淺談地下水封石油洞庫圍巖完整性的保護

淺談地下水封石油洞庫圍巖完整性的保護

1在巖石學和礦物學方面的應用研究地下水石油井的形成是在堅硬巖石上儲存石油的方法。相比于地面儲庫,地下儲庫具有占地小、安全性高、運營費用低等優(yōu)點。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存石油應具備兩個條件:(1)密封;(2)具有一定強度,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中的關鍵科學問題,楊明舉和關寶樹結合汕頭地下水封儲氣洞庫工程,闡述了地下水封洞庫儲存石油液化氣原理,并分析了汕頭儲氣洞庫的穩(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鍵指標等問題。王芝銀等研究了不同洞室開挖順序的應力變形分布規(guī)律及考慮流變特性時油庫的變形規(guī)律特點。劉青勇等采用水動力學方法,研究了地下水封石油洞庫對地下水的影響。許建聰和郭書太采用有限差分法研究了地下水封儲油洞庫涌水量。時洪斌系統(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了我國在硬質(zhì)巖體中進行能源儲存的理論和技術水平。地下水封石油洞庫建設在我國剛剛起步,其巖土力學性質(zhì)分析很難從工程經(jīng)驗上進行總結類比。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、對圍巖完整性要求高等特點。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,如何評價圍巖完整性是一個值得考慮的問題。另一方面,在地下工程設計中,力學計算分析已經(jīng)成為重要手段,而分析結果準確性很大程度上取決于所選力學參數(shù)是否準確。然而,巖土材料力學參數(shù)具有較大的不確定性,這給評價地下工程各種性質(zhì)帶來了困難。針對這一難題,朱維申等提出了敏感性分析方法,并對影響地下工程圍巖穩(wěn)定性的一系列參數(shù)進行了單因素敏感性分析。章光等開展了參數(shù)敏感性分析并應用于試驗方案優(yōu)化。夏元友等利用神經(jīng)網(wǎng)絡對邊坡穩(wěn)定性進行了敏感性分析。侯哲生等利用非線性有限元對金川二礦某航道圍巖穩(wěn)定性參數(shù)進行了敏感性分析。本研究中,以我國首個在建的大型不襯砌地下水封石油儲備庫建設項目為背景,在圍巖的三軸試驗基礎上,提出采用剪脹起始點作為屈服點,實現(xiàn)了洞庫施工期圍巖完整性分析。同時,開展了洞庫完整性對摩擦角和剪脹角的敏感性研究。研究成果可為分析和評價地下洞室群圍巖完整性及地下水封油庫水封系統(tǒng)設計提供依據(jù)。2地下儲庫地質(zhì)概況該大型不襯砌石油儲備庫地下水封洞庫工程是目前國內(nèi)首個正在實施的大型地下原油儲備庫建設項目。工程庫址區(qū)屬低山丘陵地貌。洞庫山體近東西走向,山脊標高280~350m,地形坡度一般為35°~55°。地面平均標高為220m,最高點標高為350.9m。儲庫洞室區(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施兩部分,設計庫容為300×104m3,洞庫設計使用年限為50a。地下儲庫由9個洞室組成。9個洞室按南北偏西平行設置,每3個主洞室之間通過4條支洞相連組成一個罐體,共分為3個洞罐組。洞室設計底板面標高為–50m,長度為500~600m不等,設計洞跨為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計間距為25m,兩個洞室之間設計間距為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,褶皺構造不發(fā)育。斷裂僅對庫址區(qū)選址有影響,對洞庫工程建設影響不大。庫址區(qū)內(nèi)探明的次級斷裂及節(jié)理將在洞室開挖前進行注漿加固處理,對地下水流動和洞庫穩(wěn)定性影響有限。根據(jù)地質(zhì)勘察報告,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,細粒花崗片麻結構,塊狀構造,巖體較破碎~較完整,占洞庫巖體80%以上,屬堅硬巖。根據(jù)試驗成果,按巖性并考慮對洞庫的影響程度,對圍巖物理力學參數(shù)進行分類統(tǒng)計,統(tǒng)計結果如表1所示。以標高+20m為界,將不同深度的花崗片麻巖試樣分別進行統(tǒng)計。表1為飽和試樣塊體密度、彈性模量、泊松比和抗剪強度值。按照《工程巖體分級標準》(GB5218―94)對該區(qū)域巖體分級,在洞庫影響范圍內(nèi)各級巖體所占百分比如表2所示。在該分級中,I級圍巖穩(wěn)定性最好,V級圍巖穩(wěn)定性最差。由該表可以看出,洞庫圍巖多為II級和III級,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性質(zhì),開展了巖石室內(nèi)三軸試驗。巖石為花崗片麻巖,試樣巖芯取自工程現(xiàn)場,埋深約為180m。在實驗室內(nèi)將巖芯切割打磨成標準試樣。經(jīng)測量試樣密度約為2.66g/cm3。試驗設備采用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,試驗中圍壓選為5MPa。試驗過程先施加圍壓至5MPa,而后施加偏應力至試驗完成。為獲得試樣的峰后行為,試驗采用位移控制,加載速率約為0.5mm/h。試驗獲得的巖石偏應力-軸向應變曲線和體積應變-軸向應變曲線分別如圖2和3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn):(1)在圍壓為5MPa下,試樣峰值強度和殘余強度分別為173MPa和30MPa,表現(xiàn)出顯著的應變軟化現(xiàn)象;(2)試驗過程中,試樣體積先縮小后增大,在軸向應變?yōu)?.004時,試驗開始出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。結合試樣的應力-應變曲線和體積應變-軸向應變曲線,試驗過程中試樣的宏觀變形過程大體可分為3個階段:(1)初始壓密階段(I階段):該階段內(nèi),隨著應力水平增加試樣體積縮小,試樣表現(xiàn)為應變硬化現(xiàn)象;(2)硬化剪脹階段(II階段):該階段內(nèi),隨著應力水平增加,試樣體積增大,試樣表現(xiàn)為應變硬化現(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,同時由于破裂面出現(xiàn),試樣表現(xiàn)出應變軟化現(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,通常采用峰值強度對應的摩擦角來描述圍巖的性質(zhì),但該模型適用于較高應力水平。針對地下水封石油洞庫工程完整性分析,峰值強度對應的摩擦角不能滿足要求。圖4為偏應力-平均主應力空間剪縮區(qū)和剪脹區(qū)分布圖。根據(jù)三軸試驗結果,在偏應力-平均主應力空間,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,巖石密實程度減低。圖中,d、?d為剪脹線對應參數(shù);c、?p為峰值線對應參數(shù)。因此,可采用剪脹線描述圍巖密實度變化情況。圖中還給出了常規(guī)三軸試驗中試樣和工程實踐中圍巖的應力路徑示意圖。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進行。由于洞庫洞室長度(500~600m)遠大于洞室截面尺寸(20~30m),視為平面應變問題求解。9個洞室從左向右依次展開,研究范圍選取了左右側洞室(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)點二次平面應變單元離散研究范圍,共劃分了5750個單元,節(jié)點數(shù)為17409個。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力場,采用ABAQUS中用戶子程序SIGINI進行處理。在用戶子程序中,按照各單元埋深,指定初始地應力場。圖5為考慮地表起伏情況下獲得的初始豎向應力分布情況。圖中可以看出,初始地應力分布與地表起伏情況相關;在同一高程埋深較大部位,初始地應力比其他部位高?？紤]到洞庫建設的實際情況,分析分為兩步進行:(1)初始地應力平衡。采用用戶子程序生成初始地應力場。(2)施工期洞庫開挖。洞庫開挖通過去除洞庫單元實現(xiàn),洞庫洞壁節(jié)點力指定為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,故采用彈塑性本構模型描述洞庫巖體的力學性質(zhì)。彈性通過巖體的彈性模量和泊松比定義。考慮到尺寸效應及相關研究成果,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,其中摩擦角基準值為25o,剪脹角基準值為20o。對照試驗數(shù)據(jù),硬化參數(shù)取值如下:當黏聚力為2.5MPa時,等效塑性應變?yōu)?;當黏聚力為5MPa時,等效塑性應變?yōu)?.01。5結果與分析5.1圍巖滑動性能圖6為基準工況下(摩擦角為25o、剪脹角為20o)各洞室開挖后等效塑性應變分布圖。從上到下分別為1~3、4~6、7~9號洞室周圍分布圖。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程度的物理量。由于洞室開挖,5~9號洞室圍巖中存在不同范圍的松動區(qū),且松動區(qū)范圍大體與埋深成正比。從左至右4~9號洞室開挖松動區(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號洞室圍巖松動范圍較大。圖7為在剪脹角為15o條件下,不同摩擦角7~9號洞室開挖后圍巖等效塑性應變分布圖。從上到下,分別對應摩擦角為20o、25o和30o工況。從圖中可以看到,隨著摩擦角的增加,圍巖松動范圍逐漸減小,松動程度逐漸降低。圖8為在摩擦角為25o條件下,不同剪脹角7~9號洞室開挖后等效塑性應變分布圖。從圖中可以看到,隨著剪脹角的增加,圍巖松動范圍和松程度變化不大。圖9為最大等效塑性應變-摩擦角和等效塑性應變-剪脹角關系曲線。隨著摩擦角的增加,最大等效塑性應變減小;而隨著剪脹角增加,最大等效塑性應變增加。最大等效塑性應變,即松動程度對摩擦角的敏感性大于對剪脹角的敏感性。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號洞室中墻水平方向軸向和切向應力分布圖。圖例中R表示軸向應力,T表示切向應力,數(shù)字表示摩擦角。洞罐開挖引起徑向應力的減小和切向應力的增大。摩擦角不同,應力分布不同。在摩擦角為20o和25o時,7、8號洞室中墻處徑向應力大于摩擦角為30o時,而切向應力小于摩擦角為30o時切向應力。圖11為在剪脹角為25o條件下,不同剪脹角7、8號洞室中墻水平方向軸向和切向應力分布圖。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,開挖后洞室周圍應力分布差異不大。5.3摩擦角-剪脹角關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為基準工況下洞壁變形矢量圖,從上到下分別為1~3、4~6、7~9號洞室周圍分布圖。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。變形方向不但與節(jié)點位置有關,也與地表走勢有關。從1~8號洞庫,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-摩擦角關系和拱頂沉降-剪脹角關系曲線圖。拱頂沉降隨摩擦角增大而減小,與剪脹角變化關系不大。拱頂沉降對摩擦角的敏感性要大于對剪脹角的敏感性。而深埋洞室拱頂沉降對摩擦角的敏感性高于淺埋洞室對摩擦角敏感性。圖14為水平收斂-摩擦角和水平收斂-剪脹角關系曲線圖。水平收斂為位于洞室邊墻中點處相對水平位移值。水平收斂隨摩擦角增大而減小,隨剪脹角增大而增大。水平收斂對摩擦角和剪脹角均具有較強的敏感性。而深埋洞室水平收斂對摩擦角和剪脹角的敏感性高于淺埋洞室。6圍巖完整性分