（油气储运工程专业论文）lpg地下水封岩洞储库断面设计与研究.pdf

l p g u n d e r g r o u n d c a v e r nc r o s s s e c t i o n d e s i g na n d r e s e a r c h a b s t r a c t ：l p gu n d e r g r o u n dc a v e r n sw i l lb ew i d e l yc o n s t r u c t e da n du s e df o r l p gs t o r a g ei nc h i n a a n d u n d e r g r o u n d c a v e r n sc r o s s s e c t i o n d e s i g n i n v o l v i n gs u c hp r o b l e m sa st h es t a b i l i t yo ft h ec a v e r n sa n dc o n s t r u c t i o nc o s t ， e t c b e c o m e st h ef o c a lo ft h ee n g i n e e r i n gc o n c e m e d t h e r e f o r e ，i nt h ec o u r s e o fc o n s t r u c t i n gl p g u n d e r g r o u n dc a v e m ，p e r f o r m i n ga n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nc a v e mc r o s ss e c t i o ni se x t r e m e l yi m p o r t a n tf o ra c h i e v i n gr a t i o n a ld e s i g n t h ep a p e r ，b ym e a n so fm e c h a n i c a la n a l y s i sm e t h o d ，c o n d u c t sa n a l y s i sa n d r e s e a r c ho nt h ec r o s s s e c t i o no fc a v e mt oo p t i m i z et h et y p e so fc r o s s - s e c t i o n i t m a i n l yi n v o l v e st h ed e v e l o p m e n to fl p gu n d e r g r o u n dc a v e r n ，p r o p o s a l s c h e m e sf o rc r o s s - s e c t i o n s d e s i g n ，e s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lm o d e l ， u n d e r g r o u n dc a v e r ns t a b i l i t y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，s c h e m e sc o m p a r i s o n a n ds e l e c t i o n ，a n dc o n c l u s i o no nt h ec r o s s s e c t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：l p g ，u n d e r g r o u n dc a v e r n ，c r o s s s e c t i o nd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石油 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：l 堑砬 如5 年，月弼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定1 学生签名： 导师签名： 幽；年罗月讶日 扣3 年f o 其s e t 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 自二十世纪九十年代以来，中国l p g 进口量猛增，增长速度超过 2 0 ，而国内生产的增长远远满足不了需求，l p g 进口量不断增加。随 着l p g 市场形式的变化，需要增加l p g 的储运设施，达到规模经营， 提高抗风险能力，必须建设大型l p g 储存基地。 l p g 储存按温度区分可分为低温储存和常温储存。按压力区分则可 分为常压储存和压力储存。总体上可以分为这样几种储存方式：地面常 温压力储罐储存、地面低温常压储罐储存、地下常温压力岩洞储存。 大型储存设施国内外普遍采用两种储存方式，即低温常压储存和地 下岩洞储存。l p g 低温常压储存，即将l p g 冷却至菜一温度，使其饱和 蒸气压接近于常压。由于储存温度很低( 丙烷为4 2 c ，丁烷一1 2 c ) ，低温 储罐的钢材必须具有良好的耐低温性能，并且要有一套复杂的制冷系统。 国外经过近三十年的发展施工，低温储罐日益大型化，设计制造技术也 日趋完善和成熟，尤其日本、美国和法国处于领先地位。 地下岩洞储罐与低温常压储罐不同，般位于较深的地下并直接以 岩石作为罐壁。近年来，由于地质勘探水平和挖掘技术的迅速提高，地 下岩洞储罐应用日益广泛，建造技术日趋成熟。 与大型低温储罐相比，l p g 地下岩洞储库具有造价省、储存量大、 运行维护费用低、占地少、安全性高、环境效果好等优越性。地下岩洞 具有接卸常温、半低温和低温l p g 的能力。我们的邻国韩国和日本在地 下储存l p g 方面近年来发展迅速。日本有3 6 个大型l p g 储库，总容量 为7 3 0 万1 1 1 3 ，全部为地面低温库；日本1 9 8 9 年开始挖掘l p g 地下岩洞 库进行试验，1 9 9 4 年3 月装上l p g 试验验证围岩的气密性、l p g 相变、 泵及其它设备的实用性和安全性能。1 9 9 3 年日本工程促进协会对地下岩 洞储存l p g 进行了可行性研究，认为从经济、环境和安全因素方面，l p g 地下岩洞库方案比原油地下库有更多的优越性。日本石油储存基地有地 上、海上和地下三种储存方式，他们经研究比较认为地下洞库比其它方 第1 章前言石油大学( 华东) 硕士论文 法的防水、防震、防爆、环保等性能都好，1 9 9 4 年止建成了总库容量达 5 0 0 x 1 0 4 m 3 的三座原油地下岩洞库。目前日本计划在建的7 个l p g 大型 储库中有5 个是地下岩洞库i l l 。由此可见，l p g 地下岩洞储存是大型l p g 储存基地建设的发展趋势。 根据世界各国的发展和经验，为满足国内l p g 不断增长的需要，大 力发展l p g 地下水封岩洞储库，增加储备能力，是一种可靠的保障。我 国沿海地区具有建设地下水封岩洞储库的地质条件，也具有一定的建库 经验。因此，我国l p g 地下水封岩洞储库的发展具有十分有利的条件和 广阔的发展前景。 在水封岩洞储库的建设中，牵涉到许多课题，其中由于洞库断面的 设计直接牵涉到洞库本身的安全性、经济性而显的尤其重要，本研究课 题正是为了某l p g 地下储库工程的建设而提出。 国：j 步l - 在洞罐断面设计上进行过不同形式的尝试，在实际应用中也 积累了大量的经验，总的来说，必须结合建库的条件进行实际的方案计 算、研究、分析与选择。国内早期7 0 年代和8 0 年代在埋深较浅的原油 洞罐和柴油洞罐作过较多的研究，当时有限元在岩体工程中的应用处于 研究阶段，由于计算机技术的不够完善，也无相磁的软件，虽然也借助 计算机进行研究分析，取得了一些成果，但是，由于需要人工划分网格， 人工输入数据、参数，不仅单元数量有限，而且，计算精度也不高。进 入8 0 年代后期以来，基本没有对洞罐断面设计进行研究，尤其在l p g 洞罐埋深较大的情况下洞罐断面的形式的研究基本没有开展过，而以前 的研究又不能反应l p g 洞罐的受力情况，无法直接在l p g 洞罐断面中 应用。因此，在建造l p g 地下水封岩洞储库时，对洞罐断面进行研究分 析，设计出合理的洞罐断面具有十分重要的意义。 根据l p g 地下水封岩洞储库在我国的发展趋势，以及计算机技术的 发展和应用软件的开发应用，本课题根据某拟建l p g 地下水封岩洞储库 的地质情况，结合国内外地下水封岩洞储库的相关经验，对l p g 地下水 封岩洞储库断面设计方案进行了分析计算，设计出合理的断面形式。力 2 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前壹 学分析理论采用有限元分析法，计算软件采用a n s y s 5 6 。 本论文主要包括下列内容：l p g 地下水封岩洞储库发展概况、l p g 地下水封岩洞储库的储存原理及组成、l p g 地下水封岩洞储库断面设计 方案，l p g 地下水封岩洞储库断面设计数学模型的建立，l p g 地下水封 岩洞储库断面设计力学分析，l p g 地下水封岩洞储库断面设计方案优选， l p g 地下储库工程洞储库断面设计，结论。 箜! 兰兰丝些! 查塾宣塑堕堕垄星塑翌 互垫奎兰! 兰查! 堡主i 鱼查 第2 章l p g 地下水封岩洞储库发展概况 石油及石油产品的地下储存，很早就在国外发展起来。在第一次世 界大战期间就已经有了地下储存烃类产品的理论。加拿大于1 9 1 5 年在安 大略省韦兰市附近建成了第一个地下储气库。美国于1 9 1 6 年利用在纽约 州西部伊利湖东岸港1 3 城市布法罗附近的一个枯竭气田建设了其第一个 地下储气库。1 9 1 6 年德国人提出了在岩盐中建造地下油库，1 9 4 5 年美国 就把这种设想变为现实1 2 1 。前苏联1 9 5 8 年也在卡卢加开始建造地下储气 库。1 9 3 9 年瑞典开始建造地下岩洞油库。第二次世界大战期间地下油库 开始迅速发展，储存方式和储存油品有了进一步拓展。地下油库广泛应 用了岩盐层空洞、岩石空洞、废矿坑、岩石的含水层、枯竭油气藏等方 式。地下油库广泛应用于储存天然气、原油、汽油、柴油、液化石油气 ( l p g ) 、乙烯、丙烯和丁烯以及煤气等等。 第二次世界大战期间，瑞典等北欧国家。为了防御空袭，采用岩石 爆破技术，在岩层内开挖了大量的地下岩洞，这些岩洞，在和平时期有 了新的用途，例如用它们作停车场、飞机库、军需库，甚至用作大型的 海军地下基地，其中也有很多岩洞用来作为地下油库。最初大约在1 9 3 9 年1 9 4 5 年期间，瑞典的地下油库不过是在开挖的石洞中放入钢板罐， 这种油库为洞式钢板罐。很显然此类油库空间利用率低( 只达5 0 ) ，钢 材用量多，施工复杂，造价昂贵。后来到1 9 4 5 1 9 5 5 年，发展了洞式贴 壁钢板罐，即在开挖的石洞中，沿岩壁衬钢板( 罐壁厚4 毫米，罐顶和罐 底厚5 嗡毫米) ，在钢板和岩壁之间灌入水泥砂浆或混凝土。这类油库结 构中，薄钢板作为贮油容器，只起到防渗作用，而贮油的静压力是由岩 石壁来承受的。目前，许多这样的罐仍然在使用。这类油库的使用经验， 又导致了地下油库的根本性发展。原来此种油库，要经常的排除积蓄的 渗水，否则水积多了，则会形成巨大的侧向压力，在空罐时可能将罐压 破，这是一个很大的缺点。能否利用这个水压反害为利卿人们从自然界 本身储集石油的能力得到了启发，大量的坂油和天然气贮集在沉积岩床 4 互垫查堂! 兰查! 堡主堡兰 箜! 童望鱼丝! 查茎壹塑堡鏖垄壁! ! 翌 的空隙里并没有流失，很多油气集贮于砂岩的孔隙也没漏泄，原因是围 岩的渗透率很低，再加上四周水的压力使它们不能渗漏出来。花岗岩、 片麻岩等岩石最坚硬致密，虽然在自然界里，它们并不生成石油或集储 石油，能否创造条件把石油贮存在这种岩石里昵? 早在1 9 3 7 年，瑞典政 府曾经做了水泥被复的石洞贮油的试验，发现只要水泥孔隙充满了水就 不跑油。那么怎样才能使贮油洞室的围岩孔隙中充满水泥? 联想到历史经 验，1 9 世纪末就曾利用地下小石洞贮集过压缩空气，方法是贮气室上方 建造一个贮水池利用从上方渗流下来的水的压力包围气体使之不能逃 逸。提出了不挖贮水池而把石洞建造在稳定的地下水位以下而达到水封 的目的想法* 瑞典发明家h j a n s s o n 在1 9 3 9 年的一项专利中建议地下岩洞储罐不 用衬里，把油品储存在地下水中。l o 年后，根据j a s s o n 的理论，在瑞典 首都斯德哥尔摩城外建造了一个无衬里的地下岩洞储罐，它是利用一座 废弃的长石矿井。该罐至今仍在使用。1 9 4 9 年，另外一个瑞典人h e a h o l m 取得了类似观点的专利。他在斯德哥尔摩城外自费建立了一个小型试验 厂，于1 9 5 1 年6 月往面积为3 0 m z 的岩洞中注入1 7 6 m 汽油。5 年后打 开岩洞，经检验没有汽油流失，并且发现汽油的质量也未改变。 于是从1 9 5 6 年开始在斯堪的纳维亚及全世界开始建造地下无被复 岩洞油库，即利用水封的原理，岩洞建在稳定的地下水位以下。只要储 存介质不与水溶合，且地下水渗入岩洞速度缓慢，就可以实现岩洞储存。 在岩洞储油之初，该原理为许多石油公司接受。目前，地下岩洞储库在 世界各国迅猛发展。在斯堪的那维亚国家最为发达。世界上有数百个地 下岩洞储库，分布在各大洲。 l p g 地下无被复岩洞储存，即l p g 地下水封岩洞储存是在美国发展 起来的。1 9 5 0 年，美国在得克萨斯的一个油页岩层中建成了第一个坑道 洞库，容量为3 0 0 0 m 3 。此后，1 9 5 0 - 1 9 7 0 年问，美国共建起了7 0 多座 l p g 岩洞储库，大多数在美国东部，在沉积岩中挖坑道，包括油页岩、 石灰岩和白云岩【4 l 。 第2 章l p g 地下水封岩洞储库发展概况 石油大学( 华东) 硕士论文 欧洲第一个全压力l p g 岩洞库于1 9 6 8 年在瑞典建成。该库建在地 下9 0 m 深的片麻岩中，在岩洞开挖时及开挖后不断控制地下水位，以保 证水封压力，防止气体外漏。1 9 7 2 年建造了两个6 1 0 4 m 和8 1 0 4 m 的冷冻l p g 地下岩洞罐。法国、芬兰等欧洲国家也相继建造了一些l p g 地下水封岩洞储罐。欧洲目前建造了近2 0 座l p g 岩洞储库。韩国总结 了美国、日本、欧溯的经验，裰据其地质条件，建设的三个大型l p g 储 存基地全部采用了地下岩洞储库，总容量达l1 6 1 0 4 m 3 t ”。对于北欧国 家采用冷冻式岩洞储库储存l p g 具有冷量上的优势，对此开始了多方面 的研究试验，主要是解决岩层在冰冻条件下岩石的物理力学性能的改变， 取得了一定的实验成果【6 l 。巴西计划在里约热内卢和圣保罗之间的海滨 利用废矿井建设冷藏l p g 地下岩洞储库【7 】o 二十多年来，l p g 储存向大型化储存设施发展。在l p g 进出口储库 及石油化工厂储库中都有大型l p g 储库，其中一些大型储库还是战备库。 6 互垫查兰! 望查! 堡圭造兰蔓! 童兰丝垫! 查塾墨塑熊堕笪查垦堡墨望璧 第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成 3 1l p g 地下水封岩洞储库储存原理 3 1ll p g 地下水封岩洞储库储存原理 地下水封岩洞储库是在天然岩体中人工开挖洞库并以岩体和岩体的 裂隙水共同构成储层空间的一种特殊地f 岩石建筑。l p g 地下水封岩洞 储库就是用来储存l p g 的地下水封岩洞油库，其储存原理与储存原油、 汽油、柴油等油品的储存原理基本相同，只是由于常温下l p g 的蒸汽压 较高，需要较高的水封压力，因而开的挖岩洞较深。 建造l p g 地下水封岩洞储库需要满足两个基本条件，一是要有较好 的岩石条件，以便开挖出大跨度的稳定的岩洞罐体；另一个是要有一个 稳定的地下水位。以便保证罐体的水封压力要求。地下水封岩洞储库建 在稳定的地下水位以下的一定深度的岩石里，使罐体围岩中节理裂隙的 地下水的压力始终大于罐中l p g 的压力。罐体中的l p g 被围岩裂隙里 的地下水所包围，不会沿着裂隙渗漏出去，只有少量水沿着节理裂隙流 入罐中。由于l p g 比水轻而又不互溶，流入罐中的水，沿着岩壁汇集到 储罐底部，而l p g 始终浮在水面上。 地下岩洞储罐储存油晶有两种方式，即固定水位法和变动水位法。 l p g 储存一般采用固定水位法，即使岩洞底部始终保持一定高度的水面， 一般为0 3 川5 m ，可根据要求具体确定。水面不随l p g 的储量而变动， 而是由岩洞底部泵坑周围的疆墙来控制。当裂隙水增多超过围墙高度时， 水就溢流进入泵坑：当泵坑中的水达到定高度时，装在泵坑内的介藏 控制装置就自动启动裂隙水泵，裂隙水泵为浸没泵，将多余的水排出洞 外，l p g 始终浮在水面上，l p g 液面高度随l p g 储存多少而变化。l p g 岩洞储罐储存原理如图3 1 示。 7 垩! 皇! 些苎! 查茎盏塑堡鏖堡堡璺墼丝堕 互垫兰堂! 兰奎上塑主! 垒茎 图3 1l p g 地下水封岩洞储罐原理图 3 1 2l p g 地下水封岩洞储库工艺流程 i _ p g 地下水封岩洞储存工艺流程如图3 2 所示。船上的液舱泵将低 温l p g 从船中抽出经增压泵送瓢加热器，加热器将低温l p g 加热到2 7 ，然后将l p g 引入岩洞中储存。岩洞中的l p g 由泵坑内的浸没 式l p g 泵输出，经脱水、干燥后装船或装槽车外运。裂隙水用液下水泵 从地下岩洞泵坑中定期排出，泵的启闭由高，低液位开关控制，排出的裂 隙水经气提塔脱除水中的l p g 后排放。处理后的气体混合物直接排放大 气。 3 1 3l p g 地下水封岩洞储库的优点 一般建造l p g 地下水封岩洞储罐单罐容积大，无论是与地上常温压 力储罐还是与大型低温储罐相比，都有较为明显的优势。对于大型l p g 储存基地来说，l p g 地下水封岩洞储罐具有下述优点。 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成 ( 1 ) 造价低 在工程地质、水文地质情况良好的地方建造l p g 地下储库，其造价 明显低于储存能力相当的地上储罐。对建造地下罐，影响造价的因素如 下： 储存产品的特征及操作要求。 图3 2 u g 地下水封岩洞储库工艺原则流程图 整! 皇生堕些工查塾墨塑笪壅熊查堕里墨望盛 互迪查兰! 兰墨! 堡主蔓鲨 储罐容量。 厂址的工程地质和水文地质条件。 一般5 1 0 4 一的地下水封岩洞油库的投资要比地面库节省2 5 的费 用【8 l 。 ( 2 ) 节省钢材 钢材用量少是地下水封岩洞油罐显著的特点之一。同时减少引进诸 如低温钢之类的设备和材料的数量，可降低成本，也可节省大量外汇。 也可以节约涂料，简化维修工作。 ( 3 ) 经营管理费用低 地下水封岩洞储罐，一般都可建成容积较大的储罐( 单罐容积可大 几万到几十万立方米) ，储罐的个数少，同时也减少了相应的设备，便于 生产管理，经营费用低。另外，地下水封岩洞储罐坚固耐用，不易损坏， 只有少量的地上设备，维修量少，维护费用低。一般可减少5 0 的经营 管理费【8 1 0 ( 4 ) 安全性高 地下水封岩洞储罐埋于地下，油气散失量小大大降低了火灾和爆 炸的危险性，安全可靠，消防设施简单。同时抗震能力强，不易毁坏。 抵抗爆炸，有利于战时防备。据实验，深6 m 且有覆盖物的油库就能承 受一般炸弹的轰炸，深3 0 m 的地下油库可以承受各种炸弹的直接命中。 所以地下储库战时很安全。据介绍，国外地下油库的保险费仅为地面油 库的1 3 f 引。 ( 5 ) 占地面积小 地下岩洞罐的储库地面设施占地面积小，与周围设施的间距较地面 储罐小，而地下洞罐上面的土地还可以进行种植、绿化等。同时建造地 下洞罐时挖掘出的石渣还可以用做建筑材料。 6 ) 环境效果好 地下水封石洞油罐与地面油罐相比，由于占地面积小，可不破坏自 然景观，操作运行时基本无油气排放，事故奉低，有利于环境保护。 1 0 石油大学( 华东) 硕士论文第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成 ( 7 ) 卸船速度快 一般地下水封岩洞库建在沿海或沿江地区，主要为船运。所用泵的 流量可以比较大，洞罐容量大，因而卸船速度快，可减少港口作业时间。 3 2l p g 地下水封岩洞储库主要结构 l p g 地下水封岩洞储库地下部分主要有主洞罐、施工巷道、操作竖 井以及水帘幕等。其中主洞罐是储存l p g 的主要设施，是本文研究的重 点，将在后面有关章节详细描述。其它部分虽然对洞库的稳定性有一定 的影响，但相对于主洞罐来说影响较小，下面只作简要介绍。 3 2 ，1 施工巷道 地面与地下洞罐间需建一条或几条通道。以便在洞罐施工前及施工 中，将挖掘设备，旌工时需要的水、电、压缩空气、通风设备及人员运 下去，并将挖掘的石渣、地下水排运地面上。另外还要便于安装所需管 道及相应设备。 地面与地下洞罐间的通道有两种方式，即竖井或巷道。通道方案选 择的主要依据为： 地下有接近地表的主导地质条件( 岩质和渗透性) ： 洞穴挖掘的总体积； 洞穴深度； 施工设备的性能。 ( 1 ) 巷道 巷道应允许运输卡车或矿用运输车辆通行，其坡度应不大于1 3 。 用于运输土石的车辆数目可根据土石方产出量的变化进行调配，以提高 洞穴挖掘速度。用巷道运送土石时，也可以采用轨行车，传送带等。总 之巷道便于施工设备安装及随时调整，人员行动灵活方便。施工用管道 也不影响车辆及人员的通行。 巷道可以对洞区的岩层情况进行一次全面调查，并有助于优化挖掘， 加固和灌浆，也便于水幕渠等辅助洞穴的施工。 第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成石油大学( 华拳) 夔士造塞 但巷道由于是按定坡度往下延伸，其挖掘长度是竖井的扣7 倍， 因此其岩石挖掘量比竖井要大许多，耗时多，费用大，处理工作量大。 并仍需要一口独立的操作井。 ( 2 ) 竖井 竖井通道，土石外运只能用由绳、缆线轨导向的大斗间断进行，土 石产出量一般较小，由于竖井中大部分空间被运料设备占用，留给公用 工程，人员、通风和地下移运设备的空间8 t i 4 , 。在竖井中无论干哪样工 作都会影响其它工作正常进行。 由于竖井工作面较小，在并底开挖横向巷道通常比较困难。影响洞 穴的挖掘速度。并且水幂渠等辅助洞穴的施工也影响主导工期，一般仅 有条供人员使用的竖井通道，为保证工作人员的安全，势必要求再建 第二口井供出入。 在挖掘结束后如可能可以将挖掘井变为操作井。 ( 3 ) 通道形式的选择 由上述比较可以看出，巷道与竖井两种方式各有优劣。巷道方式主 要在其本身的挖掘上较竖井工作量大，工期长，但在洞穴挖掘上较竖井 方便、速度快、工期短。巷道方式是国内外地下水封岩洞库建设中采用 比较普遍的形式，特别是在坚硬的岩体中，考虑到我国技术及施工方法， 以及在地下油库施工中积累的经验，我国建造l p g 地下水封岩洞储库， 采用巷道方式更为合适，不需要特殊的设备。 ( 4 ) 施工巷道结构 旖工巷道主要是满足掘井过程外运石渣和其它车辆通行。根据旖工 机车外形和爬坡能力并结合洞罐埋深要求和地质情况综合考虑。某工程 旖工巷道：其横截面宽7 m ，高6 m ，坡度为1 3 ，为满足车辆转弯方便， 巷道的转弯角度均大于1 1 5 。，同时沿巷道长度每隔8 0 米设一个会车耳 室，用于车辆错车。韩国篓d ( u l s a n o l p g 库施工巷道为坡度1 3 长 1 3 0 0 m ，断面尺寸为宽8 m ，高7 m ，拱顶结构嗍。 旌工巷道在工程完工后要用水封墙堵死，并注满水，以确保洞罐的 石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成 密封性。 3 2 2 水幕巷遭 水幕巷道又叫注水巷道，是为了改善岩体中裂隙水的分布状况及防 止洞罐间油品相互转移而特设的巷道，旌工完后，内部注满水。另外， 专用旅工巷道施工完后也要注满水，该巷道亦称注水巷道。在水幕巷道 里打成排的钻孔，使岩体裂隙中充满水，从而改善岩体的水封条件。一 般为了防止洞罐问不同产品的转移，丙烷洞罐和丁烷洞罐间的距离必须 足够大，使得它们之问不发生水压干挠，否则就要设立水帘幕。在洞罐 间打垂直孔，洞罐间形成一带状水帘，故称其为水帘幕，可用来防止油 品的转移。由于罐体的开挖，地下水向罐内渗漏，破坏了罐体附近地f 水的原始状态，在罐体上部还会形成一个水位降落，即通常所讲的水漏 斗。因此为了保证油气的不渗漏，必须使岩体裂隙充水，以恢复和改善 岩体的水封条件。如果两个相邻洞罐距离较近，且不注水，就会使岩石 间壁丧失水封条件。由于设置水幕，就使洞穴周围的地下水位和水压分 布得以控制，可以通过减少水压分布及局部不均匀性雨加强洞穴周围的 水流流型。 注水钻孔有些可以从旆工巷道直接钻；这样可以在水幕巷道投用 前，防止岩体减低饱和度。注水钻孔有竖向孔和斜向孔，在设计中可单 独使用亦可根据工程地质条件综合采用。 注水钻孔一般应超出洞罐外壁足够的距离，一般在1 0 m 以上。 3 2 3 操作竖井 地面管线及仪表信号线均通过操作竖井与洞罐相连，一般一个洞罐 设一个操作竖井。竖井开挖成圆形，这种形状受力较好。根据进出洞罐 工艺管线情况确定竖井直径，一般为3 ，- 5 m 。 竖井由上、下两个盖板封闭，盖板间充满水，使洞罐完全密封，盖 板强度和刚度除承受静载外，还需承受一定的爆炸荷载能力。竖井中管 线应设套管，内充满水，以便于设备检修。 1 1 第3 章l p g 地下水封岩洞储库储存原理及组成 石油大学( 华东) 硕士论文 在竖井下方洞罐底部为泵坑。泵坑主要是收集多余的裂隙水，并用 泵将裂隙水排到罐外，l p g 泵也放在泵坑内，以利于泵的冷却。安装泵 时，应装套管，泵及出口管都安在套管内，套管内充满水，管内水的压 力与罐中l p g 的压力相平衡。 泵坑结构断面尺寸一般与操作竖井相同，坑深一般根据泵的结构尺 寸决定，通常达到1 5 m 左右。 l p g 地下岩洞储库主要结构3 3 如图所示。 圈3 3l p g 地下岩洞储库图 1 4 型拦! 楚! 堡圭墼兰! 兰堕堑型塑丝懿丝必鳖 第4 章l p g 地下水封岩洞库的建造条件及稳定分析方法 4 1l p g 地下水封岩洞库的建造条件 具备必要的工程地质条件和水文地质条件是地下水封岩洞储罐建设 的基础。在一项具体工程建设设计中，这是必须首先解决的问题。虽然 地下水封岩洞储库，在斯堪的纳维亚国家最为普遍的岩类为花岗岩和片 麻岩，在库址选择时，并非得在花岗岩地区，与般取水工程要求不同 并非库区水量越大越好。一般来说，具备了以下条件就可以建造地下水 封岩洞储库。 4 1l 工程地质条件 由于地下水封岩洞储库的罐体不做衬砌，一个较好的工程地质条件 可以挖出大跨度的稳定罐体。具体来说，就是储罐应建在稳定的地质岩 体之内，也就是在一个相对稳定的区域、一个稳定的山体、一个稳定的 岩体中。区域的稳定性可以从地震烈度来判断，选择库址应避开强震区， 强烈倾斜区，岩体不稳定地区。山体的稳定性要根据构成山体的岩体具 体进行分析，罐体应尽量避开断层带和风化破碎带。岩体的稳定性需要 用岩体力学的方法来进行分析，包括岩块本身的强度、岩块结构体的类 型、结构面的性质及受力特点等方面的分析，确保开挖后大跨度罐体围 岩稳定，做到不垮、不滑、不掉，从而确保罐体的稳定和安全运转例。 只要满足上述条件，可以说地下水封岩洞储罐绝非要限定在花岗岩 的岩体之内。一般可建在下述类型的岩石中：原生岩、花岗岩、片麻岩、 石灰岩、砂岩和白垩等。在这些岩体中建造地下永封储罐，国内外已有 很多，如我国某原油罐建在花岗岩的山体中，某柴油罐建在熔凝灰岩山 体中，法国在石灰岩体中建设了一批l p g 储罐【1 0 i 。国外对在软岩，风化 岩，火成岩等岩体中建罐进行了研究、试验。从原则上讲，岩石条件越 好，洞罐开挖断面就可以越大，造价越低。一般在花岗岩、片麻岩中， 宽2 0 m 、高3 0 m 的油罐是很普通的。在坚固的砂岩中，可以建造宽1 5 m 、 第4 章i g 地下桕蝴的建造矧牛及稳定分断方法石油，登! 壁! 壁望婆 高2 5 m 的油罐。 就具体工程来说，一般可以根据国家或地方政府的有关资料确定区 域地质构造体系及地震强度，从而可以进一步判断区域稳定情况，确定 库址的区域位置。根据构成山体的岩体情况进行山体整体稳定性分析， 将罐体放在稳定地层之中。在弄清区域稳定和山体稳定的前提下，着重 研究岩体稳定性，查清区域的岩性及岩体结构特征，地质构造及其构造 断裂综合的特征，节理裂隙的分布规律及其性质，岩体的天然应力状态 等，保证洞罐围岩的稳定【l ”。当然，由于大自然的她质构造是复杂的， 在工程中还会遇到一些不良地质现象，需要对岩体进行加固和改造。 4 12 水文地质条件 稳定的设计地下水位是地下水封岩洞储罐得以安全储存l p g 的重要 条件。设计地下水位是为设计洞库埋深而提供的区域性分布的理论最低 地下水位，它永远低于实测的天然最低地下水位值，设计地下水位应取 区域性地下水排汇基准蔼( 如江、河、湖、海的最低或平均水位) 。从前面 储存原理可以知道，l p g 地下水封岩洞储罐应具有长期稳定的设计地下 水位，岩体裂隙中应该充水，且渗水量不应过大。只有把储库最于这个 具有长期稳定的设计地下水位以下，才能使洞罐内的l p g 永远处于岩体 裂隙水的静水压力之下而不向罐外渗漏。因此，地下水封岩洞储库一般 建在江、河、湖、海之滨，以便于确定设计地下水位。 关于地下水的实际意义。地下水封岩洞储库是在坚实完整的岩体之 中，由于岩体不可避免地存在各种成因的裂隙，此时依靠地下水的充填 来弥补这些裂隙空间，即利用固态的岩体和液态的水共同组成容器将石 油产品封存于岩洞中，而不至于流失。在l p g 储存阶段，允许有缓慢少 量的地下水通过罐壁流向罐内，依靠l p g 与水的比重差浮在水面上，定 期将多余的水提升到地面，而保持一定厚度的水垫层。从理论上来说， 一块毫无裂隙的岩体中不仅不可能存在地下水，丽且也不需要地下水来 填充裂隙，此时地下水就不必要了。由此可见，在这种情况下，地下水 1 6 石油大学( 华东) 硕士论文第4 章u 】g 地_ f 水封岩迥箜壅堕叁壁壁鍪壅坌堑i ! 壁 并不是普遍必须具备的因素，而是从属于裂隙存在与否可有可无的因素。 然而，自然界中的一切岩体几乎不可缺少地有裂隙组成存在，没有裂隙 的岩体几乎不存在。似乎地下水又成为必不可少的因素了。但是，自然 界裂隙与地下水的相互关系比较复杂，通常有以下几种情况： n ) 有开启的裂隙但无地下水。 但) 有开启的裂隙并有地下水。 ( 3 ) 无开启的裂隙但有地下水。 ( 4 ) 有不开启的裂隙但无地下水。 因此，可以得出这样的结论：当岩洞储罐存在可以导致l p g 渗漏的 裂隙时，地下水才成为必不可少的因素，这就是“水封”的由来。工程 实践表明，岩体裂隙性质及其含水规律是影响“水封”的一个因素，在 建设过程中必须认真调查分析。 在地下水量方面，地下水封岩洞储罐与一般取水工程要求不同。在 取水工程中，要求地下水量大、流速快、水源充足。在地下水封岩洞储 罐中，要求有稳定的设计地下水位，以造成可靠的静水压力，在岩体裂 隙充水的条件下，渗水量要小。渗水量小，不仅利于岩体稳定和施工， 而且可以大大降低运营期间的排水费用和水处理费用。因而对渗水最大 的裂隙，在洞罐建设过程中要进行处理。 4 13 岩石及水质成分 由于储罐内l p g 直接与岩石、地下水等介质接触，如果这些介质中 含有害元素较多，则有可能影响l p g 的质量。因此，对岩石造岩矿物及 水质成分必须认真进行分析。岩体的矿物成分常见的就达5 0 多种，而这 些造岩矿物又是由不同的化学元素组成，其中一些元素( 如硫、铜、铅等1 对l p g 的质量有较大影响。一般以二氧化 ( s i 0 2 ) 为主的碳酸岩中，有 害元素较少。例如，花岗岩及片麻岩的造岩矿物以正长石0 溘1 s i 3 0 3 ) 、 石英( s i 0 2 ) 、云母阻擞a 1 “s i o 如及k ( m g ，f e ) 3 s 旗1 0 l o ( o h 瑚等稳定矿 物为主，不含或少含有害元素，对l p g 无害。在上述所列适宜建库岩石 1 7 蔓! 主! 竺旦些! 查童堡堑! 堕塞堡墨堡墨塑塞坌堑! 整 生塑查堂! 兰变! 塾堡兰 中，国内、外已建储库均未发现岩石及地下水对油品或l p g 的不良影响 1 1 2 1 。当然，在具体工程中仍需要对岩石及地下水的水质成分进行分析， 避免影响l p g 的质量及对设备仪表腐蚀和混凝土构件的溶蚀n 我国东部和东亚濒太平洋地区的构造体系有规模宏伟的多字型新华 夏构造体系、巨型多字型华夏构造体系1 1 3 】，沿海地区花岗岩分布极为广 泛，而花岗岩属于耐酸材料，因此，具有较好的工程地质条件和水文地 质条件，我国建造l p g 地下水封岩洞储库前景广阔。 4 2l p g 地下水封岩洞储库稳定分析方法 从上述建造条件可知，一般对岩洞储库的稳定分析包括区域稳定性 分析、山体性稳定分析和岩体稳定性分析。区域稳定性分析，一般可以 根据区域构造体系及其组合关系，并根据地震历史资料以地震分析方法 对区域发震断裂、震级大小、影响范围与地震烈度等情况进行判定；根 据晚近期构造滔动情况进行，结合所处构造进行区域稳定性评价；最后， 根据地震部门的正式鉴定文件所确定的地震烈度做定量评价。山体性稳 定分析，根据山体地貌、岩性、构造和水文地质条件，对山体中分布的 构造裂隙组合形式、方位同山体方位的相互关系进行分析；针对可能构 成山体不稳定的滑动面，对山体在自重作用和地下水作用下的稳定性进 行验算。区域稳定性分析和山体性稳定分析一般在选址阶段进行，区域 稳定性和山体性稳定性可以说是先天条件决定的，对一项具体工程来说， 它们的稳定状况无法改变。下面着重讨论有关围岩稳定性的问题。 岩体在开挖前，每个质点均受到天然应力的作用而处于相对平衡状 态，而在岩体中开挖岩洞储罐，破坏了岩体的相对应力平衡状态，而发 生了复杂的物理力学作用。这些作用可归纳为； 1 ) 开挖岩洞储罐破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，引起围岩应 力的重分布； 2 ) 岩洞储罐形成了一个自由空间，周围的岩体在重分布应力作用下 可能向洞内发生变形和破坏； 3 ) 对围岩变形破坏进行支护衬砌。支护衬砌承受一定围岩压力。 至塑壁! 簦! 堡燮笙! 兰坐幽塑坚墼墼堂堂 4 1 岩洞储罐产品压力，将使围岩产生围岩抗力。 地下岩洞储罐围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后出现的上 述物理力学作用机理及其评价计算。首先要根据工程所在岩体的天然应 力状态确定围岩重分布应力的大小和分布特点，进而研究围岩应力与围 岩变形、围岩应力与围岩强度之间的矛盾关系，确定围岩压力和围岩抗 力的太小及其分布变化情况，以作为地下岩洞储罐的设计和施工的依据。 4 2 1 地下岩洞储罐国岩稳定性分析 地下岩洞储罐围岩稳定性分析，首先确定开挖后围岩重分布应力和 位移情况。然后根据重分布应力状态，围岩强度条件，求解围岩可能破 坏部分。或者根据位移状况，采用位移判据进行评价。围岩应力和位移 场的求解，应用比较普遍的是有限单元法，它可以将岩体的复杂而多变 的力学属性、基本的地质因素、复杂和混合的边界条件、岩体和工程结 构物的组合作用等问题统筹考虑，以求得接近实际的数值解答。在根据 岩体性质确定物理模型时，值得注意的是必须考虑开挖卸荷的模拟问题。 一般输出计算结果位移等值线圈、应力等值线图等。将围岩应力和位移 值与围岩本身的强度和允许位移进行比较，判断围岩是否发生破坏。由 于岩体的抗拉强度很低，所以特别要注意考虑那些出现拉应力的部位。 必须指出的是，有限单元法是一种有效的数值分析法，但它无法、也不 可能代替岩体基本属性的研究，围岩的应力状态与施工方案及衬砌等等 因素有关，洞罐围岩的稳定性还得用其它方法及经验综合进行判断。还 可以根据地质条件进行工程类比，使得设计工作更加合理【l4 1 。 为了保证洞罐围岩的稳定性，在设计和施工中需要注意保护和改善 岩体性质。裂隙岩体的破坏常常是由于拉应力引起的，对岩体的应力进 行分析后，应防止不合理的设计方案所引起的拉应力集中，引起岩体性 质的恶化。因此，当一座l p g 地下水封岩洞储库在有了一个较好的建库 条件后，合理选择洞罐断面形状，控制围岩的拉应力集中度，或把其控 制在容许范围内就显得十分重要了，这也是地下洞库设计中需要解决的 1 9 苎! 童些竺些! 查茎量塑塑堡堕壅竺墨登窒燮 至迪盔兰! 兰查生堕望然 一个十分重要的课题。 4 2 ，2 有限单元分析法 ( 1 ) 有限单元法的基本原理 有限单元法一般是应用结构分析中的直接刚度法( 位移法) 来求解各 种岩体力学问题。它的原理是首先将研究的岩体用有限个大小不等的“砌 块”进行离散化。“砌块”与“砌块”之间仅在角点相联，从而构成由 各个“砌块”的角点相联结的理想结构体。然后根据被研究岩体的物理 力学属性及岩体的工程地质条件给予每个单元以一定的计算参数。再根 据求解问题的边界( 位移或应力1 条件，通过单元刚度矩阵建立结点力与结 点位移的关系，求出结点位移。最后根据求得的位移计算单元应力以及 其它工程所需的解答。应用有限单元法分析地下岩洞储库围岩应力时， 可以将岩体复杂两多变的属性，基本地质因素，复杂边界条件，岩体和 工程组合作用等统筹考虑，是一种简便而实用的方法。 ( 2 ) 有限单元法求解步骤 ( a ) 确定计算模型图，即划分单元，把实际工程岩体离散化。根据求 解稳定性问题的精度要求，把原型岩体分为适当大小的有限个数目的单 元。 ( b ) 计算单元刚度。由于力与位移的关系是非任意的，必须反映相邻 单元之间变形的连续性，既不出现开裂，又不会重迭和搭接。因此要求 单元的位移必须是坐标的线性函数，从而保证满足单元内部变形协调， 又能满足单元之间沿边界处弥合。 ( c ) 对单元结构体进行结构分析。在稳定性分析中常用位移分析法， 其基本未知数是结构上可动结点的位移，建立总丹度矩阵。 ( d ) 将作用于结构上的荷载化为作用在整体结构相应点上的集中荷 载力f 】受】。由于整体结构处于平衡状态，因此，根据静力平衡条件可建立 整体结构的力学平衡方程式。 ( e ) 由方程式求解线性代数方程组得到结点的全部位移值fo 】。一般 石油大学( 华东) 硕士论文 第4 章u l g 地下水封岩洞的建造条件及稳定分析方法 情况采用迭代法或消去法求解。 ( f ) 根据求得的位移，可计算出各单元体的应变和应力。结点上的应 力，一般情况下取该结点相遇各单元体应力的平均值1 1 5 】。 现代计算机技术飞速发展，计算专业软件相应完善，有限元分析软 件比较成熟，因而在工程分析应用中，根据上述步骤，建立好输入条件 后由计算机完成计算，再根据计算成果进行分析。 2 l 塑! 童生墅垫工查墼宣塑笪堕堕亘垦堡查壅 互迪奎兰! 竺奎! 壁! 二! 这 第5 章l p g 地下水封岩洞储库断面设计方案 在确定断面设计方案前，需要根据现场条件确定岩洞储罐的深度等 内容，从而确定围岩力学分析中的有关边界条件。根据某l p g 地下水封 岩洞储库的环境条件来确立相关条件。 5 1 洞罐埋设深度 洞罐深度的确定是储库安全运行的一个比较关键的因素，而且它对 工程的造价影响也比较大。洞罐的稳定性和水封条件的可靠性随着洞罐 设置深度的增加而增强。但是，无原则地增加洞罐深度是没有必要的， 它会增加施工难度和造价，一般洞罐埋深每增加l m ，旖工巷道需要增加 8 “1 。因此，合理确定洞罐埋深对保证洞罐稳定、水封条件可靠及降低 工程造价等都有非常重要的意义。 由l p g 地下水封岩洞储库储存原理可知，洞罐顶部地下水的压力必 须大于l p g 的储存压力，使水的压力梯度达到气体不能穿过岩层裂隙外 逸。而l p g 的储存压力与其储存温度是对应的，因此，确定l p g 的储 存温度是设计中的一项比较重要的内容，它是确定储罐合理埋设深度的 主要依据之一。 在l p g 地下水封岩洞储库中，涉及到l p g 的进库温度、l p g 的出 库温度、洞罐匿岩温度、当地气温及l p g 储存温度。大型l p g 运输工 具主要靠低温运输船，温度为- 4 0 ( 2 ，这么低的温度，如果直接进库，洞 中的水就会结冰，破坏围岩结构。虽然较低的温度下，l p g 的压力也低， 洞罐可以埋设较浅，但是从低温船上来的l p g 需要经过加热到o 以上 一定温度后才能送入洞罐之中，这就要确定一个合适的迸库温度。由于 l p g 洞罐一般较深，当地气温对其温度影响不大，因此在确定l p g 储存 温度时可以不予考虑。l p g 出库温度一般按常温考虑，如果l p g 出库温 度更低一些，则对压力运输船及槽车运输也更为有利。洞罐围岩直接与 储存的l p g 接触，因此其温度对储存的l p g 温度有较大影响。由于热 力传递，储存定时间后，洞罐中储存的l p g 就会形成一个相对稳定的 2 2 石油大学( 华东) 硕士论文第5 章l p g 地下水封岩洞储摩断面设计方案 温度场。对洞罐温度的研究，得出的结果是：从罐壁向外呈一抛物线型 分布达到岩体温度f 6 】。因此，l p g 储存温度可取岩体温度，一般为1 5 左右。l p g 入库温度可适当降低。一般可以根据工程实际情况具体确定 l p g 入库温度和l p g 储存温度的数值。 l p g 的储存温度确定以后，就可以确定洞罐的埋设深度。根据l p g 的温度可知其压力，取罐顶到设计水位高度的水柱压力大于l p g 的压力。 在罐体开挖之前，岩体裂隙是充满地下水的，由于罐体的开挖，裂隙 水便流向罐内，破坏了罐体附近地下水的原始状态，在罐体顶部形成了 一个地下水的降落漏斗( 又称水漏斗) 。洞罐顶部的水层厚度就小于设计地 下水位时的水层厚度，见图5 1 示。 图5 ，1 洞顶以上水层厚度计算示意图 此时水层厚度可按下式