浅谈地下水封石油洞库围岩完整性的保护.docx

浅谈地下水封石油洞库围岩完整性的保护 1 在岩石学和矿物学方面的应用研究 地下水石油井的形成是在坚硬岩石上储存石油的方法。相比于地面储库,地下储库具有占地小、安全性高、运营费用低等优点。地下水封石油洞库是通过人工在地下岩体中开挖形成的,这种地下水封洞库储存石油应具备两个条件:(1)密封;(2)具有一定强度,以保证油品不渗、不漏、不挥发。 围绕地下水封洞库工程建设中的关键科学问题,杨明举和关宝树结合汕头地下水封储气洞库工程,阐述了地下水封洞库储存石油液化气原理,并分析了汕头储气洞库的稳定性和涌水量。李仲奎等分析了不衬砌地下洞室密封措施及关键指标等问题。王芝银等研究了不同洞室开挖顺序的应力变形分布规律及考虑流变特性时油库的变形规律特点。刘青勇等采用水动力学方法,研究了地下水封石油洞库对地下水的影响。许建聪和郭书太采用有限差分法研究了地下水封储油洞库涌水量。时洪斌系统研究了黄岛地下水封洞库水封条件和围岩稳定性。上述研究有力地促进了我国在硬质岩体中进行能源储存的理论和技术水平。 地下水封石油洞库建设在我国刚刚起步,其岩土力学性质分析很难从工程经验上进行总结类比。与其他行业地下洞室相比,地下水封石油洞库具有不衬砌、洞室密度大、对围岩完整性要求高等特点。经典摩尔-库仑模型中的峰值摩擦角概念仅适用于描述围岩破坏性质,而不适用于围岩完整性的描述。因此,如何评价围岩完整性是一个值得考虑的问题。 另一方面,在地下工程设计中,力学计算分析已经成为重要手段,而分析结果准确性很大程度上取决于所选力学参数是否准确。然而,岩土材料力学参数具有较大的不确定性,这给评价地下工程各种性质带来了困难。针对这一难题,朱维申等提出了敏感性分析方法,并对影响地下工程围岩稳定性的一系列参数进行了单因素敏感性分析。章光等开展了参数敏感性分析并应用于试验方案优化。夏元友等利用神经网络对边坡稳定性进行了敏感性分析。侯哲生等利用非线性有限元对金川二矿某航道围岩稳定性参数进行了敏感性分析。 本研究中,以我国首个在建的大型不衬砌地下水封石油储备库建设项目为背景,在围岩的三轴试验基础上,提出采用剪胀起始点作为屈服点,实现了洞库施工期围岩完整性分析。同时,开展了洞库完整性对摩擦角和剪胀角的敏感性研究。研究成果可为分析和评价地下洞室群围岩完整性及地下水封油库水封系统设计提供依据。 2 地下储库地质概况 该大型不衬砌石油储备库地下水封洞库工程是目前国内首个正在实施的大型地下原油储备库建设项目。工程库址区属低山丘陵地貌。洞库山体近东西走向,山脊标高280~350 m,地形坡度一般为35°~55°。地面平均标高为220 m,最高点标高为350.9 m。储库洞室区呈北偏西方向展布,东西宽600 m,南北长约838 m。工程包括地下工程和地上辅助设施两部分,设计库容为300×104m3,洞库设计使用年限为50 a。地下储库由9个洞室组成。9个洞室按南北偏西平行设置,每3个主洞室之间通过4条支洞相连组成一个罐体,共分为3个洞罐组。洞室设计底板面标高为–50 m,长度为500~600 m不等,设计洞跨为20 m,洞高为30 m,截面形状为直墙圆拱形。洞室壁与相邻施工巷道壁之间设计间距为25 m,两个洞室之间设计间距为30 m。 工程库址区主要发育北东走向及近东西向两条断裂带,褶皱构造不发育。断裂仅对库址区选址有影响,对洞库工程建设影响不大。库址区内探明的次级断裂及节理将在洞室开挖前进行注浆加固处理,对地下水流动和洞库稳定性影响有限。根据地质勘察报告,库址区内的地层主要为晚元古界花岗片麻岩,浅肉红色~浅青灰色,主要矿物为钾长石、斜长石、石英、角闪石黑云母,细粒花岗片麻结构,块状构造,岩体较破碎~较完整,占洞库岩体80%以上,属坚硬岩。 根据试验成果,按岩性并考虑对洞库的影响程度,对围岩物理力学参数进行分类统计,统计结果如表1所示。以标高+20 m为界,将不同深度的花岗片麻岩试样分别进行统计。表1为饱和试样块体密度、弹性模量、泊松比和抗剪强度值。 按照《工程岩体分级标准》(GB5218―94)对该区域岩体分级,在洞库影响范围内各级岩体所占百分比如表2所示。在该分级中,I级围岩稳定性最好,V级围岩稳定性最差。由该表可以看出,洞库围岩多为II级和III级,整体稳定性较好。 3 试样宏观变形过程和围岩完整性分析 为了研究洞库围岩的力学性质,开展了岩石室内三轴试验。岩石为花岗片麻岩,试样岩芯取自工程现场,埋深约为180 m。在实验室内将岩芯切割打磨成标准试样。经测量试样密度约为2.66 g/cm3。试验设备采用RLW―500型岩石三轴仪,如图1所示,仪器最大轴力为500 k N。根据埋深,试验中围压选为5 MPa。试验过程先施加围压至5 MPa,而后施加偏应力至试验完成。为获得试样的峰后行为,试验采用位移控制,加