CN107830907A - 一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法 - Google Patents

一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，包括：基于工程地质勘察资料，确定水幕系统结构的初步设计参数；布置全方位水文监测网以获取现场试验过程中的水文动态信息；开展单水幕孔注水‑回落检测并由此获得水幕孔岩体渗透系数；开展分区多水幕孔水力效率检测，基于此在低效率水幕孔间增补水幕孔，并重新开展分区多水幕孔水力效率检测以核实水力传导效率；开展水幕系统全面水力效率试验，核实并优化水幕系统结构。本发明克服了地下水封洞库水幕系统静态设计方法存在的不能适应地质复杂性、不能验证水封有效性、不能实现经济费用节省性的弊端。并进一步克服了地下水封洞库水幕效率试验的流程不清晰性和随意性的问题。

Description

一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法
技术领域
本发明涉及地下水封洞库技术领域，特别是一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法。
背景技术
地下水封洞库面临的最大问题是储存介质泄漏，造成严重经济损失，并可能导致地下水、空气、土壤等环境污染及火灾、爆炸等安全问题。石油或液化石油气在饱和水介质中的溶解及扩散都较小，储存过程中泄漏的主要方式是通过岩体中的孔隙和裂隙逸出。一般来说，若岩体是非饱和的，不利条件下气体将以层流或紊流流出；若岩体是饱和的，不利条件下气体将以气泡或桶状的形式流出。为防止气泡流逃逸，瑞典岩石力学专家基于不衬砌地下储气洞工程实践，提出水幕的概念。同时，在地下洞库的施工过程中，由于人为开挖洞室，在裂隙含水层内部形成了排泄漏斗，地下水通过节理裂隙，进入施工巷道和洞室，造成了洞室上方地下水位下降，围岩疏干，进而增加了洞室内储存介质通过岩体裂隙挥发泄漏的风险。在运营过程中，液化石油气的存储压差随着天然地下水位的季节性波动而改变，成为了水封性能的不稳定因素。基于此，水幕系统就成为地下水封洞库工程中不可缺少的部分。
地下水封洞库水幕系统主要由水幕巷道与水幕孔组成，两者的几何参数及空间关系构成了水幕系统结构，合理的水幕系统结构对于水封洞库成败具有决定性作用，其经济、高效的设计参数是地下水封洞库建设中极为重要的课题。尽管在地下水封洞库初勘、详勘阶段会进行细致的地质与岩体结构勘测以及大量的钻孔水文地质试验，如压水、抽水、提水、注水试验等，但限于岩体的隐蔽性与水文地质参数的时空变异性，仍无法全面掌握岩体结构模型与渗透特征。因此，水幕系统结构设计方法应是一个初步设计、监测试验、优化设计、监测试验核实的动态优化过程，在确保水幕系统水封性能的基础上，实现水幕系统建设的安全性与经济性。目前已有的地下水封洞库水幕系统设计方法，忽视了这种地质不确定性，采用了一步到位的静态设计理念，无任何水幕系统效率试验内容，无法确保水幕系统的水封性和安全性，不宜在地下水封洞库工程中应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，按照如下步骤实现：
步骤S1：根据工程地质勘察信息，通过工程类比法或数值仿真法确定水幕系统结构的初步设计参数；
步骤S2：设置全方位水文监测网，以获取现场水幕系统效率检测过程中的水文动态信息以及地表水体、地下水流场与水幕系统的水力联系；
步骤S3：检测单水幕孔注水-回落关系，根据检测过程中注水阶段的注水量与回落阶段压力随时间变化关系，并基于完整井/非完整井中抽水与注水试验所对应的水压力-水流量匹配关系，获取水幕孔试段岩体渗透系数；
步骤S4：检测分区多水幕孔水力效率，根据所获取的水幕孔水压力异常特征信息确定低效率水幕孔，检测并记录检测过程中主洞室的渗水量及渗水位置；
步骤S5：对于所述低效率水幕孔，根据其低效率方向，在所述低效率水幕孔与其它已有水幕孔中间增补新的水幕孔；
步骤S6：增补完新的水幕孔之后，继续进行所述步骤S4和所述步骤S5，直到所有的低效率水幕孔都消除为止；
步骤S7：对水幕巷道与水幕孔全部注入预设压力阈值的水，进行水幕系统全面水力效率检测，检测水幕孔及水幕巷道整体的水力传导效率，检测现有水幕系统结构的水封性能；
步骤S8：对于全面水力效率检测中发现的主洞室渗水点，从主洞室内部对其进行注浆处理。
在本发明一实施例中，在所述步骤S1中，所述初步设计参数包括：水幕巷道的埋深、长度、方位、间距、断面形状以及尺寸；水幕孔的直径、方位、长度、埋深以及间距。
在本发明一实施例中，在所述步骤S2中，所述全方位水文监测网包括：降雨与潮汐水位监测系统、地表钻孔水位监测系统、开挖区渗流量与施工用水量监测系统、水幕巷道钻孔水压力监测系统以及地下水水质监测系统。
在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，所述检测单水幕孔注水-回落关系过程包括：天然状态阶段、注水阶段、回落阶段。
在本发明一实施例中，在所述天然阶段：关闭进水阀门，令所述水幕孔恢复至无外界水动力扰动状态，将通过设置于栓塞上的水位自动记录探头所测得的压力值作为该水幕孔的初始水压力，并按照第一预设时间阈值保持稳定；
在所述注水阶段：打开进水阀门，同时，调节进水阀门与出水阀门，将水幕孔内剩余气体排出，以稳定的注水压力向水幕孔内注水，且注水压力为：
P=P0+ΔP
其中，P0为水幕孔初始水压力，ΔP为附加压力，0.2MPa≤ΔP≤1.0MPa，并按照第二预设时间阈值注水；
在所述回落阶段：关闭进水阀门，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头获取并记录水幕孔内压力变化值，且回落时间持续第三预设时间阈值。
在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，所述检测分区多水幕孔水力效率包括：天然水力状态阶段、第1次供水阶段、第2次供水阶段以及低效率水幕孔确定阶段。
在本发明一实施例中，在所述天然水力状态阶段：关闭所有水幕孔的供水阀门，令水幕孔恢复至无外界水动力扰动状态，将设置于栓塞上的水位自动记录探头所测得的压力值作为该水幕孔的初始水压力；
在所述第1次供水阶段：打开序列号为偶数号或奇数号的水幕孔的供水阀门，并将对应剩余的水幕孔的供水阀门关闭，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的水压力值；
在所述第2次供水阶段：打开在所述第1阶段关闭的水幕孔的供水阀门，关闭在第1阶段中打开的水幕孔的供水阀门，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的水压力值；
在低效率水幕孔确定阶段：根据所述第1次供水阶段和所述第2次供水阶段的水压力值，并基于完整井/非完整井中抽水与注水试验所对应的水压力-水流量匹配关系，确定所述水幕孔水压力异常特征信息，判断所述低效率水幕孔。
在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，按照如下方式增补新的水幕孔：
（1）对于连续排列的低效率水幕孔，在各个低效率水幕孔的中间位置增补水幕孔；
（2）对于非连续排列单个低效率水幕孔，根据所述步骤 S4获取的所述水幕孔水压力异常特征信息，确定在水幕孔一侧或两侧增补水幕孔。
在本发明一实施例中，在所述步骤S7中，基于全方位水文监测网获取的各监测点的水压力数据，检测水幕巷道与水幕孔之间的水压力传导特征，并检测整个水幕系统与主洞室之间的水压力传导特征及主洞室渗漏量，判断是否存在水幕孔水压力异常特征信息，并通过所述步骤S5处理。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1) 本发明结合初步设计、水文监测及水幕效率试验核实、优化设计、水文监测及水幕效率试验再核实的动态过程，克服了以往一步到位的静态设计过程中存在的弊端，更加符合地下工程建设规律。
(2) 应用分阶段分层次的水幕系统水力效率试验来核实并优化现有水幕系统结构，从而摆脱了以往设计的盲目性及数值计算的局部不准确性，可确保水幕系统的水封性。
(3) 保证水幕系统高效率运行的条件下，极大地减少水幕孔数量，无需靠过多过密的水幕孔来保证水幕系统的水封性能，可大幅度降低工程成本，确保了水幕系统建设的经济性。
附图说明
图1为本发明中一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法的流程图。
图2为本发明一实施例中水幕效率试验的试验设备及布置示意图。
图3为本发明一实施例中的水幕系统结构示意图。
【标号说明】：1-供水系统；2-供水阀；3-排水阀；4-电子流量压力计；5-自动采集系统；6-推拉杆；7-栓塞；8-探头；9-水幕孔；10-水管；11-施工巷道；12-封塞；13-水幕巷道；14-主洞室；15-连接支洞；16-初步确定的水幕孔；17-新增的水幕孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S1：对于一地下水封洞库，基于工程地质勘察资料，通过工程类比法或数值仿真法确定水幕系统结构的初步设计参数，主要包括水幕巷道埋深、长度、方位、间距、断面形状与尺寸以及水幕孔直径、方位、长度、埋深、间距。
在本实施例中，除水幕巷道端部外，水幕巷道与水幕孔方位之间相互正交，一般都处于水平面或竖直面内，水幕孔的方位大多与主洞室轴向相同，水幕巷道一般为直墙圆拱洞型、6m×7m尺寸，水幕巷道与水幕孔长度一般为延伸至主洞室外围20m，水幕孔孔口一般距施工巷道底板1m，水幕巷道底板与主洞室拱顶间距集中在15m-30m之间，水幕孔的间距集中在5m-20m之间。
较佳的，依据该洞库的工程地质与水文地质条件，基于工程地质类比法，初步确定其水幕巷道为直墙圆拱型、跨度为7m、高度为6m，水幕巷道底板距主洞室顶为19m，水平布置；水幕孔距水幕巷道底板1m，即水幕孔岩体距主洞室顶部20m，水幕孔直径为100mm，水平布置，长度为60m，初步确定水幕孔间距为10m。
步骤S2：设置地下水封洞库全方位水文监测网，以获取现场水幕系统效率检测过程中的水文动态信息，并深入查清地表水体、地下水流场与水幕系统的水力联系；在本实施例中，该水力联系包括：水幕系统效率试验过程中天然地下水水位变化信息。
在本实施例中，监测内容主要是地下水位、水压力、水流量和水质，设置包括：用于监测降雨与潮汐水位的监测系统、用于监测地表钻孔水位的监测系统、用于监测开挖区渗流量与施工用水量的监测系统(水幕系统注水量与洞库排水量)、用于监测水幕巷道钻孔水压力的监测系统、用于监测地下水水质的监测系统等5类监测。进一步的，在工程开挖、支护施工、水幕效率试验等任何有可能扰动地下水流场或污染地下水的因素作用期间，都需要加大监测频率，研究预警判据与动态调控措施。
步骤S3：进行单水幕孔水力效率检测，通过注水阶段的注水量与回落阶段压力随时间变化关系，并基于完整井/非完整井中抽水与注水试验所对应的水压力-水流量匹配关系，确定水幕孔试段的岩体渗透系数。
在本实施例中，检测装置以及系统连接示意图如图2所示，该检测的具体过程包括：
1)天然阶段：关闭进水阀门，使水幕孔逐渐恢复至天然状态，也即无外界水动力扰动状态，将安装在栓塞上的水位自动记录探头8所测得的压力值作为该孔的初始水压力，稳定时间一般为4~30小时。
2)注水阶段：打开进水阀门，同时，调节进水阀门与出水阀门，将孔内剩余气体排出，保证其以稳定的注水压力往水幕孔内注水，其注水压力为P=P0+ΔP，其中P0为水幕孔初始水压力，ΔP为附加压力，附加压力一般在0.2~1.0MPa之间，注水时间一般为1~4小时。
3)回落阶段：关闭进水阀门，安装在栓塞上的水位自动记录探头会自动记录水幕孔内压力变化值，回落时间一般为2~40小时。
步骤S4：进行分区多水幕孔水力效率检测，通过水幕孔压力异常变化判定低效率水幕孔，检测并记录监测期间主洞室的渗水量及渗水位置。
在本实施例中，具体过程包括：
1)天然水力状态阶段：关闭所有水幕孔的供水阀门，使水幕孔逐渐恢复至天然状态，也即无外界水动力扰动状态，将安装在栓塞上的水位自动记录探头8所测得的压力值作为该孔的初始水压力。该阶段可能持续几天到一周的时间，一直到压力稳定为止。
2)第1次供水阶段：打开偶数号或奇数号水幕孔的供水阀门，其它水幕孔保持关闭。该阶段可能持续几天到一周的时间，一直到压力稳定为止，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的压力值。
3)第2次供水阶段：打开在第1，阶段关闭的水幕孔的供水阀门，关闭在第1阶段中打开的水幕孔的供水阀门。该阶段可持续几天到一周的时间，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的压力值。
4)完成第2次供水阶段后，水幕孔供水阀门全部开启，稳压供水，直到补充水力效率检测开始。并根据每个水幕孔的水位自动记录探头获取并记录水幕孔内压力，基于完整井/非完整井中抽水与注水试验所对应的水压力-水流量匹配关系，若实测的水压力数据中有偏离特征或者陡降为零等信息，则判断其为低效率水幕孔。
步骤S5：对于分区多水幕孔水力效率试验中发现的低效率水幕孔，根据其低效率方向，在低效率水幕孔与其它已有水幕孔中间增补新的水幕孔。
在本实施例中，增补水幕孔的方式为：
①对于连续的低效率水幕孔，在各个低效率水幕孔的中间位置增补水幕孔；
②对于非连续单个低效率水幕孔，则在该孔一侧或两侧增补水幕孔。
步骤S6：如图3所示，增补完水幕孔之后，分析增补后的水幕系统水力传导效率。为此，开展分区多水幕孔水力效率试验，直到所有的水幕孔都为高效率水幕孔，则不再进行增补水幕孔工作。
步骤S7：进行水幕系统全面水力效率检测，包括：对水幕巷道与水幕孔全部注入预设压力阈值的水，基于全方位水文监测网获取的各监测点的水压力数据，检测水幕巷道、水幕孔之间的水压力传导特征，并检测整个水幕系统与主洞室之间的水压力传导特征及主洞室渗漏量。
在本实施例中，该处的水压力传导特征为根据水文监测网获得的水压力变化所判定各个含水单元的水压力传导情况。
在检测过程中，判断是否存在水幕孔水压力异常特征信息，若存在水幕孔的水压力偏离基本特征或者陡降为零等信息，则需要根据步骤S5的方式，也即在该水幕孔周边根据增补水幕孔的方式，继续增加水幕孔。在本实施例中，预设压力阈值根据地下水封洞库的实际情况具体确定。
步骤S8：对于全面水幕效率检测中发现的主洞室渗水点，从主洞室内部对其进行注浆处理。全面水幕效率试验时，整个水幕系统都充满水，若观测到主洞库内有新的渗水区域出现，表明主洞库和水幕系统之间的岩体渗透系数较大，需要附加注浆堵水工作。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，按照如下步骤实现：
步骤S1：根据工程地质勘察信息，通过工程类比法或数值仿真法确定水幕系统结构的初步设计参数；
步骤S2：设置全方位水文监测网，以获取现场水幕系统效率检测过程中的水文动态信息以及地表水体、地下水流场与水幕系统的水力联系；
步骤S3：检测单水幕孔注水-回落关系，根据检测过程中注水阶段的注水量与回落阶段压力随时间变化关系，并基于完整井/非完整井中抽水与注水所对应的水压力-水流量匹配关系，获取水幕孔试段岩体渗透系数；
步骤S4：检测分区多水幕孔水力效率，根据所获取的水幕孔水压力异常特征信息确定低效率水幕孔，检测并记录检测过程中主洞室的渗水量及渗水位置；
步骤S5：对于所述低效率水幕孔，根据其低效率方向，在所述低效率水幕孔与其它已有水幕孔中间增补新的水幕孔；
步骤S6：增补完新的水幕孔之后，继续进行所述步骤S4和所述步骤S5，直到所有的低效率水幕孔都消除为止；
步骤S7：对水幕巷道与水幕孔全部注入预设压力阈值的水，进行水幕系统全面水力效率检测，检测水幕孔及水幕巷道整体的水力传导效率，检测现有水幕系统结构的水封性能；
步骤S8：对于全面水力效率检测中发现的主洞室渗水点，从主洞室内部对其进行注浆处理。
2.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述初步设计参数包括：水幕巷道的埋深、长度、方位、间距、断面形状以及尺寸；水幕孔的直径、方位、长度、埋深以及间距。
3.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述全方位水文监测网包括：降雨与潮汐水位监测系统、地表钻孔水位监测系统、开挖区渗流量与施工用水量监测系统、水幕巷道钻孔水压力监测系统以及地下水水质监测系统。
4.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述检测单水幕孔注水-回落关系过程包括：天然状态阶段、注水阶段、回落阶段。
5.根据权利要求4所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述天然阶段：关闭进水阀门，令所述水幕孔恢复至无外界水动力扰动状态，将通过设置于栓塞上的水位自动记录探头所测得的压力值作为该水幕孔的初始水压力，并按照第一预设时间阈值保持稳定；
在所述注水阶段：打开进水阀门，同时，调节进水阀门与出水阀门，将水幕孔内剩余气体排出，以稳定的注水压力向水幕孔内注水，且注水压力为：
P=P0+ΔP
其中，P0为水幕孔初始水压力，ΔP为附加压力，0.2MPa≤ΔP≤1.0MPa，并按照第二预设时间阈值注水；
在所述回落阶段：关闭进水阀门，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头获取并记录水幕孔内压力变化值，且回落时间持续第三预设时间阈值。
6.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述检测分区多水幕孔水力效率包括：天然水力状态阶段、第1次供水阶段、第2次供水阶段以及低效率水幕孔确定阶段。
7.根据权利要求6所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述天然水力状态阶段：关闭所有水幕孔的供水阀门，令水幕孔恢复至无外界水动力扰动状态，将设置于栓塞上的水位自动记录探头所测得的压力值作为该水幕孔的初始水压力；
在所述第1次供水阶段：打开序列号为偶数号或奇数号的水幕孔的供水阀门，并将对应剩余的水幕孔的供水阀门关闭，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的水压力值；
在所述第2次供水阶段：打开在所述第1阶段关闭的水幕孔的供水阀门，关闭在第1阶段中打开的水幕孔的供水阀门，通过设置于栓塞上的水位自动记录探头检测并记录对应水幕孔的水压力值；
在低效率水幕孔确定阶段：根据所述第1次供水阶段和所述第2次供水阶段的水压力值，并基于完整井/非完整井中抽水与注水所对应的水压力-水流量匹配关系，确定所述水幕孔水压力异常特征信息，判断所述低效率水幕孔。
8.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S5中，按照如下方式增补新的水幕孔：
对于连续排列的低效率水幕孔，在各个低效率水幕孔的中间位置增补水幕孔；
对于非连续排列单个低效率水幕孔，根据所述步骤 S4获取的所述水幕孔水压力异常特征信息，确定在水幕孔一侧或两侧增补水幕孔。
9.根据权利要求1所述的一种地下水封洞库水幕系统结构动态设计方法，其特征在于，在所述步骤S7中，基于全方位水文监测网获取的各监测点的水压力数据，检测水幕巷道与水幕孔之间的水压力传导特征，并检测整个水幕系统与主洞室之间的水压力传导特征及主洞室渗漏量，判断是否存在水幕孔水压力异常特征信息，并通过所述步骤S5处理。
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