張繼勛 楊 帆 楊 玲 任旭華

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098; 2. 浙江省寧海縣水利局， 浙江 寧海 315600)

改進(jìn)的水封石油洞庫群滲水量預(yù)估研究

張繼勛1楊 帆1楊 玲2任旭華1

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京 210098; 2. 浙江省寧?？h水利局， 浙江 寧海 315600)

基于圓形隧洞斷面的滲水量經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合地下洞室群的實(shí)際情況，考慮洞庫間距的相互影響，對公式進(jìn)行了修正，得到了考慮地下洞室群相互影響的水封石油洞庫滲水量計(jì)算公式．對比數(shù)值計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，改進(jìn)公式算出的滲水量與模擬及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)較為吻合，說明該修正的滲水量估算公式更加合理，可在水封洞庫的滲水量的計(jì)算中推廣應(yīng)用．

水封石油洞庫； 滲水量； 洞庫間距； 大島洋志公式

水封石油洞庫是指在洞庫上方設(shè)置水幕，保持地下水位穩(wěn)定，在洞庫周圍形成指向洞庫的滲流，實(shí)現(xiàn)石油的完全密封．水封洞庫既要讓地下水滲入洞庫周圍，使洞庫周邊水壓大于同高度油品壓力[1]，又不能無限制地滲入，污染油品，增加洞庫運(yùn)行成本．因此進(jìn)行洞庫涌水量的預(yù)估很有必要，對圍巖裂隙防滲及封堵處理也有著重要意義[2]．

20世紀(jì)90年代早期，隨著我國山東黃島[3]和浙江象山地下水封油庫建成投入使用[4]，一些學(xué)者基于我國地下水封洞庫實(shí)際工程，圍繞地下水封洞庫圍巖滲流場、洞庫滲水量和油品滲漏問題進(jìn)行了相關(guān)模型試驗(yàn)研究和理論分析[5]，其中國外有代表性的是S. Finsterle[6]和Hajime Yamamoto以及Karsten Pruess，分別模擬了滲水過程并預(yù)測了滲水量的計(jì)算方法，國內(nèi)有代表性的是清華大學(xué)的崔京浩[7]教授，提出了地下水封洞庫滲水量估算的理論公式．

地下水封石油洞庫地質(zhì)條件復(fù)雜[8]，且屬于洞庫群，采用精確解預(yù)測滲水量比較困難，也有較大誤差[9]．但是采用一些簡化方法：①介質(zhì)均勻且滲透性各項(xiàng)同性；②滲流穩(wěn)定；③把洞室近似為圓形洞室，且洞室頂部的水頭保持不變時(shí)，可以采用解析公式近似預(yù)測滲入洞庫的滲水量的大小[10]．對于地下水封洞庫來說，當(dāng)洞庫埋深較大時(shí)，洞庫沒有穿越較大的斷層，近似滿足上述條件．但經(jīng)驗(yàn)解析公式只適用于單個(gè)洞庫滲水量計(jì)算，未考慮水封石油洞庫群的洞庫間距對滲水量的影響．本文對經(jīng)驗(yàn)公式的修正參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，對某水封石油洞庫群滲水量進(jìn)行數(shù)值模擬，對比計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對改進(jìn)公式的合理性開展了討論．

1 大島洋志公式

1.1 公式原理和問題

20世紀(jì)60年代，Goodman研究了圓形隧洞滲水量的計(jì)算問題，如圖1所示．假定隧洞周邊水頭為恒定值h1．

圖1 圓形隧洞滲水量計(jì)算模型

根據(jù)Polubarinova-Kochina提出的深埋隧洞水頭和隧洞位置的關(guān)系[11]，可知：

(1)

在隧洞周圍有x2+(y-h1)2=r2.

對于深埋隧洞，h1?r時(shí)，上式可近似寫成

取60只小鼠，隨機(jī)分為正常對照組（10只）和造模組（50只）。造模組小鼠一次性腹腔注射降植烷0.5 mL，正常對照組小鼠同法給予等體積生理鹽水。注射前及注射后2、3、4、5、6個(gè)月時(shí)，采用ELISA法檢測小鼠血清中抗ds-DNA抗體；注射前及注射后每月1次采用目測尿蛋白試紙檢測小鼠尿蛋白。結(jié)果，造模組小鼠注射降植烷2個(gè)月后，其抗ds-DNA抗體水平顯著高于正常對照組（P＜0.05或P＜0.01），且在6個(gè)月內(nèi)該抗體水平逐漸升高；第6個(gè)月時(shí)，90%的造模組小鼠尿蛋白呈強(qiáng)陽性（++++），提示典型狼瘡病變形成。

(2)

根據(jù)達(dá)西定律，可得v=-2Kc/r．因此，隧洞周圍的滲水量q=-2πrv=4πKc，將c回代式(2)，變形后可得地下水封洞庫滲水量的計(jì)算近似公式為

(3)

其中，H是地下水至水封洞庫底板的距離；r0是洞庫轉(zhuǎn)化為圓形截面的近似半徑；d是洞庫轉(zhuǎn)化為圓形截面的近似直徑．后來大島洋志在Goodman公式的基礎(chǔ)上又做了一些修正，加了修正系數(shù)m，就是現(xiàn)在通常用到的大島洋志經(jīng)驗(yàn)公式

(4)

m通常取0.86．

根據(jù)推導(dǎo)過程，大島洋志公式假定洞庫周邊的圍巖為均勻各項(xiàng)同性介質(zhì)[12]，且只考慮單個(gè)隧洞，因而適用于單個(gè)洞庫滲水量的計(jì)算，是基于單個(gè)洞室的理論解．對于單個(gè)洞庫來講，除了洞庫水文地質(zhì)條件以外，滲水量只受洞庫形狀面積，地下水位至洞庫頂部距離的影響，而對于洞庫群，除了上述兩個(gè)因素，洞庫滲水量還受相鄰洞庫間距的影響[13]，洞庫間距越大，相鄰洞室對其的約束就越小[14]，如圖2所示，R為洞庫相互影響半徑．

圖2 相鄰洞室對中間洞室滲水量的影響示意圖

1.2 改進(jìn)公式

根據(jù)公式存在的問題推行修正公式，考慮左右相鄰洞室對洞庫的影響，用數(shù)據(jù)擬合方法對公式進(jìn)行修正．建立5個(gè)模型進(jìn)行滲水量分析，每個(gè)模型設(shè)5個(gè)洞庫，每個(gè)模型的洞庫間距分別為20、30、40、50、60 m，地下水位至洞庫頂部的距離分別取100、120、140、160 m，滲透系數(shù)為1×10-4m/d ．?dāng)?shù)值模擬自然水位下洞庫滲水量見表1．

表1 不同間距洞庫滲水量(單位：m3/d)

由表中數(shù)據(jù)可知，對于邊庫，由于洞庫一邊處于半無限長彈性體，所以受相鄰洞室影響不大；而中間洞庫受相鄰洞室影響較大．經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值模擬得到的滲水量差距較大，誤差值最低也有5%，最大達(dá)60%．當(dāng)?shù)叵滤恢炼磶斓装寰嚯x越小，誤差越大；相鄰洞庫間距越大，滲水量越大．因此，對于m的修正應(yīng)當(dāng)考慮洞庫的間距L的影響．

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對比數(shù)值模擬和計(jì)算公式的滲水量，將計(jì)算公式的數(shù)值修正到數(shù)值模擬值，修正過程中考慮L對m的影響，每次修正得到不同L和H下的m值，得到m對H和L的關(guān)系曲線以及對應(yīng)方程，調(diào)整之后，得到修正公式如下：

圖3 洞庫示意圖

2 工程實(shí)例

我國某地下水封石油洞庫工程，儲庫洞室區(qū)呈北偏西5°方向展布，東西寬約600 m，南北長約838 m，主要包括2條施工巷道、9個(gè)主洞室、6個(gè)豎井及5條水幕巷道．9個(gè)主洞室平行設(shè)置，每3個(gè)主洞室之間通過4條支洞相連組成一個(gè)罐體，共分為3個(gè)洞罐組．主洞室設(shè)計(jì)底面標(biāo)高為-50 m，長度為484～717 m不等，設(shè)計(jì)洞跨20 m，洞高30 m，截面形狀為直墻圓拱形．兩個(gè)相鄰主洞室之間設(shè)計(jì)凈間距為30 m．主洞室頂面以上25 m設(shè)置5條水平水幕巷道，垂直主洞室方向布置．各個(gè)主洞室的左右間距見表2．

表2 各個(gè)洞室的左右邊距(單位：m)

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

選取工程地表高程較低，地下水埋深較淺的典型斷面，將模型簡化為二維平面模型，不考慮施工洞．考慮到洞室的開挖產(chǎn)生的降水漏斗影響范圍較大，同時(shí)為了減少模型左右水頭邊界條件對結(jié)果合理性的影響，模型的左右方向計(jì)算范圍從洞室外邊緣向外延伸1 000 m，底部范圍從洞室地面向下延伸400 m，頂部至山體表面．網(wǎng)格剖分為四邊形單元，共劃分了47 607個(gè)單元，47 669個(gè)節(jié)點(diǎn)，洞室周邊網(wǎng)格加密．模型邊界條件是左右邊界橫向位移為0，底部邊界橫向、縱向位移均為0，其他為自由位移邊界．模型底部及左右邊界設(shè)為已知水頭邊界，上方為流量邊界，考慮降雨入滲．地區(qū)降雨入滲系數(shù)為0.073，洞庫設(shè)計(jì)地下水位標(biāo)高至洞室頂部50 m，水幕巷道布置在主洞室頂面以上25 m處，每間隔10 m布置水幕鉆孔，注水壓力0.1～0.6 MPa，取0.3 MPa計(jì)算．圍巖滲透系數(shù)為1×10-4m/d，彈性模量取17.1 GPa，泊松比取0.21．?dāng)嗝娌贾萌鐖D4所示，具體布置及網(wǎng)格剖分情況如圖5所示．

圖4 典型斷面布置圖

圖5 計(jì)算模型及網(wǎng)格

2.2 計(jì)算成果

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，該工程某年枯水期地下水位為126 m，測得1號、4號、6號、7號洞庫流量分別為0.019 5 m3/d、0.014 6 m3/d、0.016 3 m3/d、0.014 5 m3/d，豐水期地下水位為169 m，測得1號、4號、6號、7號洞庫流量分別為0.026 1 m3/d、0.022 8 m3/d、0.024 2 m3/d、0.023 1 m3/d．根據(jù)表2，其1號洞為邊庫，4號和7號洞為洞庫間距較小的中間洞庫，6號洞為洞庫間距較大的中間洞庫，這4個(gè)典型洞庫很好地涵蓋了洞庫間距的所有情形，本文在實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)和工況相對較少的情況下，著重選取這4個(gè)洞庫討論研究．

其中：q0為洞身通過含水體的單位長度可能最大滲水量；k為滲透系數(shù)，取1×10-4m/d；H為含水層中原始靜止水位至地下工程底板距離；r0為洞室橫截面等效圓半徑，取13.48m；d為洞室橫斷面等效圓直徑，取26.96m．

表3 數(shù)值模擬下不同水位各洞庫流量 (單位：m3/d)

表4 大島洋志公式計(jì)算下不同水位各洞庫流量 (單位：m3/d)

表5 修正公式計(jì)算下不同水位下各洞庫流量 (單位：m3/d)

2.3 成果分析

由實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，不同水位下1號、4號、6號、7號洞庫的滲水量并不相同，只有1號邊庫的滲水量和大島洋志公式算出的結(jié)果近似，而6號、7號中間洞庫受到相鄰洞庫的影響，洞室周圍水力梯度要小得多，滲水量偏?。Y(jié)合表2可以看出，相鄰洞庫間距越大，滲水量越大．表3數(shù)值模擬的結(jié)果也符合上述規(guī)律，進(jìn)一步驗(yàn)證了大島洋志公式是基于單個(gè)洞室的理論解，沒有考慮相鄰洞室的相互影響[15]．而修正公式計(jì)算值與模擬值和實(shí)測值之間差距相對較小．

鑒于實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)和工況相對較少，本文只是選取部分?jǐn)?shù)據(jù)，將數(shù)值計(jì)算得出的滲水量，經(jīng)驗(yàn)公式算出的滲水量和修正公式得到的滲水量對比，如圖6～9所示．

圖6 1號洞修正流量對比圖

結(jié)合圖表可以看出，考慮了洞庫間距后，修正公式各計(jì)算數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相差均在±5%以內(nèi)，均比原經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值更符合實(shí)際情況．

圖7 4號洞修正流量對比圖

圖8 6號洞修正流量對比圖

圖9 7號洞修正流量對比圖

3 結(jié) 論

本文根據(jù)工程實(shí)測數(shù)據(jù)，利用大型通用程序ABAQUS對大島洋志公式進(jìn)行試算驗(yàn)證，進(jìn)而對公式修正驗(yàn)算．主要結(jié)論如下：

1)大島洋志公式是基于單個(gè)洞室的理論解，適用于單個(gè)洞庫滲水量的計(jì)算．在用于洞室群的滲水量估算時(shí)，應(yīng)對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正．

2)水封石油洞庫各洞庫滲水量各不相同，中間洞庫的滲水量，受到相鄰洞庫的影響，滲水量偏小，且相鄰洞庫間距越大，滲水量越大，說明滲水量預(yù)估研究應(yīng)當(dāng)考慮洞庫間距．

3)基于修正公式的水封石油洞庫群滲水量的計(jì)算，考慮了洞庫間距對滲水量的影響，計(jì)算精度相對于傳統(tǒng)公式均有提高．可在多洞室洞庫群的滲水量計(jì)算研究中推廣應(yīng)用．

[1] 嚴(yán)冬青，任旭華，張繼勛，等．水幕參數(shù)對地下水封石油洞庫的涌水量影響分析[J]．三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(1)：15-18．

[2] Kyung-Ho Park,Adisorn Owatsiriwong, Joo-Gong Lee． Analytical Solution for Steady-state Groundwater Inflow Into a Drained Circular Tunnel in a Semi-infinite Aquifer：A Revisit [J]． Tunnelling and Underground Space Technology, 2008,23(2)：206-209．

[3] 時(shí)洪斌．黃島.地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià)[D]．北京：北京交通大學(xué),2010．

[4] 王者超，張振杰，李術(shù)才，等．基于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)法的地下石油洞庫洞室間水封性評價(jià)[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào),2016,46(2)：94-100．

[5] 黎照洪，胡 成，陳 剛，等．基于離散裂隙網(wǎng)絡(luò)的煙臺水封洞庫滲水點(diǎn)分析[J]．安全與環(huán)境工程,2016,23(5)：170-173．

[6] Finsterle S, Ahlers C F, Trautz R C, et al． Inverse and Predictive Modeling of Seepage Into Underground Openings [J]． Journal of Contaminant Hydrology, 2003, 62-63(1)：89-109．

[7] 郭書太．地下儲油庫工程中地下水的利用和處理[J]． 工程勘察, 2008(S1)：217 - 220．

[8] 王者超，李術(shù)才，梁建毅，等．地下水封石油洞庫滲水量預(yù)測與統(tǒng)計(jì)[J]．巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(8)：1490-1497．

[9] Dimitrios Kolymbas, Peter Wagner． Groundwater Ingress to Tunnels - The Exact Analytical Solution [J]． Tunnelling and Underground Space Technology 2007,22(1)：23-27．

[10] Jin-Hung Hwang, Chih-Chieh Lu． A Semi-analytical Method for Analyzing the Tunnel Water Inflow [J]． Tunnelling and Underground Space Technology, 2007,22(1)：39-46．

[11] 王振宇，陳銀魯，劉國華，等．隧道涌水量預(yù)測方法計(jì)算研究[J]．水利水電技術(shù), 2009,40(7)：41-44．

[12] 吳治生．不同地質(zhì)邊界條件巖溶隧道涌水量預(yù)測及展望[J]．鐵道工程學(xué)報(bào),2007(11)：48-55．

[13] 丁萬濤，李術(shù)才，徐幫樹，等．隧道涌水量解析公式在海底隧道工程中的應(yīng)用[J]． 地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(4)：662-664．

[14] Wing Kei Kong． Water Ingress Assessment for Rock Tunnels：A Tool for Risk Planning[J]． Rock Mech Rock Eng, 2011,44(6)：755-765．

[15] 許建聰，郭書太．地下水封油庫圍巖地下水滲流量計(jì)算[J]． 巖土力學(xué), 2010,31(4)：1295-1302．

[責(zé)任編輯 王康平]

Improved Water Seepage Prediction in Seal Petroleum Cavern Group

Zhang Jixun1Yang Fan1Yang Ling2Ren Xuhua1

(1. College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2. Ninghai Water Conservancy Bureau in Zhejiang Province, Ninghai 315600, China)

Based on water seepage empirical equation of circular cross-section tunnel, the paper combines the practical situation of underground cavern group and consideres the interplay of cavern spacing to improve the formula, and then get an improved formula. Comparing the results of numeric calculation, empirical equation and field measuring, it is shown that the improved formula's results are closer to the results of simulation and field measuring, so as to show that the improved water seepage estimation formula is more reasonable and can be popularized and applied to water seepage calculation of seal petroleum caverns.

seal petroleum cavern; water seepage; cavern spacing; Hirishi Oshima empirical equation

2016-12-05

國家科技支撐計(jì)劃“南水北調(diào)中東線工程運(yùn)行管理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”(2015BAB07B00)

張繼勛(1974-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)．E-mail：zhangjixun@hhu.edu.cn

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.004

TV314

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1672-948X(2017)02-0014-05