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地下水封石洞油库密封性准则研究综述

胡谋鹏1 王北川2

1.中国石油管道局工程有限公司设计分公司;

2. 西气东输管道公司管道工程建设项目部

摘 要: 参考国内外水封洞库的有关文献,总结了各位学者所发表的地下水封石油洞库密封性理论。在水幕系统密封性准则的发展过程中,起先由国外学者发表为主,随着我国地下水封石洞油库的大规模兴建,国内学者开始发表了自己的密封性准则,比如我国学者冯树荣的准则,以及借鉴日本建设规范的国标水封准则。

关键词: 地下水封石洞油库;密封性准则; A. Houpeurt的理论; GEOSTOCK公司的理论

随着我国能源储备的发展,近年来陆续建设了一批地下水封石油储备库。其设计最为关键的是地质结构稳定性和水封密闭性问题。前一个问题,可以借鉴水利电力行业洞库的成功经验,但是对于水封密闭性的理论问题,国内则少有文献报道。

1 水封原理的发展历程

为了将燃油安全无泄漏的储存于地下岩洞中,瑞典岩石力学和石油储备之父Hageman提出了著名的“瑞典法” [1],即将石油储备在地下水位线以下的非衬砌岩洞中,并于1938年申请了专利。瑞典的Ingvar Janelid教授提出了人工水幕方法[2]—先于储油洞室开挖,在洞室上部围岩中布设水幕系统(水幕巷道和水幕钻孔)来保持地下水位稳定,保证洞室开挖过程中的水封条件。地下水封石油洞库原理见图 1。

图 1  地下水封洞库原理图

20世纪70年代,挪威专家Svee和Rathe等提出了水电站气垫式调压室的概念。为了保证气垫式调压室的气密性,防止由于高压空气泄漏而失压,在存在裂隙的调压室围岩周围设置了水幕系统。众多学者[3-14]关于水封系统的实验室试验和数值模拟试验为以后水封技术的发展奠定了基础。

2 水封密闭性理论的发展历程

2.1 B.Aberg的理论

关于水封洞库封存的判断准则, B.Aberg在1980年的论文中讲到:流向主洞室顶的水力梯度必须能有效阻止任何产品进入到岩体内,或者更极端的情况就是阻止产品的迁移(D.C.Goodall & B.Aberg,1986)。Aberg通过研究LPG储库洞室周围水压与储压的关系,提出了垂直水力梯度准则, Aberg 认为,只要垂直水力梯度大于1就可以保证储洞的密封性。但该准则忽略了重力、摩擦阻力以及毛细压力的影响,且水力梯度的精确计算较为困难,该准则在工程应用上并不方便。 B.Aberg的公式用数学表达式表示为:

图 2中H w和H cav分别是水幕巷道中拱顶和主洞室边界上某点的总水头; P w、 P cav表示水幕孔和洞室边界上的压力水头; Z w、 Z cav分别表示水幕孔和主洞室边界上的某点的位置水头; h 是从水幕孔到主洞室的渗流路径。当洞室边界上的一点为洞顶最高点时,图 2中的水力梯度公式即是B.Aberg理论的极限情况,因为按B.Aberg的理论,如果不考虑水头损失,洞顶最高点的水力梯度最大,图 2中公式才能成立。

图 2  B.Aberg水封原理图

2.2 D.C.Godall的理论

后来, D.C.Godall等在1986年的文章中讲到 :在所有远离洞室的可能渗漏路径上,水压力沿着这个路径一直是增加的(图 3)。

图 3  D.C.Godall水封原理图

D.C.Goodall等理论的简单描述就是沿着从洞室渗漏的气体的渗漏路径,水压力一直是增大的就不会有气体溢出。这就相当于在垂直渗漏路径上的最小水力梯度为1。这个准则的优点是不依赖节理裂隙岩体的地质特征,但是没有考虑洞室的几何形状,因为洞室的几何形状对渗漏路径有影响,从而影响水封厚度。

2.3 A. Houpeurt的理论

图 4  A. Houpeurt的理论

式中, H 为水柱的厚度(m),当取等号时, H 为临界水封厚度(m)。 Z A和Z B分别为上、下端面处的位置水头(m)。

图 5  铅直裂隙水受力示意图

图 6  倾斜裂隙水受力示意图

2.5 国标的理论

我国《地下水封石洞油库设计规范》 GB 50455—2008,借鉴了日本地下水封洞库的工程实践经验,要求“洞库拱顶距设计稳定地下水位垂直距离应按下式计算且不宜小于20 m”:

图 7  水封条件示意图  

4 总结

B.Aberg的理论、 D.C.Godall的理论和A. Houpeurt的理论都是在地下水封洞库的发展过程中慢慢建立起来的理论,都有他们的局限性,是以后其他水封理论的基础。冯树荣的理论是在近几年国家大力建设水封洞库的环境下,通过参考相关资料所提出的一种水封理论,在目前国内的几个地下水封洞库工程中还未见应用。而国标理论是直接借用的日本水封洞库的建设规范,这几种理论都只考虑储存介质在竖直方向上的密封性,即只能保证储存介质不沿着渗流路径逃逸至地面,但是不能限制水平方向的扩散。

法国GEOSTOCK公司提出的理论,既能保证储存介质不逃逸至地面,也能保证储存介质不能从储油洞库的任何边界向四周扩散,从而避免环境污染。目前国内已建和在建的几个水封洞库有的是按国标理论确定主洞室的埋深,有的是按法国GEOSTOCK公司考虑形状系数后确定的洞室埋深。至于两个理论,哪种更为科学、更为合理,还未见有学者进行详细讨论。

参考文献:

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作者:胡谋鹏,工程师, 1977年生, 2007年毕业于武汉理工大学土木工程专业,硕士研究生,现主要从事地下水封储油库的设计工作。

来源:《管道保护》2018年第6期(总第43期)

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