地下水封洞库的储油原理是在稳定的地下水位以下的岩体人工开挖而成的一定形状与容积的洞室，利用饱水岩体密封性储存石油.根据工程水文地质条件，可以选择自然水封或人工水封方式.自然水封仅适用于地下水位高且补给充沛的地区.目前，人工水封应用较为广泛.

地下水渗流场的变化关系到洞库人工水幕系统的水封效果^{[1, 2]}.围绕地下水封油库渗流特征的科学问题;Aberg^[3]最早提出了水封效果气密性的评价准则，即垂直水力梯度大于1；Goodall等^[4]认为只要保证沿远离洞室方向所有可能渗流路径孔隙水压不断增大就能保证储库的密封性；许建聪等^[5]采用FLAC^3D计算了水封洞库围岩涌水量；时洪斌等^[6]研究了人工水幕对储油洞库围岩渗流场的影响；蒋中明等^[7]采用饱和非饱和非恒定数值分析方法研究了黄岛地下水封油库地下水位动态变化特性；王者超等^[8]采用经验公式、有限元法计算和现场实测等方法研究了该洞库渗水量规模和空间分布特征；宋琨等^[9]研究了岩体渗透各向异性特征对水封洞库围岩渗流及力学特性的影响.

从已有的文献来看，考虑裂隙岩体渗流各向异性的水封洞库渗流特征研究还很少.为此，本文以某地下水封储油洞库为工程依托，利用FLAC^3D数值模拟方法进行了裂隙岩体渗流各向异性条件下人工水幕系统对地下水渗流场影响的研究.

该油库建造4组储油洞罐，每组洞罐由2条断面相同的洞库构成，洞库采用三心拱直墙型，断面尺寸19 m×24 m，相邻洞库间距38 m；洞库上方设有水幕巷道，在水幕巷道内设置水平水幕与垂直水幕.水平水幕高于储油洞库顶面25 m，单个水幕孔长度在55~65 m之间,洞库群三维模型如图1所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 洞库群三维模型 Fig. 1 Three-dimensional model of caverns

通过对三个钻孔深部主应力值的统计表明，洞库深度范围内的最大水平主应力为6.19~11.50 MPa，优势方向平均为NE74.3°，最小水平主应力3.63~9.02 MPa，垂直主应力约为岩层自重应力.

计算区域选取一组洞罐，建立计算模型如图2所示.模型在洞库长度方向取为10 m，尺寸为180 m×140 m×10 m.力学边界条件为底部采用固定位移约束，上部为自由边界，左右两端采用水平位移约束，计算过程考虑构造应力的影响.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 计算模型 Fig. 2 Numerical model

基于试验数据的综合分析，力学模型采用摩尔库伦弹塑性本构模型，取围岩等级为Ⅲ，推荐采用的岩体力学参数为密度2 650 kg/m³，弹性模量9 GPa，泊松比0.27，内摩擦角45°，抗拉强度1.5 MPa，内聚力1.8 MPa，孔隙率0.2.

采用三维数字摄影测量系统(ShapeMetrix 3D)对洞库典型节理地段进行了节理调查，得到了节理参数分布规律.在此基础上，基于离散介质渗流分析方法^[10]计算得到库区水平渗透系数k_h大于垂直渗透系数k_v，两者之比约为2.7，具有明显的各向异性.压水试验结果表明，裂隙岩体平均渗透系数为5.83×10^-8m/s，将其作为水平渗透系数，则垂直渗透系数为2.16×10^-8m/s.为了进行对比分析，考虑流体模型为各向同性及各向异性两种工况.流体初始边界条件为模型左右及底面为不透水边界，顶部为透水边界，水幕孔内为定水头边界.

计算考虑洞库建造期与运营期两个阶段.建造期内水幕巷道及洞库内充满空气，压力为大气压，此时水幕孔内压力为0.4 MPa.运营期内洞室内装满液态油品浮在水垫层上，液态油品上方为饱和蒸气，取油品密度为0.85 g/cm³，油品饱和蒸气压为0.1 MPa.利用FLAC^3D进行应力与渗流耦合计算，获取围岩的渗流场特征.

由图3可知，当水幕巷道和洞库全部开挖后，形成范围比较大的地下水沉降漏斗，洞库上方地下水会快速疏干.因此自然水封无法满足要求，需采用人工水封.人工水幕系统应先于储油洞库施工，本项目中水幕孔充水必须超前洞库开挖工作面不小于40 m,否则洞库群上方地下水大范围疏干即便通过人工水幕系统完全恢复围岩疏干前的饱水状态仍需要很长时间.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 水幕巷道及洞库开挖后渗流场 Fig. 3 Seepage field after excavation of water curtain roadway and caverns

由图4可知，洞库开挖后，地下水在水头压力的作用下向洞内渗流，渗水部位主要集中在外边墙上.围岩地下水渗流速度最大值为2.22×10^-7m/s，位于洞脚处；距洞周越近，围岩地下水渗流速度越大；洞库底脚处，渗流速度最大；因此，在洞库施工期，必须尽早浇筑底板混凝土，并对拱顶进行混凝土封闭，以减少自然地下水的损失.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 无水幕情况下洞库开挖后渗流场矢量 Fig. 4 Seepage field vector after excavation of caverns without water curtains

考虑流体模型为各向同性(工况1)及各向异性(工况2)两种工况，图5为运营期水幕系统作用下的洞库地下水流动情况.计算得到施工期围岩地下水渗流速度最大值分别为3.72×10^-7m/s和3.24×10^-7m/s，运营期最大值分别为2.36×10^-7m/s和1.86×10^-7m/s.运营期由于洞库内油压抑制了围岩地下水渗流速度，渗流速度较施工期小.工况1由于所取垂直渗透系数比工况2大2.7倍，最大渗流速度略大，两种工况均大于天然状态(无水幕)情况下围岩的最大渗流速度.而两种工况下洞库间渗流速度均较小.工况1由于采用各向同性流体计算模型，其洞库拱顶与外边墙渗流速度基本相同，工况2由于水平渗透系数比垂直渗透系数大，因此外边墙渗流速度较拱顶大.由图5可知，运营期洞库周围水流速度均指向洞库内，表明洞库周围孔隙水压力大于洞库内油气压力，能够满足水封要求.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 运营期有水幕情况下洞库渗流场矢量 Fig. 5 Seepage field vector of caverns with water curtains during construction stage (a)—工况1； (b)—工况2.

由图6可知，在人工水幕系统和地下水共同作用下，洞库开挖不会产生大的降水漏斗，人工水幕系统对地下水位起到了稳定作用.两种工况下，洞库周围分布规律相似，洞库之间孔隙水压力分布略有差异，从而影响洞库之间岩柱有效应力的分布.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 施工期有水幕情况下洞库孔隙水压力分布 Fig. 6 Water pressure of caverns with water curtains during construction stage (a)—工况1； (b)—工况2.

对于单个洞库，由图7可知，两种工况下洞库上方孔隙水压力变化规律基本相同，随着水平水幕孔与洞顶之间距离的减小，孔隙水压力呈线性减小.由于k_h/k_v数值的增大，洞库上方孔隙水压力也相应略有增加.由图8可知，由于垂直水幕孔与洞库外边墙之间流体渗流方向几乎是水平方向(图5)，孔隙水压力的分布仅仅受到水平渗透系数的影响，两种工况下，水平渗透系数为常数，随着k_h/k_v的增大，孔隙水压力基本没有变化，表明各向异性对于洞库外边墙稳定性影响甚小.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 洞库顶部孔隙水压力分布 Fig. 7 Water pressure distribution above cavern crown

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 垂直水幕孔与洞库之间孔隙水压力分布 Fig. 8 Water pressure distribution between vertical water curtain and cavern

洞库之间流体流动方向由垂直逐渐转变为水平(图5)，因此洞库之间孔隙压力的分布将受到各向异性特征的影响.如图9所示，洞库之间的孔隙水压力随着k_h/k_v的增大而减小，施工期内最大孔隙压力值由114.88 kPa变为54.29 kPa，运营期内最大孔隙压力值由352.17 kPa变为306.03 kPa，因此，假定渗流模型为各向同性评估洞库间岩体的稳定性较为安全，较高的孔隙水压力会降低岩体强度.

图 9(Figure 9)

Fig. 9

图 9 洞库间孔隙水压力分布 Fig. 9 Water pressure distribution between caverns

渗流量计算是水封洞库需要考虑的关键科学问题，一般地下洞库都是阻止地下水渗入库内，而水封储油洞库既要让地下水通过围岩裂隙渗入洞库内，又不能无限制的渗入.流入洞库的地下水需要按实际情况定期排出到地面.因此，渗流量计算对于选择适当的排水设备具有重要的指导意义.为了验证数值模拟计算方法在本工程的适用性，将数值模拟计算结果与经验公式计算结果进行比较分析.

取天然状态的计算参数，单洞库跨度为19 m，洞高24 m，洞长为934 m，洞底标高为-80 m，计算水位标高为10 m(天然状态下)，渗透系数k=5.83×10^-8 m/s.采用不同计算方法，对渗流量进行计算或估算.

1) 采用FLAC^3D数值模拟计算方法，为方便比较，计算流体模型采用各向同性渗流模型，计算得到天然无水幕情况下单洞库的渗流量Q=867 m³/d.

2) 在天然状态下，采用大岛洋志等推荐的估算方法，洞库渗流量或涌水量可按式(1)计算：

式中:Q为洞库涌水量，m³/d；L为洞库长度，m；k为渗透系数，m/d；m为转换系数，一般取0.86；H为设计地下水位至洞库底板的距离，m；r₀为洞库等效半径，m；d为洞库等效直径，m.

对单洞库：L＝934 m，k＝5.83×10^-8 m/s =5.04×10^-3 m/d，m＝0.86，H＝90 m，r₀＝11.7 m，d＝23.4 m.经计算，单洞库渗流量Q=892 m³/d.

由以上分析可知，数值模拟与经验公式计算结果十分接近，因此该方法适用于本工程围岩地下水渗流量的计算.考虑裂隙岩体渗流各向异性及有水幕情况下，利用该方法计算得到施工期及运营期单洞库渗流量分别为1 130 m³/d和775 m³/d.

1) 施工期无水幕情况下，洞库开挖后会形成范围比较大的地下水沉降漏斗，不利于洞库水封，因此应采取人工水封方式.

3) 采用FLAC^3D计算得到的地下水封油库围岩渗流量与采用大岛洋志等推荐的估算方法计算结果接近，表明数值模拟方法可行.计算得到施工期及运营期单洞库渗流量分别为1 130 m³/d和775 m³/d.