浅谈地下水封洞库水封系统

浅谈地下水封洞库水封系统

根据地下水封洞库的原理，以洞库的水封性实现条件入手，分别探讨了天然地下水及人工水幕的建设过程，并强调了要注意的问题。

标签：水封 水幕 天然地下水

0引言

目前由于国家油气储备已上升到战略高度，相对地上储备，地下储备洞库投资省，维护费用低，目前已开始在国内大量采用。国外地下储气洞库起步较早，根据地下储存地质环境的不同，主要有四种不同类型：地下砂岩含水层储备、油气田储备功能性推荐规范、盐岩岩穴储备功能性、地下开挖石洞储备。而以黄岛为首的大型地下储油洞库为地下开挖石洞油库，其相对于地下的溶盐洞穴，尤其是那些地层中不含有盐矿或者含有的盐矿不具备溶解开采特性时，是非常可取的。

1地下水封洞库的原理

地下水封储油库是通过人工在地下岩石中开挖形成的，其密封是通过地下水往洞内渗透实现的，地下洞库必须建在稳定的地下水位线以下，洞的埋深与所储存的介质压力有关，以保证洞库周围的地下水压力大于洞内储存介质的压力；为保证强度地下水封储气洞库一般修建在岩性较好的岩体中。洞室开挖前，地下水通过节理裂隙渗透到岩层的深部并完全充满岩层空隙，洞室开挖形成后，周围岩石中的裂隙水就向被挖空的洞室流动，并充满洞室。在洞室中注入石油后，洞室周围会存在一定油、水压力差，因而在任一相同水准上，地下静水力都大于洞内油压，这样，洞内石油就储存在这个封闭的压力场中。在水压力的作用下，岩体中的裂隙水不断地流入洞室中，而石油却不能从裂隙中泄漏。流入洞内的水沿洞壁汇集到洞底部形成水垫层，由于油比水轻、油水不相混，石油始终漂浮在洞室底部的水垫层上。通过油水介面检测仪监视其液位，待达到一定高度时，用装在洞内的潜液泵将水排出洞外。

2地下水封实现条件

地下水封洞库水幕系统的布置原则：

目前山东青岛、烟台、湛江、惠州，辽宁锦州等地已经进入实质性的施工阶段，而这几个洞库的选址都是近海地段，相对于目前新加坡、韩国等在海底建设的洞库，近海洞库天然水力条件较差，人工水幕系统作为补充是必不可少的。

水幕系统作为人工补水措施，主要由水幕廊道和水幕孔组成，其范围要覆盖整个地下洞库并且相对库区的边界要做出一定程度的延伸，目前国内的洞库以黄岛，湛江为例，水幕也孔布置超出洞库边界10米。

水幕系统的埋深主要由主洞室顶板的高度及地质条件来控制。为了保证人工补水的有效性及适量性，一般会控制在主洞室顶板上方20～30米之间，两方面原因：1.距离过高会导致人工地下水不能有效补给到储油洞室水力控制边界范围内，效率低，造成浪费2.距离过小，人工补水水力通道短，进入洞室内涌水量过大，渗水的处理成本过高且由于水的大量存在，导致洞室的稳定性降低。

水幕系统的布置形式有水平的，倾斜及垂直三种形式，其布置形式主要由库区的地质构造及优势节理裂隙的产状来控制。为了保证人工补水的效率，水幕孔的方向要与优势节理面大角度的相交。

3地下洞库水封性的实现

3.1施工过程中天然地下水的保证

如上述所说，地下洞库水封系统组成主要为天然地下水，从洞室一般布置看，具有规模大、洞室多、布置密的特点；储油主洞室具有“大跨度、高边墙、不衬砌（或基本不衬砌）”的特点；洞室纵横、大小相贯、平竖相接，地下空间的采空率较高，这样以来伴随着地下洞库的开挖，天然地下水力场必然会受扰动，最终会形成的以洞库为中心、一定规模地下水漏斗，那么如何在建设过程中最小程度的减小地下水的损失最成为关键的因素所在。

勘察阶段，主要能过对场址进行地质调查、地球物理勘探、钻孔勘察、实验、水质分析等方式得到充分的地质资料，其目的主要用来选址、计算洞室的埋深及覆盖岩层的厚度、地下水的渗流途径及形式，查明可能出现的影响储存不同产品的相邻洞室独立操作的构造。而在其中钻孔勘察是必不可少的，而勘察孔的存在会导致地下水位局部的下降，为了保证勘察孔的尽量合理利用，首先在水幕系统标高以下要对勘察孔进行封堵，以上部分可以做为水位监测孔来用施工阶段，因为地下水封洞库地下储油库选址首先必须要满足岩体的完整性，即应选出无深性断层和断裂、裂隙不甚发育的结晶岩体，而在这种地质条件下天然地下水的存在形式也主要以基岩裂隙水为主。而基岩裂隙水的存在并不像土体渗流介质一样与周围的水力场有较好的联系，其补给的方式也主要以天然降水补给，为了尽量大的保证天然降水的补给量，在地表设施的施工过程中要尽量减少地表植被及第四系土的破坏，减少库区地面的裸露面积，防止天然降水以地表径流的形式流失，从面最大程度的增加蓄水量。

地下水封岩洞储库既要满足长期稳定的设计地下水位，并保持可靠而在地下施工的过程中的静水压力，同时，又需要满足洞室的涌水量要小，以利于施工和降低运营成本，为此一定的稳定地下水位与较小的涌水量成为地下岩洞储库的矛盾的统一体。由于水封洞库的原理是建立在地下水的特性上，因此，在洞库的施工工程中如何有效的处理地下水十分重要，

对渗水的治理目前较为常用的方法就是注浆，注浆法是利用压力将能固化的浆液通过钻孔注人岩土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力学性能改善的一种方

法。注浆法在水利水电工程中多称为灌浆法。根据注浆时间相对于开挖时间先后，可以分为预注浆及后注浆。在开挖前进行注浆为预注浆，开挖后进行注浆的为后注浆。

预注浆在因为未开挖之前时行，有较大的盖重，因此注浆压力较大。适用范围上主要是已探明的前方有富水构造更糟，水量较大，水压较高。后注浆主要是对已揭露岩面而进行的注浆，针对性较强，但相对于预注浆来说，压力相对较小。

对于地下水封洞库来说，由其工程特点可以了解到，其岩石的完整性较好，因此注浆的目的主要为防渗、堵水，但是为了充分保持地下水最大程度上不被扰动，避免地下水的散失，作为事前控制，预注浆优先。具体施工过程为，每一轮开挖前，尤其是顶层的开挖，超前探孔先行，对探孔内渗水水量达到一定范围的掌子面进行预注浆。当然后注浆作为事后控制也是必不可少的。

建立预报系统。在洞室的开挖过程中，要建立预报系统，定期的对定下水位进行观测，控制地下水向洞内的渗流，预防富水构造失水以及在施工期间地下水位急剧下降。一方面以洞库的水力控制边界钻水文观测孔，也可以结合详细勘察孔，周期不大于3天。

3.2施工中人工水幕补水的保证

人工补水作为天然地下水的补充，其核心问题在于水幕孔的间距。目前国内外主要以10米为基准距离，是否加孔取决于水力试验验数据的分析。试验分两步：

第一步：水幕孔注水-回落试验：以一定的压力注水，稳定后停止，过程中观测水压力、流量及时间的关系，其目的分析该区域内各个水幕孔围岩渗透性。

第二步：水幕孔连通性试验，方法为对单数孔进行注水，观看相邻的双数孔的压力变化情况。如果变化较为敏感证明孔与孔这间连通性较好，反之较差，较差的情况下一般要加孔。

人工补水实现的过程也是工程重要的部分之一，需要特别注意的是，水幕孔单孔钻孔过程中，要在不同的进尺进行岩芯描述或钻孔成像，充分掌握水幕孔的地质情况。另外，水幕孔之间加孔，要进行新一轮的水力试验，直到满足设计规范要求为止。

4总结

国内地下水封洞库只是刚起步阶段，在理论与实践上与国际上还有一定的差距，目前山东青岛、烟台的库已经基本完工，获得许多宝贵经能验，在水封性方面需要注意的几个问题：

（1）打破传统思维。地下工程的设计、施工企业还是以铁路、水利等传统

的行业为主，其在整个建设过程中，关注的核心问题是洞库结构的稳定性，对水封性的实现性没有引起足够的关注，组织设计也缺乏一定的系统性。在今后工程中，要打破传统思维，将水封性与结构稳定性贯穿于整个建设过程中。

（2）因地制宜。对于洞库内的涌水量，目前还未形成一定的标准，在建的洞库的标准主要是借鉴海底隧道的标准，以单位长度及体积来控制涌水量，当然，这有一定的借鉴意义，但是这并不具有普遍通用性，在不同的洞库的建设过程中要根据库区岩体的渗透性及水文性况进行调整。

（3）在确保地下洞库密封性的条件中，还是以天然地下水为主，人工水幕为辅。在整个洞库的建设过程中保持地下水的稳定。