黄岛地下水封油库裂隙岩体流固耦合特征研究
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摘要
石油是工业的血液，建立一定规模的石油储备体系，对于保障国民经济的稳定发展，稳定供求关系，增强我国对国际突发事件的应变能力，具有十分重要的意义。地下水封油库具有投资小、占地省、环境破坏小、维护费用低等优点，成为我国石油储备的首选形式。
确保水封的有效性是决定大型地下水封油库能否安全运营的重要因素，而对于水封条件，其实质在于搞清构成地下油库围岩环境的结晶岩体内裂隙的发育规律、裂隙内地下水的赋存及运移特征、裂隙岩体在复杂应力应变条件下与裂隙水、油气间的共同作用机制等科学问题，属以研究裂隙岩体水力耦合机制为代表的岩体水力学问题。本文以国家石油储备黄岛地下水封油库项目为依托，在国家自然科学基金项目“地下油库结晶岩体裂隙流固耦合特征及水封条件研究”（编号：40902086）的资助下，开展了如下研究工作：
（1）研究了库址区的基础地质条件，包括自然地理条件、工程地质条件及水文地质条件。结果表明库址区地质条件良好，适宜建设大型地下水封油库。
（2）开展了单裂隙岩体三轴流固耦合试验。采用工程现场结晶岩样，应用三轴渗流伺服试验仪，进行光滑平直无充填单裂隙岩体流固耦合试验。变化三维应力及裂隙水压，监测裂隙过流量，研究隙宽、裂隙渗透性的变化规律，得出渗透系数、隙宽与三维应力的定性及定量关系。同时，根据试验结果得出了对黄岛地下水封油库水封条件的认识。
（3）运用UDEC软件模拟了一组洞罐洞室开挖后的围岩稳定性。依据实际开挖步骤，在设与不设水幕两种工况下，分别分析了左、右、中三个洞室开挖后应力、位移的变化情况，并对工程的设计施工提出相关建议。
（4）分析了洞室开挖造成的围岩渗流场的变化。分析在设与不设水幕两种工况下地下水位的变化及其对水封条件的影响，同时计算了洞室的涌水量。结果表明洞室的开挖不会造成地下水位大幅度的降落，水幕的设置更好的保证了水封条件。
Oil is the blood of industry and it is of great significance to establish a certainscale oil reserve system for the stable development of national economy, stabling therelationship between supply and demand and enhancing our ability to respond tointernationalemergencies. For it’s advantages of small investment and land occupationand little damage to environment and low maintenance costs, undergroundwater-sealed oil storage cavern is our preferred form of oil reserves.
It is an important factor for the safety of the operation of underground water-sealoil storage to ensure the effectiveness of water-sealed conditions. As for water-sealedconditions, it’s substance is to find out the development law of cracks of crystallinerock forming the country rock of the storage, the occurrence and migrationcharacteristics of groundwater in the cracks and the interaction mechanism amongfractured rock mass under complex stress and strain, fissure water and oil or gas,beloing to rock hydraulics represented by coupling mechanism between hydraulicsand mechanics in fractured rock mass. Relying on the Huangdao UndergroundWater-sealed Cave for National Oil Storage project and supported by the NationalNatural Science Foundation of China (Grant No.40902086), researches in this paperare as follows:
(1) The basic geological conditions had been studied, including naturalgeographical conditions, engineering geological conditions and hydrogeologicalconditions. The results proved that geological conditions of the site are excellent forthe construction of large scale underground water-sealed oil storage cavern.
(2) Using crystalline rock sample coming from the project site, fluid-solidcoupling triaxial tests with the no filling single fracture smooth and straight had beenlaunched. Changing three-dimensional stress and fissure water pressure, monitoringthroughflow of the fracture and studying the variation of aperture and permeability,the paper find out the qualitative and quantitative relations among permeabilitycoefficient, aperture and three-dimensional stress. Also, awareness of water-sealed conditions to Huangdao Underground Water-sealed Storage can be get according tothe results of the tests.
(3) The stability of surrounding rock of a tank had been simulated after theexcavation using UDEC softwear. Changes of stress and displacement undernon-water curtain situation and water curtain had been analyzed after the excavationaccording to the virtual stepped excavation. Also, suggestion to design andconstruction had been proposed.
(4) Changes of seepage field in the surrounding rock had been simulated after theexcavation. Variation of groundwater level and its impacts to water-sealed conditionshad been analyzed and water inflow of the caverns had been calculated. The resultsprove that the excavation of the caverns would not evoke great fall of groundwaterlevel and the setting of water-curtain guarantee the water-sealed conditions.
确保水封的有效性是决定大型地下水封油库能否安全运营的重要因素，而对于水封条件，其实质在于搞清构成地下油库围岩环境的结晶岩体内裂隙的发育规律、裂隙内地下水的赋存及运移特征、裂隙岩体在复杂应力应变条件下与裂隙水、油气间的共同作用机制等科学问题，属以研究裂隙岩体水力耦合机制为代表的岩体水力学问题。本文以国家石油储备黄岛地下水封油库项目为依托，在国家自然科学基金项目“地下油库结晶岩体裂隙流固耦合特征及水封条件研究”（编号：40902086）的资助下，开展了如下研究工作：
（1）研究了库址区的基础地质条件，包括自然地理条件、工程地质条件及水文地质条件。结果表明库址区地质条件良好，适宜建设大型地下水封油库。
（2）开展了单裂隙岩体三轴流固耦合试验。采用工程现场结晶岩样，应用三轴渗流伺服试验仪，进行光滑平直无充填单裂隙岩体流固耦合试验。变化三维应力及裂隙水压，监测裂隙过流量，研究隙宽、裂隙渗透性的变化规律，得出渗透系数、隙宽与三维应力的定性及定量关系。同时，根据试验结果得出了对黄岛地下水封油库水封条件的认识。
（3）运用UDEC软件模拟了一组洞罐洞室开挖后的围岩稳定性。依据实际开挖步骤，在设与不设水幕两种工况下，分别分析了左、右、中三个洞室开挖后应力、位移的变化情况，并对工程的设计施工提出相关建议。
（4）分析了洞室开挖造成的围岩渗流场的变化。分析在设与不设水幕两种工况下地下水位的变化及其对水封条件的影响，同时计算了洞室的涌水量。结果表明洞室的开挖不会造成地下水位大幅度的降落，水幕的设置更好的保证了水封条件。
Oil is the blood of industry and it is of great significance to establish a certainscale oil reserve system for the stable development of national economy, stabling therelationship between supply and demand and enhancing our ability to respond tointernationalemergencies. For it’s advantages of small investment and land occupationand little damage to environment and low maintenance costs, undergroundwater-sealed oil storage cavern is our preferred form of oil reserves.
It is an important factor for the safety of the operation of underground water-sealoil storage to ensure the effectiveness of water-sealed conditions. As for water-sealedconditions, it’s substance is to find out the development law of cracks of crystallinerock forming the country rock of the storage, the occurrence and migrationcharacteristics of groundwater in the cracks and the interaction mechanism amongfractured rock mass under complex stress and strain, fissure water and oil or gas,beloing to rock hydraulics represented by coupling mechanism between hydraulicsand mechanics in fractured rock mass. Relying on the Huangdao UndergroundWater-sealed Cave for National Oil Storage project and supported by the NationalNatural Science Foundation of China (Grant No.40902086), researches in this paperare as follows:
(1) The basic geological conditions had been studied, including naturalgeographical conditions, engineering geological conditions and hydrogeologicalconditions. The results proved that geological conditions of the site are excellent forthe construction of large scale underground water-sealed oil storage cavern.
(2) Using crystalline rock sample coming from the project site, fluid-solidcoupling triaxial tests with the no filling single fracture smooth and straight had beenlaunched. Changing three-dimensional stress and fissure water pressure, monitoringthroughflow of the fracture and studying the variation of aperture and permeability,the paper find out the qualitative and quantitative relations among permeabilitycoefficient, aperture and three-dimensional stress. Also, awareness of water-sealed conditions to Huangdao Underground Water-sealed Storage can be get according tothe results of the tests.
(3) The stability of surrounding rock of a tank had been simulated after theexcavation using UDEC softwear. Changes of stress and displacement undernon-water curtain situation and water curtain had been analyzed after the excavationaccording to the virtual stepped excavation. Also, suggestion to design andconstruction had been proposed.
(4) Changes of seepage field in the surrounding rock had been simulated after theexcavation. Variation of groundwater level and its impacts to water-sealed conditionshad been analyzed and water inflow of the caverns had been calculated. The resultsprove that the excavation of the caverns would not evoke great fall of groundwaterlevel and the setting of water-curtain guarantee the water-sealed conditions.
引文
Baecher G. B., N. A. Lanney, and H. H. Einstein. Statistical description of rock properties andsampling. In: Proc.18thUS Symp. Rock Mechanics.1978(5c):1~8
Cacas M. C., B. Ledoux, G. De Marsity, B. Tillie, A. Barbreau, E. Durand, B. Feuga, and P.Peaudecerf. Modeling fracture flow with a stochastic discrete fracture network: calibrationand validation.1. The flow model. Water Resour. Res..1990.26(3):479~489
Cacas M. C., B. Ledoux, G. De Marsity, B. Tillie, A. Barbreau, E. Durand, B. Feuga, and P.Peaudecerf. Modeling fracture flow with a stochastic discrete fracture network: calibrationand validation.2. The transport model. Water Resour. Res..1990a.26(3):491~500
Cruden D. E.. Describing the size of discontinuities. Int. J. Rock Mech. Min. Sci.&Geomech.Abstr..1977(14):133~137
Jones F O. A laboratory study of the effects of confining pressure on fracture flow and storagecapacity in carbonate tocks. J. Petrol. Tech.,1975,9（2）:21～27
Lee, C.H., Deng,BorWei. And Chang, JuiLin.. A continuum approach for estimating permeabilityin naturally fractured rocks. Engineering Geology.1993.39:71~85
Long J C, Remer J S, Wilson C R, et al. Porous media equivalents for networks o f discontinuousfractures.Water Resources Research,1982,18(3):645~658
Louis C. Rock Hydraulics in Rock Mechanics. Edited by L. Muller Udine,1974:299~387.
Priest S. D.. and J. A. Hudson. Estimation of discontinuity spacing and trace length usingscanlinesurveys. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr..1981.18:183~197
Priest S. D.. Discontinuity analysis for rock engineering. Chapman&Hall,1993
Priest S.D.. Hemispherical projection methods in rock mechanics. London: George Allen andUnwin,1985
Schwartz, F.W. and Smith, L.. A continuum approach for modeling mass transport in fracturedmedia.Water Resour. Res.,1988.24(8):1360~1372
Snow.A parallel plate model of fracture permeable media(Ph. D. Thesis)，Berkeley: University ofCalifornia，1965
Snow D T. Rock Fracture Spacings. Openings and Porosities. J. Soil Mech. Found. Div.,Proc.ASCE,1968,94(SM1):73~91
Tsang Y. W., and P. A. Witherspoon. Hydromechanical behavior of a deformable rock fracturesubject to normal stress. J. Geophy. Res..1981.86(B10):9287~9298
Witherspoon P A, Wilson C R. Steady state flow in rigid networks of fracture. Water ResourcesResearch,1974,10(2):328~335
常宗旭，赵阳升，胡耀青,等.裂隙岩体渗流与三维应力藕合的理论与实验研究.岩石力学与工程学报，2004,23(2)：4907~4911
陈剑平.岩体随机不连续面三维网络数值模拟技术.岩体工程学报，2001，23(4)：397~402
陈平，张有天.裂隙岩体渗流与应力藕合分析.岩石力学与工程学报，1994，13(4)：299~308
陈祥.黄岛地下水封石洞油库岩体质量评价及围岩稳定性分析：[博士学位论文].北京：中国地质大学（北京），2007
段亚刚.地下水封储油库的应用与发展.山西建筑，2007，33（36）：92~93
杜广林，周维垣.裂隙介质中的多重裂隙网络渗流模型.岩石力学与工程学报，2000，(19)：1014~1018
杜国敏，耿晓梅，徐宝华.国外地下水封岩洞石油库的建设与发展.油气储运，2006，25（4）：5~6
黄涛.裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究.岩石力学与工程学报，2002，1(21)：83~87
吉小明,王宇会.岩体地下流固耦合理论的研究综述.石家庄铁道学院学报,2002,15(2):27~31
康向阳.广东惠州地下水封石洞油库水封条件研究：[硕士学位论文].北京：中国地质大学（北京），2010
刘琦，卢耀如，张凤娥.地下水封储油库库址的水文地质工程地质问题.水文地质工程地质，2008，4：1~5
刘世煌.裂隙岩体渗流模型及渗流参数的现场试验研究.水力发电，1996，(8)：13～29
卢兴利，刘泉声，吴昌勇，赵军.断层破裂带附近采场采动效应的流固耦合分析.岩土力学，2009，30（增刊）：165~168
潘别桐，徐光黎.岩体节理几何特征的研究现状与趋势.工程勘察，1989(5)：23~27
荣冠，周创兵，王恩志.裂隙岩体渗透张量计算及其表征单元体积初步研究.岩石力学与工程学报，2007.26(4)：740~746
盛金昌，速宝玉.裂隙岩体渗流应力藕合研究综述.岩土力学，1998，19(2)：93~98
时洪斌，刘保国.水封式地下储油洞库人工水幕设计及渗流量分析.岩土工程学报，2010，32（1）：130~137
宋晓晨，徐卫亚.裂隙岩体渗流概念模型研究.岩土力学，2004，(2)：226~233
田开铭.论裂隙岩体的水文地质模型.勘察科学技术，1984,(4)：41~45.
杨春和，梁卫国，郭东啸，等.中国岩盐能源地下储存可行性研究.岩石力学与工程学报，2005，24(12)：4409~4417
杨栋，赵阳升，段康廉.广义双重介质岩体水力学模型及有限元模拟.岩石力学与工程学报，2000，19(2)：182~185
杨峰.惠州地下水封储油洞库群围岩稳定性分析与评价：[硕士学位论文].北京：中国地质大学（北京），2011
杨明举，关宝树.地下水封储气洞库原理及数值模拟分析.岩石力学与工程学报，2001，20（3）：301~305
杨明举，关宝树，钟新樵.水封式地下储气洞库的应用及研究.地下空间，2000，9(3)：171~17
杨森，于连新，等.地下洞库作为国家原油储备库的可行性分析.油气储运，2004，23(7)：22~24
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袁广祥，尚彦军，史永跃，等.与地下石油储备库有关工程地质问题研究现状和对策.工程地质学报，2006，14(6)：792~799
王丰，刘洪义，李建华.石油资源战.北京：中国物资出版社，2003
王辉，常晓林，周伟，邓建辉.基于流固耦合的重力坝深层抗滑稳定离散元分析.四川大学学报（工程科学版），2010，42（1）：48~53
王梦恕，杨会军.地下水封岩洞油库设计、施工的基本原则.中国工程科学，2008,10（4）：11~16
王泳嘉，邢纪波.离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土工程中的应用.岩土力学，1995,16(2)：1~14
王媛，速宝玉，徐志英.裂隙岩体渗流模型综述.水科学进展，1996,7(3)：276~282
王媛，徐志英，速宝玉.裂隙岩体渗流与应力耦合分析的四自由度全耦合法.水利学报，1998，(7)：55~59.
万力，李定方，李吉庆.三维裂隙网络的多边形单元渗流模型研究．水利水运科学研究，1993（4）
邬爱清，周火明，曾亚武.结构面间距统计的正交测线网法.岩石力学与工程学报，1998，17(增)：872~876
伍法权，王思敬，宋胜武等.岩体力学中的统计方法与理论.科学通报，1993，38(15)：1345~1354
仵彦卿，张倬元.岩体水力学.成都：西南交通大学出版社，1995
仵彦卿，张倬元.岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究.工程地质学报，1996，4(3)：40~46
夏喜林.浅谈我国地下油库的建设.石油规划设计，2004，15(4)：26～27
徐栋栋，邬爱清，孙玉杰.某水电站引水隧洞突水数值模拟.长江科学院院报，2010,28（8）：44～49
徐绍利，张杰坤.在我国东部沿海修建地下水封石油洞库库若干问题的探讨.水文地质工程地质，1985，10(1)：39～43
薛禹群.地下水动力学.北京：地质出版社，1997
曾亿山,卢德唐,曾清红,董虎.单裂隙流-固耦合渗流的试验研究.实验力学，2005，20(1)：10~16
张有天.岩石水力学与工程.北京：中国水利水电出版社，2005
赵阳升.矿山岩石流体力学.北京：煤炭工业出版社，1994
赵阳升，杨栋，郑少河，等.三维应力作用下岩石裂缝水渗流物性规律的实验研究.中国科学（E辑），1999，29（1）：82~86
郑少河，赵阳升，段康康.三维应力作用下天然裂隙渗流规律的实验研究.岩石力学与工程学报，1999，18(2)：133-137
郑少河，朱维申，赵阳升.复杂裂隙岩体水力学模型的研究.人民长江，1999,30(9)：31~33
周创兵，熊文林.双场耦合条件下裂隙岩体的渗透张量.岩石力学与工程学报，1996.15(4)：338~344
周志芳.裂隙双重介质地下水运动参数反演分析.水动力学研究与进展，2003.18(6)：742~747
周志芳，王锦国.裂隙介质水动力学.北京：中国水利水电出版社，2004
朱学愚，谢春红.地下水运移模型.北京：中国建筑工业出版社，1990
Cacas M. C., B. Ledoux, G. De Marsity, B. Tillie, A. Barbreau, E. Durand, B. Feuga, and P.Peaudecerf. Modeling fracture flow with a stochastic discrete fracture network: calibrationand validation.1. The flow model. Water Resour. Res..1990.26(3):479~489
Cacas M. C., B. Ledoux, G. De Marsity, B. Tillie, A. Barbreau, E. Durand, B. Feuga, and P.Peaudecerf. Modeling fracture flow with a stochastic discrete fracture network: calibrationand validation.2. The transport model. Water Resour. Res..1990a.26(3):491~500
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陈祥.黄岛地下水封石洞油库岩体质量评价及围岩稳定性分析：[博士学位论文].北京：中国地质大学（北京），2007
段亚刚.地下水封储油库的应用与发展.山西建筑，2007，33（36）：92~93
杜广林，周维垣.裂隙介质中的多重裂隙网络渗流模型.岩石力学与工程学报，2000，(19)：1014~1018
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杨明举，关宝树.地下水封储气洞库原理及数值模拟分析.岩石力学与工程学报，2001，20（3）：301~305
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杨延毅，周维垣.裂隙岩体的渗流-损伤耦合分析模型及其工程应用.水利学报，1991，(5)，43~49
袁广祥，尚彦军，史永跃，等.与地下石油储备库有关工程地质问题研究现状和对策.工程地质学报，2006，14(6)：792~799
王丰，刘洪义，李建华.石油资源战.北京：中国物资出版社，2003
王辉，常晓林，周伟，邓建辉.基于流固耦合的重力坝深层抗滑稳定离散元分析.四川大学学报（工程科学版），2010，42（1）：48~53
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万力，李定方，李吉庆.三维裂隙网络的多边形单元渗流模型研究．水利水运科学研究，1993（4）
邬爱清，周火明，曾亚武.结构面间距统计的正交测线网法.岩石力学与工程学报，1998，17(增)：872~876
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夏喜林.浅谈我国地下油库的建设.石油规划设计，2004，15(4)：26～27
徐栋栋，邬爱清，孙玉杰.某水电站引水隧洞突水数值模拟.长江科学院院报，2010,28（8）：44～49
徐绍利，张杰坤.在我国东部沿海修建地下水封石油洞库库若干问题的探讨.水文地质工程地质，1985，10(1)：39～43
薛禹群.地下水动力学.北京：地质出版社，1997
曾亿山,卢德唐,曾清红,董虎.单裂隙流-固耦合渗流的试验研究.实验力学，2005，20(1)：10~16
张有天.岩石水力学与工程.北京：中国水利水电出版社，2005
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