CN110307017A - 一种地下水封洞库渗流场智能调控系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地下水封洞库渗流场智能调控系统及调控方法。所述调控系统包括水幕巷道，水平施工巷道，以及斜坡施工巷道；所述水幕巷道与所述斜坡施工巷道通过隔水墙隔开，所述水幕巷道连通有兼做排水孔和补水孔的水平水幕孔和铅直水幕孔；所述水幕巷道、水平施工巷道以及洞库内均设有潜水泵和水位压力计，各水位压力计的水位信号经信号电缆传输到信号采集与控制模块，所述信号采集与控制模块通过信号电缆控制各潜水泵动作。本发明的调控系统可充分利用天然地下水资源，从而降低供水成本。

Description

一种地下水封洞库渗流场智能调控系统及调控方法

技术领域

本发明涉及一种地下水封洞库渗流场智能调控系统，属于地下水封洞库渗流场控制领域。

背景技术

现有技术条件下，地下水封洞库采用水幕系统提供的水力条件实现对储存在洞穴内的液体（石油、液化天然气等）和气体（天然气、压缩空气等）进行密封、防止其外渗的目的。水幕系统包括水幕巷道、水幕孔、施工期供水管道及仪器设备等。水幕系统在施工期采用供水管道及仪器设备对每个水幕孔进行供水保压，压力大小采用水幕孔所在位置处水幕系统施工前的天然地下水压力。

根据各个水封洞库工程的具体水封条件，对于降雨量少的干旱地区的水封洞库，水幕系统在运行期一般采用接入市政供水管网的方法通过专门的供水管道和相应的仪器设备来实现对每个孔的保水孔压目的；对于降雨量丰沛地区的水封洞库，则采用堵头将水幕巷道和施工巷道分隔开来，进而利用丰富的天然降水入渗所恢复的地下水位来保证水幕孔所需要的压力。

无论是在施工期，还是在运行期，上述水封洞库所利用水幕系统的运行方式对水封洞库工程而言，都存在以下问题：

1）为了保证水封洞库所需的水封压力，水幕巷道设计高程一般较低，且对水幕孔采用不低于天然地下水位的压力进行补水保压，其结果是水幕孔内运行压力高（即高压运行方式），较高的补水压力带来的后果是水封洞库在施工期和运行期的涌水量大，抽水量大、地面水处理设施规模大、长期运行水处理成本高；

2）即使在降雨丰沛的地区，在干旱季节也需要对水幕系统进行补水保压，保压所需的补水量一般采用城市市政管网进行供水，以保证补水的可靠性，在这种情况下，需要大量资金购买自来水从而带来经济性不佳的问题；

3）水幕系统运行过程中仅仅考虑其补水作用，未利用其所具备的排水降压功能，故工程施工完成后，水幕巷道入口处一般都用混凝土堵头进行全截面封堵，水幕系统中的水平或铅直水幕孔压力由恢复地下水位控制，不具备人工干预调整条件；

4）抽排系统的水泵只布置在水封洞库内，水泵所需的扬程高，运行耗电量大；

5）所有洞库内的渗水均需要进入污水处理站进行处理，污水处理站规模大，造价高。

发明内容

为克服现有水幕系统运行方式的不合理性及排水系统设计的不完善性所带来的供水成本和水处理成本高的缺点，本发明旨在提供一种地下水封洞库渗流场智能调控系统，该智能调控系统可充分利用天然地下水资源，从而降低供水成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种地下水封洞库渗流场智能调控系统，其结构特点是，包括位于洞库上方的控制地下水位处的水幕巷道，位于洞库一侧的水平施工巷道，以及从地面向地下延伸至与所述水平施工巷道连通的斜坡施工巷道；所述控制地下水位位于初始地下水位线下方，所述水幕巷道与所述斜坡施工巷道通过隔水墙隔开，所述水幕巷道连通有兼做排水孔和补水孔的水平水幕孔和铅直水幕孔；

所述水幕巷道内设有第一潜水泵和第一水位压力计，所述水平施工巷道内设有第二潜水泵和第二水位压力计，所述洞库内设有第三潜水泵和第三水位压力计；各水位压力计的水位信号经信号电缆传输到信号采集与控制模块，所述信号采集与控制模块通过信号电缆控制各潜水泵动作；

在第一水位压力计监测到水幕巷道内的水压高于设定的水压力时所述第一潜水泵通过管道将水幕巷道内的水抽排至地表或位于地表的蓄水池；所述蓄水池通过装有电磁阀的引水管补水给水幕巷道，该电磁阀通过信号电缆与信号采集与控制模块相连，当第一水位压力计监测到水幕巷道内的水压低于设定的水压力时信号采集与控制模块控制电磁阀打开；

在第二水位压力计监测到水平施工巷道内的水压高于设定的水压力时所述第二潜水泵通过管道将水平施工巷道内水送入污水处理站；

在第三水位压力计监测到洞库内的水压高于设定的水压力时所述第三潜水泵通过管道将水平施工巷道内的污水送入污水处理站。

在本发明中，蓄水池也可以等同为河流、池塘或湖泊，主要目的是为了容纳抽排至地表的干净水，同时也可以为水幕巷道补充水源。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了保证水幕巷道内保持一定的水压力。所述隔水墙的高度不低于2m，优选为2.5m-3.0m。

为了方便过线，所述隔水墙顶端距离水幕巷道顶壁面一定距离，优选距离为1.0m-1.5m。由此，隔水墙顶端距离水幕巷道顶壁面的距离可以保证顶部有足够的空间铺设各种管线、安装排水用的第一潜水泵和水压力测试的第一水位压力计所需要的通道空间。

为了降低水平施工巷道的压力，所述斜坡施工巷道的底部位置装有堵头，与所述水平施工巷道内的潜水泵连通的管道穿过所述堵头，且该堵头上还穿设有连通水平施工巷道与地表的排气管。

优选地，所述堵头位于洞室的底板上方，该堵头的下端且距离洞室的底板的距离为15m-20m。

为了充分利用处理后的水资源，所述污水处理站处理后的水通过排水管送入蓄水池内。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种利用所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其包括如下步骤：

当第一水位压力计监测到水幕巷道内的水压高于设定的水压力时，所述信号采集与控制模块发出排水指令信号，关闭电磁阀，所述第一潜水泵通过管道将水幕巷道内的水抽排至地表或位于地表的蓄水池；当第一水位压力计监测到水幕巷道内的水压低于设定的水压力时，信号采集与控制模块发出注水指令信号，打开电磁阀对水幕巷道进行补水；

当第二水位压力计监测到水平施工巷道内的水压高于设定的水压力时，信号采集与控制模块发出排水指令信号，所述第二潜水泵通过管道将水平施工巷道内水送入污水处理站；

当第三水位压力计监测到洞库内的水压高于设定的水压力时，信号采集与控制模块发出排水指令信号，所述第三潜水泵通过管道将水平施工巷道内的污水送入污水处理站。

在施工期和运行期，当洞库上方的实际地下水位高于控制地下水位时，由于水幕孔附近岩体中水压力大于水平水幕孔和铅直水幕孔的水压力，故岩体中的裂隙水在压力作用下被排出并进入到水幕巷道中；当水封洞库上方的实际地下水位低于控制地下水位时，由于水平水幕孔和铅直水幕孔的水压力大于附近岩体中的水压力，故水幕巷道中的水经水平水幕孔和铅直水幕孔进入到岩体裂隙中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计合理，结构简单，施工速度快、操作方便，可为水封洞库的经济、安全建设与运行提供了新的技术支撑。

此外，本发明极大地降低了供水成本和维护成本。

本发明提供的是一种地下水封洞库施工期及运行期保证水封条件的渗流场渗压调控技术，特别是一种用于水封石油洞库、水封天然气库、压缩空气水封地下储气库、气垫式调压井等地下水封洞库工程领域中通过自动调整和控制水幕系统的压力进而调控水封洞库周围岩体中渗压的调控技术。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图。

在图中

1-洞室；2-水幕巷道；3-水平水幕孔；4-铅直水幕孔；5-水平施工巷道；6-斜坡施工巷道；7-地面蓄水池；8-污水处理站；9-信号采集控制模块；10-地面线；11-初始地下水位线；12-控制地下水位线；13-隔水墙；14-斜坡施工巷堵头；15-第一潜水泵；16-第二潜水泵；17-第三潜水泵；18-第一水位压力计；19-第二水位压力计；20-第三水位压力计；21-电磁阀；22-信号电缆；23-信号电缆；24-排水管；25-排水管；26-输水管；27-排水管；28-引水管；29-排气管。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

一种地下水封洞库渗流场智能调控系统，如图1所示，包括位于洞库1上方的控制地下水位12处的水幕巷道2，位于洞库1一侧的水平施工巷道5，以及从地面向地下延伸至与所述水平施工巷道5连通的斜坡施工巷道6。

所述水幕巷道2与所述斜坡施工巷道6的连接部位通过隔水墙13隔开，所述水幕巷道2连通有兼做排水孔和补水孔的水平水幕孔3和铅直水幕孔4。所述水幕巷道2内设有第一潜水泵15和第一水位压力计18，所述水平施工巷道5内设有第二潜水泵16和第二水位压力计19，所述洞库1内设有第三潜水泵17和第三水位压力计20。各水位压力计的水位信号经信号电缆22传输到信号采集与控制模块9，所述信号采集与控制模块9通过信号电缆控制各潜水泵动作。

在第一水位压力计18监测到水幕巷道2内的水压高于设定的水压力时所述第一潜水泵15通过管道将水幕巷道2内的水抽排至地表或位于地表的蓄水池7。所述蓄水池7通过装有电磁阀21的引水管28补水给水幕巷道2，该电磁阀21通过信号电缆22与信号采集与控制模块9相连，当第一水位压力计18监测到水幕巷道2内的水压低于设定的水压力时信号采集与控制模块9控制电磁阀21打开。在第二水位压力计19监测到水平施工巷道5内的水压高于设定的水压力时所述第二潜水泵16通过管道将水平施工巷道5内水送入污水处理站8。在第三水位压力计20监测到洞库1内的水压高于设定的水压力时所述第三潜水泵17通过管道将水平施工巷道5内的污水送入污水处理站8。

如图1所示，在水幕巷道2与斜坡施工巷道6的连接部位设置混凝土隔水墙13，隔水墙13高度一般为2.5-3.0m，比水幕巷道高度低1.0m-1.5m，以保证顶部有足够的空间铺设各种管线、安装排水用的第一潜水泵15和水压力测试的第一水位压力计18所需要的通道空间。隔水墙13的作用是确保水幕巷道中能保持足够高的设计水位，进而保证水幕孔3，4中的水压力满足设计水封压力要求。第一水位压力计18的水位信号经信号电缆22传输到信号采集与控制模块9。

当隔水墙附近的第一水位压力计18的压力超过自动控制系统设定的水压力时，信号采集与控制模块9发出排水指令信号，关闭电磁阀21，启动第一潜水泵15抽水，并经输水管26和排水管27将水幕巷道中多余水排水地表蓄水池7中。

当第一水位压力计18的压力低于自动控制系统设定的水压力时，信号采集与控制模块9发出注水指令信号，打开电磁阀21，地表蓄水池7中的清洁水经引水管28和输水管26进入水幕巷道2中，从而实现对水幕巷道2的补水。通过上述操作，水幕巷道中的水位被控制在设定的水位值范围内。

在施工期和运行期，当地下储气(油)洞库1上方的实际地下水位高于控制地下水位12时，由于水幕孔附近岩体中水压力大于水平水幕孔3和铅直水幕孔4的水压力，故岩体中的裂隙水在压力作用下被排出并进入到水幕巷道中，此时水幕孔发挥排水孔功能。当水封洞库1上方的实际地下水位低于控制地下水位12时，由于水平水幕孔3和铅直水幕孔4的水压力大于附近岩体中的水压力，故水幕巷道2中的水经水幕孔3、4进入到岩体裂隙中，从而实现对岩体的补水功能。

当地下储气（油）洞室1中第三水位压力计20实时测量的洞室内的水位超过设定时，信号采集与控制模块9发出排水指令信号，第三潜水泵17启动工作，洞室内的“污水”经排水管25输送至污水处理站8进行处理。

在斜坡施工巷道6下部设置钢筋混凝土堵头14，堵头14下部高程大于储气（油）洞室1的底板高程15-20m。堵头中间设置直径不小于1.0m的通道，堵头上方设置弧形或平板不锈钢密封门，堵头内安装一根直达地表与地面大气连通的排气管29，以降低水平施工巷道的压力。当第二水位压力计19实时测量的水平巷道内的水位超过设定时，信号采集与控制模块9发出排水指令信号，第二潜水泵16启动工作，水平巷道内的轻度污染的“污水”经排水管24输送至污水处理站8进行处理。

本发明的解决的技术难题和取得的技术效果在于：

第一，本发明提出的地下水封洞库渗流场渗压调控技术避免了因施工期和运行期水封洞库1中因天然初始地下水位11高导致的渗水量过大的问题，在保证水封条件前提条件下，大幅度减少了水封洞库1中的渗水量，从而减少了水封洞库1中的抽水量，一方面经济效益明显，另一方面也降低了由于水封洞库1围岩中的水压力，从而降低了水封洞库1围岩失稳破坏的风险。

第二，创新了水幕孔的作用：水平水幕孔3和铅直水幕孔4既可作为排水孔，也可作为补充孔，可发挥双重作用，改进了现阶段国内外工程因未在水幕巷道设置抽排系统（隔水墙13和第一潜水泵15）时水幕孔只能作为单一补水孔作用的做法。由于从水平水幕孔3和铅直水幕孔4渗出的地下水是“洁净”地下水，可以直接抽排进入地表水系或地表蓄水池7，大幅度减少了地下水渗入到水封洞库1中被污染而引起的污水处理量，长期运行经济效益明显。

第三，将水平施工巷道5的渗水与水封洞库1中的渗水分开抽排，而施工巷道5的渗水的污染程度小，其水处理要求难度也小，可进一步降低污水处理费用。

第四，采用本技术方案可以取消水幕系统常规运行方案条件下水幕巷道必须设置的大量混凝土堵头，从而在施工期阶段也可节约大量的工程投资。

第五，采用非封闭式隔水墙13和堵头14设置人工通道和密封门的措施，在运行期为水幕巷道和水平施工巷道的检修提供了条件。

第六，分区抽排技术方案采用了自动化监测和控制系统，因而可以实现水封洞库工程渗流场控制的无人值守管理方式，降低值班人员的工作难度和强度。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，包括位于洞库（1）上方的控制地下水位（12）处的水幕巷道（2），位于与洞库（1）一侧的水平施工巷道（5），以及从地面向地下延伸至与所述水平施工巷道（5）连通的斜坡施工巷道（6）；所述控制地下水位（12）位于初始地下水位线（11）下方，所述水幕巷道（2）与所述斜坡施工巷道（6）通过隔水墙（13）隔开，所述水幕巷道（2）连通有兼做排水孔和补水孔的水平水幕孔（3）和铅直水幕孔（4）；

所述水幕巷道（2）内设有第一潜水泵（15）和第一水位压力计（18），所述水平施工巷道（5）内设有第二潜水泵（16）和第二水位压力计（19），所述洞库（1）内设有第三潜水泵（17）和第三水位压力计（20）；各水位压力计的水位信号经信号电缆（22）传输到信号采集与控制模块（9），所述信号采集与控制模块（9）通过信号电缆控制各潜水泵动作；

在第一水位压力计（18）监测到水幕巷道（2）内的水压高于设定的水压力时所述第一潜水泵（15）通过管道将水幕巷道（2）内的水抽排至地表或位于地表的蓄水池（7）；所述蓄水池（7）通过装有电磁阀（21）的引水管（28）补水给水幕巷道（2），该电磁阀（21）通过信号电缆（22）与信号采集与控制模块（9）相连，当第一水位压力计（18）监测到水幕巷道（2）内的水压低于设定的水压力时信号采集与控制模块（9）控制电磁阀（21）打开；

在第二水位压力计（19）监测到水平施工巷道（5）内的水压高于设定的水压力时所述第二潜水泵（16）通过管道将水平施工巷道（5）内水送入污水处理站（8）；

在第三水位压力计（20）监测到洞库（1）内的水压高于设定的水压力时所述第三潜水泵（17）通过管道将水平施工巷道（5）内的污水送入污水处理站（8）。

2.根据权利要求1所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，所述隔水墙（13）的高度不低于2m，优选为2.5m-3.0m。

3.根据权利要求1所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，所述隔水墙（13）顶端距离水幕巷道（2）顶壁面一定距离，优选距离为1.0m-1.5m。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，所述斜坡施工巷道（6）的底部位置装有堵头（14），与所述水平施工巷道（5）内的潜水泵连通的管道穿过所述堵头（14），且该堵头（14）上还穿设有连通水平施工巷道（5）与地表的排气管（29）。

5.根据权利要求4所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，所述堵头（14）位于洞室（14）的底板上方，该堵头（14）的下端且距离洞室（14）的底板的距离为15m-20m。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，所述污水处理站（8）处理后的水通过排水管送入蓄水池（7）内。

7.一种利用权利要求1-6中一项所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，包括如下步骤：

当第一水位压力计（18）监测到水幕巷道（2）内的水压高于设定的水压力时，所述信号采集与控制模块（9）发出排水指令信号，关闭电磁阀（21），所述第一潜水泵（15）通过管道将水幕巷道（2）内的水抽排至地表或位于地表的蓄水池（7）；当第一水位压力计（18）监测到水幕巷道（2）内的水压低于设定的水压力时，信号采集与控制模块（9）发出注水指令信号，打开电磁阀（21）对水幕巷道（2）进行补水；

当第二水位压力计（19）监测到水平施工巷道（5）内的水压高于设定的水压力时，信号采集与控制模块（9）发出排水指令信号，所述第二潜水泵（16）通过管道将水平施工巷道（5）内水送入污水处理站（8）；

当第三水位压力计（20）监测到洞库（1）内的水压高于设定的水压力时，信号采集与控制模块（9）发出排水指令信号，所述第三潜水泵（17）通过管道将水平施工巷道（5）内的污水送入污水处理站（8）。

8.根据权利要求7所述的地下水封洞库渗流场智能调控系统，其特征在于，在施工期和运行期，当洞库（1）上方的实际地下水位高于控制地下水位（12）时，由于水幕孔附近岩体中水压力大于水平水幕孔（3）和铅直水幕孔（4）的水压力，故岩体中的裂隙水在压力作用下被排出并进入到水幕巷道中；当水封洞库（1）上方的实际地下水位低于控制地下水位（12）时，由于水平水幕孔（3）和铅直水幕孔（4）的水压力大于附近岩体中的水压力，故水幕巷道（2）中的水经水平水幕孔（3）和铅直水幕孔（4）进入到岩体裂隙中。