淺談地下水封石油洞庫圍巖完整性的保護(hù)

淺談地下水封石油洞庫圍巖完整性的保護(hù)

1在巖石學(xué)和礦物學(xué)方面的應(yīng)用研究地下水石油井的形成是在堅(jiān)硬巖石上儲(chǔ)存石油的方法。相比于地面儲(chǔ)庫,地下儲(chǔ)庫具有占地小、安全性高、運(yùn)營費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。地下水封石油洞庫是通過人工在地下巖體中開挖形成的,這種地下水封洞庫儲(chǔ)存石油應(yīng)具備兩個(gè)條件:(1)密封;(2)具有一定強(qiáng)度,以保證油品不滲、不漏、不揮發(fā)。圍繞地下水封洞庫工程建設(shè)中的關(guān)鍵科學(xué)問題,楊明舉和關(guān)寶樹結(jié)合汕頭地下水封儲(chǔ)氣洞庫工程,闡述了地下水封洞庫儲(chǔ)存石油液化氣原理,并分析了汕頭儲(chǔ)氣洞庫的穩(wěn)定性和涌水量。李仲奎等分析了不襯砌地下洞室密封措施及關(guān)鍵指標(biāo)等問題。王芝銀等研究了不同洞室開挖順序的應(yīng)力變形分布規(guī)律及考慮流變特性時(shí)油庫的變形規(guī)律特點(diǎn)。劉青勇等采用水動(dòng)力學(xué)方法,研究了地下水封石油洞庫對(duì)地下水的影響。許建聰和郭書太采用有限差分法研究了地下水封儲(chǔ)油洞庫涌水量。時(shí)洪斌系統(tǒng)研究了黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性。上述研究有力地促進(jìn)了我國在硬質(zhì)巖體中進(jìn)行能源儲(chǔ)存的理論和技術(shù)水平。地下水封石油洞庫建設(shè)在我國剛剛起步,其巖土力學(xué)性質(zhì)分析很難從工程經(jīng)驗(yàn)上進(jìn)行總結(jié)類比。與其他行業(yè)地下洞室相比,地下水封石油洞庫具有不襯砌、洞室密度大、對(duì)圍巖完整性要求高等特點(diǎn)。經(jīng)典摩爾-庫侖模型中的峰值摩擦角概念僅適用于描述圍巖破壞性質(zhì),而不適用于圍巖完整性的描述。因此,如何評(píng)價(jià)圍巖完整性是一個(gè)值得考慮的問題。另一方面,在地下工程設(shè)計(jì)中,力學(xué)計(jì)算分析已經(jīng)成為重要手段,而分析結(jié)果準(zhǔn)確性很大程度上取決于所選力學(xué)參數(shù)是否準(zhǔn)確。然而,巖土材料力學(xué)參數(shù)具有較大的不確定性,這給評(píng)價(jià)地下工程各種性質(zhì)帶來了困難。針對(duì)這一難題,朱維申等提出了敏感性分析方法,并對(duì)影響地下工程圍巖穩(wěn)定性的一系列參數(shù)進(jìn)行了單因素敏感性分析。章光等開展了參數(shù)敏感性分析并應(yīng)用于試驗(yàn)方案優(yōu)化。夏元友等利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了敏感性分析。侯哲生等利用非線性有限元對(duì)金川二礦某航道圍巖穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。本研究中,以我國首個(gè)在建的大型不襯砌地下水封石油儲(chǔ)備庫建設(shè)項(xiàng)目為背景,在圍巖的三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出采用剪脹起始點(diǎn)作為屈服點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了洞庫施工期圍巖完整性分析。同時(shí),開展了洞庫完整性對(duì)摩擦角和剪脹角的敏感性研究。研究成果可為分析和評(píng)價(jià)地下洞室群圍巖完整性及地下水封油庫水封系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2地下儲(chǔ)庫地質(zhì)概況該大型不襯砌石油儲(chǔ)備庫地下水封洞庫工程是目前國內(nèi)首個(gè)正在實(shí)施的大型地下原油儲(chǔ)備庫建設(shè)項(xiàng)目。工程庫址區(qū)屬低山丘陵地貌。洞庫山體近東西走向,山脊標(biāo)高280~350m,地形坡度一般為35°~55°。地面平均標(biāo)高為220m,最高點(diǎn)標(biāo)高為350.9m。儲(chǔ)庫洞室區(qū)呈北偏西方向展布,東西寬600m,南北長約838m。工程包括地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分,設(shè)計(jì)庫容為300×104m3,洞庫設(shè)計(jì)使用年限為50a。地下儲(chǔ)庫由9個(gè)洞室組成。9個(gè)洞室按南北偏西平行設(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。洞室設(shè)計(jì)底板面標(biāo)高為–50m,長度為500~600m不等,設(shè)計(jì)洞跨為20m,洞高為30m,截面形狀為直墻圓拱形。洞室壁與相鄰施工巷道壁之間設(shè)計(jì)間距為25m,兩個(gè)洞室之間設(shè)計(jì)間距為30m。工程庫址區(qū)主要發(fā)育北東走向及近東西向兩條斷裂帶,褶皺構(gòu)造不發(fā)育。斷裂僅對(duì)庫址區(qū)選址有影響,對(duì)洞庫工程建設(shè)影響不大。庫址區(qū)內(nèi)探明的次級(jí)斷裂及節(jié)理將在洞室開挖前進(jìn)行注漿加固處理,對(duì)地下水流動(dòng)和洞庫穩(wěn)定性影響有限。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,庫址區(qū)內(nèi)的地層主要為晚元古界花崗片麻巖,淺肉紅色~淺青灰色,主要礦物為鉀長石、斜長石、石英、角閃石黑云母,細(xì)粒花崗片麻結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖體較破碎~較完整,占洞庫巖體80%以上,屬堅(jiān)硬巖。根據(jù)試驗(yàn)成果,按巖性并考慮對(duì)洞庫的影響程度,對(duì)圍巖物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。以標(biāo)高+20m為界,將不同深度的花崗片麻巖試樣分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表1為飽和試樣塊體密度、彈性模量、泊松比和抗剪強(qiáng)度值。按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5218―94)對(duì)該區(qū)域巖體分級(jí),在洞庫影響范圍內(nèi)各級(jí)巖體所占百分比如表2所示。在該分級(jí)中,I級(jí)圍巖穩(wěn)定性最好,V級(jí)圍巖穩(wěn)定性最差。由該表可以看出,洞庫圍巖多為II級(jí)和III級(jí),整體穩(wěn)定性較好。3試樣宏觀變形過程和圍巖完整性分析為了研究洞庫圍巖的力學(xué)性質(zhì),開展了巖石室內(nèi)三軸試驗(yàn)。巖石為花崗片麻巖,試樣巖芯取自工程現(xiàn)場(chǎng),埋深約為180m。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將巖芯切割打磨成標(biāo)準(zhǔn)試樣。經(jīng)測(cè)量試樣密度約為2.66g/cm3。試驗(yàn)設(shè)備采用RLW―500型巖石三軸儀,如圖1所示,儀器最大軸力為500kN。根據(jù)埋深,試驗(yàn)中圍壓選為5MPa。試驗(yàn)過程先施加圍壓至5MPa,而后施加偏應(yīng)力至試驗(yàn)完成。為獲得試樣的峰后行為,試驗(yàn)采用位移控制,加載速率約為0.5mm/h。試驗(yàn)獲得的巖石偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線分別如圖2和3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn):(1)在圍壓為5MPa下,試樣峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度分別為173MPa和30MPa,表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變軟化現(xiàn)象;(2)試驗(yàn)過程中,試樣體積先縮小后增大,在軸向應(yīng)變?yōu)?.004時(shí),試驗(yàn)開始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。結(jié)合試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線,試驗(yàn)過程中試樣的宏觀變形過程大體可分為3個(gè)階段:(1)初始?jí)好茈A段(I階段):該階段內(nèi),隨著應(yīng)力水平增加試樣體積縮小,試樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象;(2)硬化剪脹階段(II階段):該階段內(nèi),隨著應(yīng)力水平增加,試樣體積增大,試樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象;(3)軟化剪脹階段(III階段):該階段內(nèi),試樣出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,但體積持續(xù)增加。從微觀角度考慮,I階段內(nèi),試樣受剪壓密導(dǎo)致試樣體積減小;而在II階段內(nèi),由于試樣中微裂紋萌生和延伸,引起試樣體積增大;而在III階段,試樣中裂紋貫通引起了試樣體積增大,同時(shí)由于破裂面出現(xiàn),試樣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。從上述分析不難看出,雖然試樣在峰值處出現(xiàn)宏觀破裂面,但是試樣中裂紋是從剪脹開始處萌生,并逐漸擴(kuò)展,因此圍巖的完整性從剪脹出現(xiàn)處開始受到破壞。在地下工程穩(wěn)定性分析中,通常采用峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的摩擦角來描述圍巖的性質(zhì),但該模型適用于較高應(yīng)力水平。針對(duì)地下水封石油洞庫工程完整性分析,峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的摩擦角不能滿足要求。圖4為偏應(yīng)力-平均主應(yīng)力空間剪縮區(qū)和剪脹區(qū)分布圖。根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果,在偏應(yīng)力-平均主應(yīng)力空間,峰值線下存在一條剪脹線。在剪脹線以下,巖石受剪切力作用,體積變小,巖石密實(shí)程度增加;而在剪脹線以上,巖石受剪切力作用,體積增大,巖石密實(shí)程度減低。圖中,d、?d為剪脹線對(duì)應(yīng)參數(shù);c、?p為峰值線對(duì)應(yīng)參數(shù)。因此,可采用剪脹線描述圍巖密實(shí)度變化情況。圖中還給出了常規(guī)三軸試驗(yàn)中試樣和工程實(shí)踐中圍巖的應(yīng)力路徑示意圖。4分析4.1洞室及網(wǎng)格劃分分析采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行。由于洞庫洞室長度(500~600m)遠(yuǎn)大于洞室截面尺寸(20~30m),視為平面應(yīng)變問題求解。9個(gè)洞室從左向右依次展開,研究范圍選取了左右側(cè)洞室(即1#和9#洞室)各外延1000m,上至地表,下至距洞室底板400m的巖體。采用8節(jié)點(diǎn)二次平面應(yīng)變單元離散研究范圍,共劃分了5750個(gè)單元,節(jié)點(diǎn)數(shù)為17409個(gè)。離散過程中,在洞室周圍加密劃分了網(wǎng)格。分析中,邊界條件指定如下:模型左右側(cè)邊界橫向位移為0,下方邊界橫向和縱向位移均為0,地表為自由位移邊界,洞室開挖后洞壁為自由位移邊界條件。4.2abaqus用戶子程序分析由于該大型不襯砌地下水封石油洞庫地表為山丘地形,因此巖體中初始地應(yīng)力在同一高程并不相同。為合理模擬地表起伏情況下巖體中的初始地應(yīng)力場(chǎng),采用ABAQUS中用戶子程序SIGINI進(jìn)行處理。在用戶子程序中,按照各單元埋深,指定初始地應(yīng)力場(chǎng)。圖5為考慮地表起伏情況下獲得的初始豎向應(yīng)力分布情況。圖中可以看出,初始地應(yīng)力分布與地表起伏情況相關(guān);在同一高程埋深較大部位,初始地應(yīng)力比其他部位高?？紤]到洞庫建設(shè)的實(shí)際情況,分析分為兩步進(jìn)行:(1)初始地應(yīng)力平衡。采用用戶子程序生成初始地應(yīng)力場(chǎng)。(2)施工期洞庫開挖。洞庫開挖通過去除洞庫單元實(shí)現(xiàn),洞庫洞壁節(jié)點(diǎn)力指定為0。4.3模量、模量和等效塑性洞庫圍巖主要為完整性較好的花崗巖,故采用彈塑性本構(gòu)模型描述洞庫巖體的力學(xué)性質(zhì)。彈性通過巖體的彈性模量和泊松比定義。考慮到尺寸效應(yīng)及相關(guān)研究成果,巖體彈性模量取為5GPa,泊松比取為0.18。塑性采用摩爾-庫侖模型描述,為了研究摩擦角和剪脹角對(duì)圍巖完整性的影響,摩擦角分別取值為20o、25o和30o,剪脹角分別取值為15o、20o、25o和30o,其中摩擦角基準(zhǔn)值為25o,剪脹角基準(zhǔn)值為20o。對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù),硬化參數(shù)取值如下:當(dāng)黏聚力為2.5MPa時(shí),等效塑性應(yīng)變?yōu)?;當(dāng)黏聚力為5MPa時(shí),等效塑性應(yīng)變?yōu)?.01。5結(jié)果與分析5.1圍巖滑動(dòng)性能圖6為基準(zhǔn)工況下(摩擦角為25o、剪脹角為20o)各洞室開挖后等效塑性應(yīng)變分布圖。從上到下分別為1~3、4~6、7~9號(hào)洞室周圍分布圖。由于根據(jù)圍巖剪脹性質(zhì)選取屈服參數(shù),等效塑性應(yīng)變反映了圍巖屈服后體積增加情況,可視為度量開挖引起的圍巖松動(dòng)程度的物理量。由于洞室開挖,5~9號(hào)洞室圍巖中存在不同范圍的松動(dòng)區(qū),且松動(dòng)區(qū)范圍大體與埋深成正比。從左至右4~9號(hào)洞室開挖松動(dòng)區(qū)范圍分別為6.8、7.1、8.9、10.6、9.7、10.2m。從圖中可以看到,7~9號(hào)洞室圍巖松動(dòng)范圍較大。圖7為在剪脹角為15o條件下,不同摩擦角7~9號(hào)洞室開挖后圍巖等效塑性應(yīng)變分布圖。從上到下,分別對(duì)應(yīng)摩擦角為20o、25o和30o工況。從圖中可以看到,隨著摩擦角的增加,圍巖松動(dòng)范圍逐漸減小,松動(dòng)程度逐漸降低。圖8為在摩擦角為25o條件下,不同剪脹角7~9號(hào)洞室開挖后等效塑性應(yīng)變分布圖。從圖中可以看到,隨著剪脹角的增加,圍巖松動(dòng)范圍和松程度變化不大。圖9為最大等效塑性應(yīng)變-摩擦角和等效塑性應(yīng)變-剪脹角關(guān)系曲線。隨著摩擦角的增加,最大等效塑性應(yīng)變減小;而隨著剪脹角增加,最大等效塑性應(yīng)變?cè)黾?。最大等效塑性?yīng)變,即松動(dòng)程度對(duì)摩擦角的敏感性大于對(duì)剪脹角的敏感性。5.2摩擦角剪脹角圖10為在剪脹角為15o條件下不同摩擦角7、8號(hào)洞室中墻水平方向軸向和切向應(yīng)力分布圖。圖例中R表示軸向應(yīng)力,T表示切向應(yīng)力,數(shù)字表示摩擦角。洞罐開挖引起徑向應(yīng)力的減小和切向應(yīng)力的增大。摩擦角不同,應(yīng)力分布不同。在摩擦角為20o和25o時(shí),7、8號(hào)洞室中墻處徑向應(yīng)力大于摩擦角為30o時(shí),而切向應(yīng)力小于摩擦角為30o時(shí)切向應(yīng)力。圖11為在剪脹角為25o條件下,不同剪脹角7、8號(hào)洞室中墻水平方向軸向和切向應(yīng)力分布圖。圖例中R、T的意義與圖10相同,而數(shù)字表示剪脹角。不同剪脹角條件下,開挖后洞室周圍應(yīng)力分布差異不大。5.3摩擦角-剪脹角關(guān)系圍巖變形的大小是反映圍巖完整性最直接的物理量。圖12為基準(zhǔn)工況下洞壁變形矢量圖,從上到下分別為1~3、4~6、7~9號(hào)洞室周圍分布圖。從圖中看洞室的開挖引起了洞庫圍巖變形,變形大小與埋深密切相關(guān)。變形方向不但與節(jié)點(diǎn)位置有關(guān),也與地表走勢(shì)有關(guān)。從1~8號(hào)洞庫,拱頂處位移矢量方向從指向右下方逐漸變換為指向正下方,而9#洞庫洞壁位移矢量方向略指向左下方。圖13為拱頂沉降-摩擦角關(guān)系和拱頂沉降-剪脹角關(guān)系曲線圖。拱頂沉降隨摩擦角增大而減小,與剪脹角變化關(guān)系不大。拱頂沉降對(duì)摩擦角的敏感性要大于對(duì)剪脹角的敏感性。而深埋洞室拱頂沉降對(duì)摩擦角的敏感性高于淺埋洞室對(duì)摩擦角敏感性。圖14為水平收斂-摩擦角和水平收斂-剪脹角關(guān)系曲線圖。水平收斂為位于洞室邊墻中點(diǎn)處相對(duì)水平位移值。水平收斂隨摩擦角增大而減小,隨剪脹角增大而增大。水平收斂對(duì)摩擦角和剪脹角均具有較強(qiáng)的敏感性。而深埋洞室水平收斂對(duì)摩擦角和剪脹角的敏感性高于淺埋洞室。6圍巖完整性分