CN111335949B - 基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法 - Google Patents

基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，包括：(1)对水幕巷道的围岩裂隙进行评价；(2)选定水幕钻孔布设靶区；(3)对巷道断面进行瞬变电磁试验；(4)进行水幕钻孔单孔注水试验；(5)进行水幕钻孔新分型，分为I～V五种类型；(6)针对I～IV型水幕钻孔，分别进行补给作用评价和“水盖层”作用评价，对于达不到要求的区域进行补充施工水幕钻孔；针对V型水幕钻孔，进行注浆处理。采用本发明的方法可以保证在满足水封可靠性的基础上，采用钻孔流量‑压力变化特征进行水幕钻孔新分型，能够考虑钻孔所处区域岩体的状态，达到用最少量的水幕钻孔实现最好的水封效果的目的。

Description

基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法
技术领域
本发明涉及地下水封洞库技术领域，尤其涉及一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法。
背景技术
地下水封洞库是一种我国目前普遍采用的石油储备方式，具有安全、环保、造价低且环境友好等优点。水幕系统为地下水封洞库的核心组成，其作用是为了保障洞库全生命运营周期的水封安全性。在洞库设计中，水幕系统的设计(水幕钻孔间距、长度、水幕巷道的布设方式等设计参数)通常采用统一的标准。但由于岩体裂隙分布的复杂性，这种统一的设计可能会导致某些钻孔处于完整的岩体中，也可能处于非常破碎的岩体中，这样不仅会导致水幕系统不能高效地发挥作用，也不利于洞库长期的安全运营。因此，目前缺乏对地下洞库水封作用方式的关注，更缺少对基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法的构建。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，从而解决现有技术中缺少基于水封作用方式的水幕系统优化设计的问题。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，包括以下步骤：
(1)进行水幕巷道的开挖，在水幕巷道开挖过程中，进行地质素描，进而对水幕巷道的围岩裂隙进行评价；
(2)待水幕巷道开挖完成后，结合围岩裂隙评价结果，选定水幕钻孔布设靶区；
(3)对巷道断面进行瞬变电磁试验，以探测岩体的赋水性；
(4)进行水幕钻孔的设计和施工，水幕钻孔施工完成后，进行水幕钻孔单孔注水试验；
(5)针对注水试验结果，根据钻孔流量-压力变化特征进行水幕钻孔新分型，将水幕钻孔分为I～V五种类型；
(6)针对I～IV型水幕钻孔，分别进行补给作用评价和“水盖层”作用评价，对于补给作用及“水盖层”作用达不到要求的区域进行补充施工水幕钻孔；针对V型水幕钻孔，进行注浆处理，以利用岩体本身的密封性进行密封；
(7)完成所有补充施工水幕钻孔和注浆处理，实现水幕系统优化设计。
作为一种实施方式，所述步骤(3)对巷道断面进行瞬变电磁试验的同时，还进行3D激光扫描，以查明水幕系统裂隙岩体的情况。
作为一种实施方式，所述步骤(5)中I型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大。
作为一种实施方式，所述步骤(5)中II型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段维持在0.3MPa；第二阶段钻孔压力达到0.6MPa，在第二回落阶段，钻孔压力少许回落到a MPa，且a＞0.3MPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0。
作为一种实施方式，所述步骤(5)中III型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0。
作为一种实施方式，所述步骤(5)中IV型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
从流量变化规律来看，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大。
作为一种实施方式，所述步骤(5)中V型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
从流量变化规律来看，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都非常小。
作为一种实施方式，所述步骤(6)中对于I型和IV型钻孔进行补给作用评价，对于II型和III型钻孔进行“水盖层”作用评价。
作为一种实施方式，所述步骤(6)中补给作用评价关注水幕钻孔注水量与洞室涌水量之间的相关性，具体为：计算此类水幕钻孔的注水量与洞室涌水量之间的相关性，相关性系数大于0.6时，即可满足补给作用的要求。
作为一种实施方式，所述步骤(6)中“水盖层”作用评价关注水幕钻孔之间的连通性，具体为：使水幕钻孔之间的裂隙被水充满时，即可满足“水盖层”作用的要求。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，采用该方法可以对水幕钻孔进行针对性的动态设计，进而可以保证在满足水封可靠性的基础上，水幕系统可以高效地发挥作用，为水幕系统的优化设计提供依据，采用钻孔流量-压力变化特征进行水幕钻孔新分型，达到用最少量的水幕钻孔实现最好的水封效果的目的。新分型能够考虑钻孔所处区域岩体的状态，即围岩的质量，包括围岩的裂隙、赋水等情况，能够更有利于水幕系统的优化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面将对实施例或技术方案中所需要使用的附图作简单介绍。
图1是本发明是基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法的流程图；
图2是本发明水幕钻孔新分型的典型示意图；
图3是本发明具体应用实施例的优化方法流程图。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但不构成对本发明的限定。图中：
a、第一阶段的回落压力；b、第一阶段的初始注水流量；c、第二阶段的初始注水流量；e、第一阶段的稳定注水流量；f、第二阶段的稳定注水流量。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
参见图1，本发明较佳实施例提供的一种基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其中，包括以下步骤：
S11、进行水幕巷道的开挖，在水幕巷道开挖过程中，进行地质素描，进而对水幕巷道的围岩裂隙进行评价；评价标准可参见国标GBT50218-2014《工程岩体分级标准》；
S12、待水幕巷道开挖完成后，结合围岩裂隙评价结果，选定水幕钻孔布设靶区；
选定水幕钻孔布设靶区的目的是圈定可能需要布设水幕钻孔的一定区域，以减小施工工作量；
水幕钻孔布设靶区不应选在瞬变电磁试验结果为红～深红色且岩体质量很好或很差的区域，这些区域用岩体本身的密封性即可；
S13、对巷道断面进行瞬变电磁试验，以探测岩体的赋水性；
S14、进行水幕钻孔的设计和施工，水幕钻孔施工完成后，进行水幕钻孔单孔注水试验；水幕钻孔的布设应当考虑瞬变电磁试验中所查明的岩体的赋水性；
S15、针对注水试验结果，根据钻孔流量-压力变化特征进行水幕钻孔新分型，将水幕钻孔分为I～V五种类型；
S16、针对I～IV型水幕钻孔，分别进行补给作用评价和“水盖层”作用评价，根据评价结果，对于补给作用及“水盖层”作用达不到要求的区域进行补充施工水幕钻孔；针对V型水幕钻孔，进行注浆处理，以利用岩体本身的密封性进行密封；
S17、完成所有补充施工水幕钻孔和注浆处理，实现水幕系统优化设计。
采用本发明的方法可以对水幕钻孔进行针对性的动态优化设计，进而可以保证在满足水封可靠性的基础上，水幕系统可以高效地发挥作用，为水幕系统的优化设计提供依据，采用钻孔流量-压力变化特征进行水幕钻孔新分型，达到用最少量的水幕钻孔实现最好的水封效果的目的。
现有技术中分型仅仅是依赖计算渗透系数，但渗透系数反映的信息有限，结果难以贴近实际，本发明根据钻孔流量-压力变化特征进行水幕钻孔新分型，能够考虑钻孔所处区域岩体的状态，即围岩的质量，包括围岩的裂隙、赋水等情况，不仅仅依赖计算渗透系数，钻孔流量-压力变化特征将水幕钻孔分为I～V五种类型，新的分型能够更有利于水幕系统的优化。
下面结合附图对本发明的优化设计方法进行进一步的详细阐述。
进一步的，在一个实施例中，步骤S13对巷道断面进行瞬变电磁试验的同时，还进行3D激光扫描，通过对巷道断面进行3D激光扫描，能够查明水幕系统裂隙岩体的情况。
进一步的，在一个实施例中，步骤S15中I型水幕钻孔特征为：
就其钻孔压力变化规律而言，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；第二阶段钻孔压力即为(0.3+a)MPa，在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；第一阶段即充水阶段，第二阶段即注水阶段。
就其钻孔注水流量变化规律而言，第一阶段和第二阶段只需要在开始时分别给予一定的流量b、c就可维持相应的压力，但是后来仍需要一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大，如图2(a)所示。
进一步的，在一个实施例中，步骤S13中II型水幕钻孔特征为：
就其钻孔压力变化规律而言，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段维持在0.3MPa；第二阶段钻孔压力达到0.6MPa，在第二回落阶段，钻孔压力少许回落到a MPa，且a＞0.3MPa；
就其钻孔注水流量变化规律而言，第一阶段和第二阶段只需要在开始时分别给予一定的流量b、c就可维持相应的压力，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0，如图2(b)所示。
进一步的，在一个实施例中，步骤S13中III型水幕钻孔特征为：
就其钻孔压力变化规律而言，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；第二阶段钻孔压力即为(0.3+a)MPa，在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
就其钻孔注水流量变化规律而言，第一阶段和第二阶段只需要在开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0，如图2(c)所示。
进一步的，在一个实施例中，步骤S13中IV型水幕钻孔特征为：
就其钻孔压力变化规律而言，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；第二阶段钻孔压力即为(0.3+a)MPa，在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
就其钻孔注水流量变化规律而言，第一阶段和第二阶段只需要在开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，但是后来仍需要一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大，如图2(d)所示。
进一步的，在一个实施例中，步骤S13中V型水幕钻孔特征为：
就其钻孔压力变化规律而言，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa；第二阶段钻孔压力即为(0.3+a)MPa，在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到a MPa；
就其钻孔注水流量变化规律而言，第一阶段和第二阶段只需要在开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，但是后来仍需要一定的流量e、f以维持压力，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都非常小，如图2(e)所示。
需要说明的是，本领域技术人员知晓，本申请中提及的“基本回落到a MPa”为施工过程中的一种合理变化状态，允许存在一定的误差，不要求分毫不差的精确回落到a MPa。
上文中提到的“b、c、e、f都相对较大”以及“b、c、e、f都非常小”，为相对于钻孔注水流量零点而言，相对较大可理解为超过流量零点一定值或较大值，非常小可理解为接近流量零点。
进一步的，在一个实施例中，步骤S16中，由于钻孔的分型是根据流量和压力变化特征，对于I型和IV型钻孔，其在第一阶段和第二阶段开始时需要流量b、c以维持相应的压力，后来仍需要流量e、f以维持压力，并且b、c、e、f都相对较大，因此对于I型和IV型钻孔进行补给作用评价；
对于II型和III型钻孔，其在第一阶段和第二阶段开始时需要流量b、c以维持相应的压力，但之后无需注水流量即可维持压力，e、f都为0，因此对于II型和III型钻孔进行“水盖层”作用评价。参见图3。
进一步的，在一个实施例中，步骤S16中，补给作用评价关注水幕钻孔注水量与洞室涌水量之间的相关性，具体为：计算此类水幕钻孔的注水量与洞室涌水量之间的相关性，相关性系数大于0.6时，即可满足补给作用的要求。
进一步的，在一个实施例中，步骤S16中，“水盖层”作用评价关注水幕钻孔之间的连通性，具体为：使水幕钻孔之间的裂隙被水充满时，即可满足“水盖层”作用的要求。
至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)进行水幕巷道的开挖，在水幕巷道开挖过程中，进行地质素描，进而对水幕巷道的围岩裂隙进行评价；
(2)待水幕巷道开挖完成后，结合围岩裂隙评价结果，选定水幕钻孔布设靶区；
(3)对巷道断面进行瞬变电磁试验，以探测岩体的赋水性；
(4)进行水幕钻孔的设计和施工，水幕钻孔施工完成后，进行水幕钻孔单孔注水试验；
(5)针对注水试验结果，根据钻孔压力-注水流量变化特征进行水幕钻孔新分型，将水幕钻孔分为I～V五种类型；
(6)针对I～IV型水幕钻孔，分别进行补给作用评价和“水盖层”作用评价，对于补给作用及“水盖层”作用达不到要求的区域进行补充施工水幕钻孔；针对V型水幕钻孔，进行注浆处理，以利用岩体本身的密封性进行密封；
(7)完成所有补充施工水幕钻孔和注浆处理，实现水幕系统优化设计。
2.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(3)对巷道断面进行瞬变电磁试验的同时，还进行3D激光扫描，以查明水幕系统裂隙岩体的情况。
3.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中I型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa，a为第一阶段的回落压力；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到aMPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，b为第一阶段的初始注水流量，c为第二阶段的初始注水流量，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，e为第一阶段的稳定注水流量，f为第二阶段的稳定注水流量，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大，即超过流量零点较大值。
4.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中II型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段维持在0.3MPa；第二阶段钻孔压力达到0.6MPa，在第二回落阶段，钻孔压力少许回落到a MPa，a为第一阶段的回落压力，且a＞0.3MPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，b为第一阶段的初始注水流量，c为第二阶段的初始注水流量，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0，e为第一阶段的稳定注水流量，f为第二阶段的稳定注水流量。
5.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中III型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa，a为第一阶段的回落压力；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到aMPa；
其钻孔注水流量变化规律，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，b为第一阶段的初始注水流量，c为第二阶段的初始注水流量，之后无需注水流量即可维持压力，并且满足b＜c，e、f都为0，e为第一阶段的稳定注水流量，f为第二阶段的稳定注水流量。
6.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中IV型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa，a为第一阶段的回落压力；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到aMPa；
从流量变化规律来看，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，b为第一阶段的初始注水流量，c为第二阶段的初始注水流量，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，e为第一阶段的稳定注水流量，f为第二阶段的稳定注水流量，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都相对较大，即超过流量零点较大值。
7.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中V型水幕钻孔特征为：
其钻孔压力变化规律，第一阶段钻孔压力达到0.3MPa，在第一回落阶段，钻孔压力少许回落，变为a MPa，a为第一阶段的回落压力；在第二回落阶段，钻孔压力最终基本回落到aMPa；
从流量变化规律来看，第一阶段和第二阶段开始时分别给予一定的流量b、c以维持相应的压力，b为第一阶段的初始注水流量，c为第二阶段的初始注水流量，之后分别以一定的流量e、f以维持压力，e为第一阶段的稳定注水流量，f为第二阶段的稳定注水流量，并且满足b＜c，且b＞e，c＞f；e、f都不为0，b、c、e、f都非常小，即接近流量零点。
8.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中对于I型和IV型钻孔进行补给作用评价，对于II型和III型钻孔进行“水盖层”作用评价。
9.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中补给作用评价关注水幕钻孔注水量与洞室涌水量之间的相关性，具体为：计算此类水幕钻孔的注水量与洞室涌水量之间的相关性，相关性系数大于0.6时，即可满足补给作用的要求。
10.根据权利要求1所述的基于水封作用方式的水幕系统优化设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中“水盖层”作用评价关注水幕钻孔之间的连通性，具体为：使水幕钻孔之间的裂隙被水充满时，即可满足“水盖层”作用的要求。
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