浅谈地下水封石油洞库围岩完整性的保护

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280~350m,地形坡度一般为35°~55°。地面平均标高为220m,最高点标高为350.9m。储库洞室区呈北偏西方向展布,东西宽600m,南北长约838m。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50a。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–50m,长度为500~600m不等,设计洞跨为20m,洞高为30m,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25m,两个洞室之间设计间距为30m。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+20m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180m。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2.66g/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500kN。根据埋深,试验中围压选为5MPa。试验过程先施加围压至5MPa,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,加载速率约为0.5mm/h。试验获得的岩石偏应力-轴向应变曲线和体积应变-轴向应变曲线分别如图2和3所示。从图中可以发现:(1)在围压为5MPa下,试样峰值强度和残余强度分别为173MPa和30MPa,表现出显著的应变软化现象;(2)试验过程中,试样体积先缩小后增大,在轴向应变为0.004时,试验开始出现剪胀现象。结合试样的应力-应变曲线和体积应变-轴向应变曲线,试验过程中试样的宏观变形过程大体可分为3个阶段:(1)初始压密阶段(I阶段):该阶段内,随着应力水平增加试样体积缩小,试样表现为应变硬化现象;(2)硬化剪胀阶段(II阶段):该阶段内,随着应力水平增加,试样体积增大,试样表现为应变硬化现象;(3)软化剪胀阶段(III阶段):该阶段内,试样出现软化现象,但体积持续增加。从微观角度考虑,I阶段内,试样受剪压密导致试样体积减小;而在II阶段内,由于试样中微裂纹萌生和延伸,引起试样体积增大;而在III阶段,试样中裂纹贯通引起了试样体积增大,同时由于破裂面出现,试样表现出应变软化现象。从上述分析不难看出,虽然试样在峰值处出现宏观破裂面,但是试样中裂纹是从剪胀开始处萌生,并逐渐扩展,因此围岩的完整性从剪胀出现处开始受到破坏。在地下工程稳定性分析中,通常采用峰值强度对应的摩擦角来描述围岩的性质,但该模型适用于较高应力水平。针对地下水封石油洞库工程完整性分析,峰值强度对应的摩擦角不能满足要求。图4为偏应力-平均主应力空间剪缩区和剪胀区分布图。根据三轴试验结果,在偏应力-平均主应力空间,峰值线下存在一条剪胀线。在剪胀线以下,岩石受剪切力作用,体积变小,岩石密实程度增加;而在剪胀线以上,岩石受剪切力作用,体积增大,岩石密实程度减低。图中,d、ϕd为剪胀线对应参数;c、ϕp为峰值线对应参数。因此,可采用剪胀线描述围岩密实度变化情况。图中还给出了常规三轴试验中试样和工程实践中围岩的应力路径示意图。4分析4.1洞室及网格划分分析采用大型有限元软件ABAQUS进行。由于洞库洞室长度(500~600m)远大于洞室截面尺寸(20~30m),视为平面应变问题求解。9个洞室从左向右依次展开,研究范围选取了左右侧洞室(即1#和9#洞室)各外延1000m,上至地表,下至距洞室底板400m的岩体。采用8节点二次平面应变单元离散研究范围,共划分了5750个单元,节点数为17409个。离散过程中,在洞室周围加密划分了网格。分析中,边界条件指定如下:模型左右侧边界横向位移为0,下方边界横向和纵向位移均为0,地表为自由位移边界,洞室开挖后洞壁为自由位移边界条件。4.2abaqus用户子程序分析由于该大型不衬砌地下水封石油洞库地表为山丘地形,因此岩体中初始地应力在同一高程并不相同。为合理模拟地表起伏情况下岩体中的初始地应力场,采用ABAQUS中用户子程序SIGINI进行处理。在用户子程序中,按照各单元埋深,指定初始地应力场。图5为考虑地表起伏情况下获得的初始竖向应力分布情况。图中可以看出,初始地应力分布与地表起伏情况相关;在同一高程埋深较大部位,初始地应力比其他部位高。考虑到洞库建设的实际情况,分析分为两步进行:(1)初始地应力平衡。采用用户子程序生成初始地应力场。(2)施工期洞库开挖。洞库开挖通过去除洞库单元实现,洞库洞壁节点力指定为0。4.3模量、模量和等效塑性洞库围岩主要为完整性较好的花岗岩,故采用弹塑性本构模型描述洞库岩体的力学性质。弹性通过岩体的弹性模量和泊松比定义。考虑到尺寸效应及相关研究成果,岩体弹性模量取为5GPa,泊松比取为0.18。塑性采用摩尔-库仑模型描述,为了研究摩擦角和剪胀角对围岩完整性的影响,摩擦角分别取值为20º、25º和30º,剪胀角分别取值为15º、20º、25º和30º,其中摩擦角基准值为25º,剪胀角基准值为20º。对照试验数据,硬化参数取值如下:当黏聚力为2.5MPa时,等效塑性应变为0;当黏聚力为5MPa时,等效塑性应变为0.01。5结果与分析5.1围岩滑动性能图6为基准工况下(摩擦角为25º、剪胀角为20º)各洞室开挖后等效塑性应变分布图。从上到下分别为1~3、4~6、7~9号洞室周围分布图。由于根据围岩剪胀性质选取屈服参数,等效塑性应变反映了围岩屈服后体积增加情况,可视为度量开挖引起的围岩松动程度的物理量。由于洞室开挖,5~9号洞室围岩中存在不同范围的松动区,且松动区范围大体与埋深成正比。从左至右4~9号洞室开挖松动区范围分别为6.8、7.1、8.9、10.6、9.7、10.2m。从图中可以看到,7~9号洞室围岩松动范围较大。图7为在剪胀角为15º条件下,不同摩擦角7~9号洞室开挖后围岩等效塑性应变分布图。从上到下,分别对应摩擦角为20º、25º和30º工况。从图中可以看到,随着摩擦角的增加,围岩松动范围逐渐减小,松动程度逐渐降低。图8为在摩擦角为25º条件下,不同剪胀角7~9号洞室开挖后等效塑性应变分布图。从图中可以看到,随着剪胀角的增加,围岩松动范围和松程度变化不大。图9为最大等效塑性应变-摩擦角和等效塑性应变-剪胀角关系曲线。随着摩擦角的增加,最大等效塑性应变减小;而随着剪胀角增加,最大等效塑性应变增加。最大等效塑性应变,即松动程度对摩擦角的敏感性大于对剪胀角的敏感性。5.2摩擦角剪胀角图10为在剪胀角为15º条件下不同摩擦角7、8号洞室中墙水平方向轴向和切向应力分布图。图例中R表示轴向应力,T表示切向应力,数字表示摩擦角。洞罐开挖引起径向应力的减小和切向应力的增大。摩擦角不同,应力分布不同。在摩擦角为20º和25º时,7、8号洞室中墙处径向应力大于摩擦角为30º时,而切向应力小于摩擦角为30º时切向应力。图11为在剪胀角为25º条件下,不同剪胀角7、8号洞室中墙水平方向轴向和切向应力分布图。图例中R、T的意义与图10相同,而数字表示剪胀角。不同剪胀角条件下,开挖后洞室周围应力分布差异不大。5.3摩擦角-剪胀角关系围岩变形的大小是反映围岩完整性最直接的物理量。图12为基准工况下洞壁变形矢量图,从上到下分别为1~3、4~6、7~9号洞室周围分布图。从图中看洞室的开挖引起了洞库围岩变形,变形大小与埋深密切相关。变形方向不但与节点位置有关,也与地表走势有关。从1~8号洞库,拱顶处位移矢量方向从指向右下方逐渐变换为指向正下方,而9#洞库洞壁位移矢量方向略指向左下方。图13为拱顶沉降-摩擦角关系和拱顶沉降-剪胀角关系曲线图。拱顶沉降随摩擦角增大而减小,与剪胀角变化关系不大。拱顶沉降对摩擦角的敏感性要大于对剪胀角的敏感性。而深埋洞室拱顶沉降对摩擦角的敏感性高于浅埋洞室对摩擦角敏感性。图14为水平收敛-摩擦角和水平收敛-剪胀角关系曲线图。水平收敛为位于洞室边墙中点处相对水平位移值。水平收敛随摩擦角增大而减小,随剪胀角增大而增大。水平收敛对摩擦角和剪胀角均具有较强的敏感性。而深埋洞室水平收敛对摩擦角和剪胀角的敏感性高于浅埋洞室。6围岩完整性分