不同埋深情况下地下水封洞库稳定性分析

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一、前言

地下水封洞库是目前成熟的油气存储技术，它利用油水不相混合的特性，在稳定的地下水位以下的完整坚硬岩石中开挖洞室，不衬砌直接储存，依靠围岩的承载力和地下水的压力组成一个封闭的容器，将石油存储在洞库中。

地下水封洞库储存原油应具备两个条件：一是岩石坚硬完整，地质构造简单，二是处于稳定的地下水位以下适当的深度，以保证油品不渗不漏。在洞室开挖前，地下水通过节理裂隙等渗透到岩层的深部并完全充满岩层空隙。当储油洞室开挖形成后，周围岩石中的裂隙水就向被挖空的洞室流动，在洞室中注入油品后，油品周围会存在一定的压力差，因而在任一油面上水压力都大于油压力，使油品不能从裂隙中漏走，从而达到将所储油品封在洞内的目的。水封洞库储油原理(如图l所示)。

由于地下水封洞库对地质条件要求较高，同时又深埋地下一定的深度，洞室在开挖后的围岩稳定性就要受到埋深的影响。分析洞库在不同埋深情况下的受力状况，对于洞库的设计及施工有重要的指导意义。

二、工程实倒

某地下水封洞库位于东部沿海地带，根据勘察资料，库区岩体为二长花岗岩，洞室断面为半圆拱直墙断面，尺寸是：洞室跨度20m，洞室高度为30m，地表标高在110米～330米之间，主洞室拱顶设计埋探为-30m。

三、计算模型建立

围岩主要为花岗质岩体，岩体节理裂隙不太发育，在宏观上可视为连续介质体。考虑岩石的性质和变形特性，以及外界因素的影响，本次计算采用弹塑性模型。洞库属于细长结构物，即洞库的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，所以其受力状态可看成平面应变状态，本次采用ANSYS二维平面应变弹塑性非线性方法对洞库的围岩稳定性进行计算分析，计算准则采用Drucker-Prager(D-P)准则。

在岩体中开挖洞室，应力重分布的范围是有限的，因而计算的范围也是有限的。实践和理论分析表明，对于地下洞室开挖后的应力应变，仅在洞室周围距洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度(或高度)的范围内存在实际影响。在3倍宽度处的应力变化一般在10％以下，在5倍宽度处一般在3％以下。据此，本文的模型的计算边界宽度取为洞室最大跨度的3倍，模型高度取洞室总高度的3倍。下图为洞室埋深140m时的模型。

模型计算采用平面4节点等参单元(plan42)模拟，洞距20m的模型共划分了1272个单元、1376个节点。洞距30m的模型共划分了1268个单元、1373个节点。(见图1)

岩体中的初始应力状态未进行实测，但根据岩体构造形迹及其形成机理分析，主要有岩脉侵入时局部应力场作用造成，而固化后已经释放。加之库区及其周围无区域性大断裂或活动性断裂存在，钻孔岩芯也无发生饼化现象，因此可认为岩体中不存在高初始应力的可能。故本次计算不考虑岩体构造应力。岩体中应力为自重应力场，模型的底部采用竖向约束，边界为水平约束。

依据地质勘察的测试资料，有限元模型计算采用的物理力学参数见表1所示。

五、计算结桑

采用上述计算模型，参数和边界条件，对洞室进行了有限元模拟试验性二维计算，得到的结果如下。对于埋深140m时候的洞室分析，根据计算结果洞库在x方向上的位移以洞库中垂线为中心呈左右对称分布，侧墙中部位移较大，但最大值发生在洞趾处。

模型的顶部位移是0.614cm，洞室底板位移0.614cm。压应力最大值发生在洞室的洞趾处，其次为侧墙中部。最大值为2.43MPa。剪应力t，主要发生在洞库的洞趾处和直墙和拱顶交界等洞库中曲率较大的部位，最大绝对值为1.87 MPa。

从埋深360m与埋深140m的计算结果来看，洞室的应力、位移矢量方向基本没有变化，但在数值上都有增大；其它计算指标也有不同程度的增大，这是洞室埋深加大的必然结果，计算结果仍然没有出现塑性区，说明洞室总体上处于稳定状态。

六、结论

本文通过对两种不同埋深情况下洞库的稳定性有限元计算分析，得出如下结论：

(1)

地下洞库开挖后，围岩中的应力发生应力重分布。如果洞库围岩重分布应力超过围岩强度，则围岩将发生破坏。其破坏机理是围岩岩体在集中应力作用下，岩体首先发生破碎，破碎后的岩块沿围岩中的软弱面，在剪应力作用下，向洞内产生滑动或转动坍落。

(2)洞库围岩的稳定性，一方面取决于洞库周边围岩应力集中情况，另一方面取决于岩体强度和变形特性。若洞库围岩强度能够足以阻止围岩在集中应力作用下，裂隙扩展和松动范围扩大，则围岩很快进入稳定状态。

(3)根据有限元分析结果，两种不同埋深的洞室在开挖后围岩处于稳定状态，洞库四周围岩的位移量均较小，都在岩体的弹性变形范围以内，重分布后的应力也都在岩体的强度范围之内。

作者简介：

姓名：高飞，性别：男学历：大学本科，出生年月：1970年11月生，籍贯：山东淄博，职称：工程师，研究方向：工程技术研究方向