地下水封石油儲(chǔ)備庫(kù)洞室間距及數(shù)值分析胡謀鵬中國(guó)石油天然氣

地下水封石油儲(chǔ)備庫(kù)洞室間距及數(shù)值分析胡謀鵬（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司）摘要：地下石油儲(chǔ)備庫(kù)一般是由若干相互平行的洞室所構(gòu)成的洞室體系，這樣在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)就必須考慮不同洞室間的間距問(wèn)題。本文根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料提出了水封洞庫(kù)洞室間距的確定依據(jù)。并采用通用有限元軟件PLAXIS分析了不同間距的洞室開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力分布，以此來(lái)印證各種洞室間距的確定依據(jù)的合理性。關(guān)鍵詞：水封洞庫(kù)洞室間距PLAXISNumericalAndDistanceAnalysisOfUndergroundWater-sealedOilStorageinRockCavernHUMou-peng(ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation,Langfang065000,China)Abstract:Water-sealedOilStorageinRockCaverniscomposedofseveralsinglecavern.Duringschemeandfeasibilitystudy,wemusttakeintoaccountdistancebetweenbothcavern.Inthispaper,accordingtomanydocumentandthesis,authorproposethebasisofdetermingdiatancebetweenbothcavern.Atthesametime,authoranalyzestressdistributionofcavernsurroundingrockindifferentdistance,bymeansofnumericalanalysisauthordemonstraterationalityaboutcaverndiatance.Keywords：Water-sealedOilStorageinRockCavern;distanceofcavern;PLAXIS;1、地下水封石洞儲(chǔ)油原理及工程簡(jiǎn)介地下水封巖洞儲(chǔ)油技術(shù)是指在低于地下水位的巖體中由人工挖掘形成的一定形狀和容積的洞室或者天然形成的地下巖石洞穴中儲(chǔ)存各種石油產(chǎn)品的技術(shù)。地下巖洞一般建設(shè)在較完整的巖體中，在地下巖層中，賦存于巖體裂隙中的地下水具有一定的壓力，當(dāng)裂隙中水的滲透壓力大于儲(chǔ)存介質(zhì)壓力時(shí)，所儲(chǔ)介質(zhì)不會(huì)從裂隙中滲出，因此利用巖洞周?chē)膸r體和賦存于其中的裂隙水，組成密閉的容器，可以用來(lái)儲(chǔ)存原油等。2、洞室間距的分析地下石油儲(chǔ)備庫(kù)一般是由若干相互平行的洞室所構(gòu)成的洞室體系，這樣在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)就必須考慮不同洞室間的間距問(wèn)題。一般地下平行洞室的凈距，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、理置深度、開(kāi)挖方式等因素確定。選擇出合理凈距，可以保證圍巖穩(wěn)定和施工及運(yùn)營(yíng)的安全，以及經(jīng)濟(jì)上的合理。洞室間距選擇過(guò)大，會(huì)造成洞室群的選址難度增加，且易導(dǎo)致需要兩組工作巷道或工作井過(guò)大而增加投資；而間距過(guò)小，平行洞室間相互影響過(guò)大，使得儲(chǔ)備庫(kù)洞室在施工以及運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生危險(xiǎn)，甚至產(chǎn)生整體破壞。因此，對(duì)儲(chǔ)備庫(kù)洞室間的合理間距進(jìn)行優(yōu)化，具有十分重要的意義。水封洞庫(kù)洞室間距的確定依據(jù)一般來(lái)說(shuō)都是根據(jù)工程類(lèi)比得出，即參考以往的類(lèi)似工程通過(guò)類(lèi)比得出的，然后采用數(shù)值軟件進(jìn)行復(fù)核。現(xiàn)如今，根據(jù)作者參閱相關(guān)文獻(xiàn)，得出地下水封石油洞庫(kù)間距的確定依據(jù)大致有三種，分述如下：（1）2009年5月1日實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即《地下水封石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》。本規(guī)范的第8.2.1節(jié)規(guī)定，相鄰洞室的凈間距宜為洞室寬度的1～2倍[1]；（2）根據(jù)法國(guó)著名的地下工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司GEOSTOCK的建議。根據(jù)該公司對(duì)遼寧某地下水封洞庫(kù)所做的可研報(bào)告即《Undergroundlayoutdescription》[2]上建議的相鄰洞室凈間距為相鄰兩洞室寬度之和；（3）加拿大著名的巖石力學(xué)與巖石工程專(zhuān)家-E.Hoek，他在其著作即《PracticalRockEngineering》中建議的相鄰洞室最小凈間距為，兩個(gè)洞室之中較高洞室的高度[3]。上述三種確定洞室間距的方法，總的說(shuō)來(lái)都是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、理論分析和數(shù)值分析的結(jié)果，在以后的同類(lèi)工程中我們可以依據(jù)以上三條來(lái)初步確定相鄰洞室的間距。下面就上述三種依據(jù)采用PLAXIS軟件來(lái)分析洞室開(kāi)挖后的相互影響程度。3、地下洞室間距的數(shù)值分析3.1工程簡(jiǎn)介本文所討論的地下水封石油儲(chǔ)備庫(kù)位于遼寧省某處，該區(qū)域交通便利。選定庫(kù)址的巖性為花崗巖，從整體來(lái)看，巖體呈塊狀～整體塊狀，結(jié)合程度好、無(wú)充填，巖體完整～較完整，適宜建地下庫(kù)。圖1某地下水封儲(chǔ)油硐室斷面(單位：m)3.2巖體參數(shù)的取值在數(shù)值分析中，很重要的一點(diǎn)就是如何正確的確定巖體的參數(shù)。在工程中用的最為廣泛的參數(shù)確定方法就是Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)則，此準(zhǔn)則不是本文討論的重點(diǎn)，簡(jiǎn)要介紹一下Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)則公式[5]如下：(1)(2)(3)(4)(5)(6)式中：——完整巖石的抗壓強(qiáng)度的評(píng)分值,與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)，反應(yīng)巖石的軟硬程度；GSI——地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)，表征巖體破碎程度以及巖塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，可查相關(guān)表格估算；D——巖體擾動(dòng)系數(shù)，取值O～l，主要是考慮爆破破壞和應(yīng)力松弛對(duì)節(jié)理巖體的擾動(dòng)程度，未擾動(dòng)的巖體D=0；——巖體的彈性模量；——完整巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；目前市面上大多數(shù)巖土工程軟件都是依據(jù)Mohr—Coulomb破壞準(zhǔn)則編寫(xiě)的，而Mohr-Coulomb準(zhǔn)則中，巖體強(qiáng)度是通過(guò)粘聚力和內(nèi)摩擦角表示。針對(duì)這種情況，Hoek于2002年也提出了相應(yīng)的巖體強(qiáng)度估算方法。(7)(8)式中：，——側(cè)限應(yīng)力的上限值，對(duì)于給定的法向應(yīng)力，剪切強(qiáng)度可由等效內(nèi)摩擦角和粘聚力計(jì)算，即(9)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則中參數(shù)可以通過(guò)Rocscience大學(xué)的編輯的ROCLAB軟件計(jì)算得到。因此，通過(guò)計(jì)算得到錦州水封洞庫(kù)的巖體參數(shù)如下表：表1各巖層力學(xué)參數(shù)表巖層E(MPa)μc(MPa)(0)γ(MN/m3)(MPa)全風(fēng)化層40000.2350.18290.02560.0003強(qiáng)風(fēng)化層45000.1751.6470.02550.024中風(fēng)化層80000.1792.0520.02620.074微風(fēng)化層107000.2082.354.80.02630.114未風(fēng)化層190000.222570.2933.3計(jì)算模型計(jì)算分三種工況。方案一，洞室間距取為1倍的洞寬；方案二，洞室間距取為洞高；方案三，洞室間距取為相鄰洞室的洞寬之和。模型上下為自由邊界，取埋深為56米，洞室外邊墻到模型邊界的距離為3倍洞寬，洞室底板到模型邊界的距離也取3倍洞寬。不考慮構(gòu)造應(yīng)力，計(jì)算中只考慮自重力，洞室分三步開(kāi)挖。3.4地下水封洞室的數(shù)值分析經(jīng)過(guò)有限元軟件PLAXIS分析，得出各方案在施工開(kāi)挖后的應(yīng)力、位移等值線(xiàn)圖如下所示：圖2方案一的主應(yīng)力圖3方案一的主應(yīng)力圖4方案二的主應(yīng)力圖5方案二的主應(yīng)力圖6方案三的主應(yīng)力圖7方案三的主應(yīng)力從應(yīng)力圖中可以看出，當(dāng)洞室的間距為1倍洞室寬度時(shí)，洞室間的巖柱的等值線(xiàn)有連通，說(shuō)明相鄰洞室開(kāi)挖后有相互影響，但是影響很??；當(dāng)洞室間距為洞室高度時(shí)，等值線(xiàn)場(chǎng)相互獨(dú)立，說(shuō)明兩者的相互影響比較小，不過(guò)兩者的等值線(xiàn)場(chǎng)距離比較近，但是相互間基本沒(méi)有影響；當(dāng)洞室間距為洞室為兩倍洞室寬度之和時(shí)，洞室間的巖柱的等值線(xiàn)場(chǎng)互相獨(dú)立，相隔也比較遠(yuǎn)，相互之間沒(méi)有影響。4、結(jié)論⑴上述三種方案都是經(jīng)驗(yàn)、理論和數(shù)值分析的總結(jié)，是地下水封石油儲(chǔ)備庫(kù)洞室間距取值的依據(jù)。⑵如果不考慮相鄰兩個(gè)洞室里的石油氣互相串通，也不考慮洞室之間巖柱存在較發(fā)育的節(jié)理、裂隙、破碎帶等時(shí)，上述三種建議方案都能滿(mǎn)足要求，但是如果考慮這些因素，那么1倍的洞寬間距可能就不滿(mǎn)足要求，此時(shí)需要詳細(xì)論證。⑶雖然三種情況的都能滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。但是從場(chǎng)地規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)考慮，也不能無(wú)限制的增大洞室間距，洞室間距的最終確定必須在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、巖體穩(wěn)定性、水封性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮的基礎(chǔ)上得出。參考文獻(xiàn)1、中國(guó)石油化工集團(tuán)公司主編《地下水封石洞設(shè)計(jì)規(guī)范》第一版中國(guó)計(jì)劃出版社2009年2月2、Geostock(法國(guó)）某地下水封油庫(kù)初設(shè)報(bào)告《undergroundlayoutdescription》（JZU-K-J-0006）2010年2月3、EvertHoek實(shí)用巖石工程技術(shù)[M]劉豐收，崔志芳，王學(xué)潮等譯,鄭州：黃河