柔桥梓镇某裂隙岩体边坡渗流场计算为例,研究了复杂裂隙共同作用下渗流场特性和自由面分布,讨论了不同开度、不同连通程度的裂隙对渗流场的影响。研究结果表明:无单元法可以较好地解决有密集裂隙的岩体渗流场的求解问题,实现了裂隙处结点任意加密以及积分网格的独立布置,避免了对有自由面和裂隙穿越的子域的重新处理,简化了渗流问题的求解过程。     

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。     

海岛环境下地下水封油库竖直水幕系统水封可靠性研究

我国地下水封油库多建造在沿海地区陆地岸线以内,在海岛建造地下水封油库尚未有先例。海岛四周为海水包围,地下洞室的开挖会导致海水入侵,影响地下油库的使用寿命。为保证地下洞库的水封可靠性需布置水幕系统,现今已建油库的水幕系统多以水平水幕为主,尚未有专门针对竖直水幕系统水封可靠性的相关研究。竖直水幕系统相比于水平水幕系统具有操作简单、对原岩扰动小等优点,且可以起到对海水的"屏障"作用,因此开展海岛环境下地下水封油库竖直水幕系统的水封可靠性研究具有重要意义。论文采用数值模拟方法,研究竖直水幕孔的布置方式,根据正交试验确定竖直水幕孔的最佳布置参数;以浙江某海岛地下水封油库为依托,通过无水幕、设置水平水幕和设置竖直水幕3种情况的对比分析,研究竖直水幕系统的水封可靠性。研究得出:在只设置竖直水幕系统情况下,可以满足水封条件,且相较于水平水幕系统,竖直水幕系统可以更好地隔绝相邻主洞室间的串油。该研究成果为海岛环境下地下水封油库水幕系统优化设置提供了理论依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。