本帖最后由 幺不语 于 2020-12-25 15:47 编辑
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地下水封储油洞库工程安全监测设计.pdf
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0 引言 由于安全、储存容量大、经济、环保等优点，地下水封储油洞库广泛用于国家石油战略储备和各种商业储存。目前，全球已建造了200多处地下水封储油洞库，主要分布在斯堪地纳维亚半岛、韩国[6]、日本、德国、法国和沙特等，取得了显著的社会和经济效益[9]。 为了适应石油和天然气战略储备需求，我国近期将投资建设大型地下水封储油洞库，设计总储量达1600万m3。由于地下水封储油洞库由洞室群组成，空间结构及地质条件复杂，施工期和储油期均承受荷载，尤其不良地质段结构受力情况复杂，因此，必须对地下水封储油洞库进行安全监测，确保地下水封储油洞库安全、健康、稳定。 我国在70、80年代建成黄岛、象山等小型石油储存洞库，但由于规模较小并未对安全监测进行系统的研究，同时现行规范中并未对地下水封储油洞库安全监测设计及相关核心技术作明确要求，因此，地下水封洞库安全监测设计无先例可参照，尚属起步阶段。 本文根据地下水封储油洞库结构设计特点，结合地下洞室群安全监测设计经验，根据我国在建某地下石油储备洞库的工程实际情况，对安全监测设计布置方案以及监测仪器设备选型进行了设计。 1 水封储油原理 地下水封洞库处于稳定的地下水位线以下一定深度，通过人工在地下岩石中开挖出一定容积的洞室,利用稳定地下水的水封作用密封储存在主洞室内的油品,由于岩壁中充满地下水的静压力大于储油静压力,油品始终被封存在有岩壁和裂隙水组成的一个封闭的空间里,使油品不会渗漏出去。由于油和水的比重不同油和水不会相混，同时利用水比油重的原理,将油置于水的包围之中,只能水往洞内渗,而油不可能往洞外渗漏,油始终处在水垫之上,从而达到长期储存油品目的。
2 监测设计 2.1 监测设计目的及原则 （1）监测设计目的 通过对洞室围岩和支护结构实施监控，及时掌握其性态变化，及时发现异常情况，并对其稳定性和安全度作出评估，随时采取补救措施，防止事故发生，确保施工安全[1]；以及通过对监测数据进行及时分析，及时掌握洞室围岩支护结构的稳定状态、围岩的变形趋势和稳定过程，检验设计方案，为优化或修改支护参数及施工方法提供依据；同时对库区周边地下水以及洞灌区渗压进行监测，及时掌握库区水封压力情况，及时采取适当的水封控制措施，保证足够的水封压力水封石油；为常规分析、定量正反分析提供实测数据，为科学研究提供科学数据[2]。 （2）监测设计原则 根据工程规模等级、地质条件、结构设计、施工等实际情况，以国家有关规程规范和地下油库安全管理条例为依据，以集中布置、兼顾全面、便于实现自动化监测为基本原则[2]；综合考虑监测仪器及设备的选择和布置，采取行之有效、经济可靠的监测方法和手段，保证结构建筑物安全、健康、稳定，做到目的明确，重点突出[1]；按照工程进度以及结构建筑物的不同功能和作用，对监测工作进行统筹安排，明确施工期和储油期监测的重点项目和具体要求；各部位、各区域的各类监测项目或仪器设备，应能相互配合、相互补充，相互校核，保证监测资料的完整性、准确性和可靠性。 2.2 监测项目及仪器选型原则 （1）监测项目 地下水封储油洞库由储油洞室群、施工巷道以及水幕系统等组成，其空间结构复杂，关系密切。地下水封储油洞库安全监测设计既要保证施工期各结构建筑物的安全，又要在保证储油期有足够水封压力水封石油的同时确保各结构建筑物安全、健康、稳定。 由于目前我国地下水封洞库刚处于起步阶段，2008年发布的《地下水封洞库设计规范》（GB50455-2008）中仅对监测设计了非常简要的描述，不能满足详细监测设计的要求，因此，对于地下水封洞库的安全监测设计只能结合已有的工程经验和其他相关规范进行。 由于地下水封洞库主要由储油洞室群、施工巷道以及水幕巷道等复杂的洞室组成，其在一定程度上与地下厂房、水工隧洞、公路隧洞和铁路隧洞具有一定的相似性，因此，其常规监测设计可以参考执行。 地下水封洞库是需要足够的水封压力才能将存储介质封闭在储油洞室内，因此，在运行期间必须对水封储油压力进行监测，以确保足够的水封储油压力。同时由于地下水封洞库储存介质的特殊性，其一旦发生渗漏将对周边生态环境造成严重破坏，因此，必须对周边地下水进行水质监测，以确保周边的地下水不受破坏。 结合地下水封洞库结构以及运行特点，地下水封洞库工程安全监测项目主要包括围岩变形监测、支护结构应力应变监测、渗流渗压监测、水质监测及微震监测。 地下水封洞库除了进行施工期监测外，还必须进行运行期间的永久监控，实现实时控制和了解地下结构稳定、水质、以及水封压力等信息，确保地下水封洞库安全、健康、稳定的运行，因此，为实现及时、实时监控和了解地下结构性状，必须实现永久监测项目的自动化采集和分析，即必须实现自动化监测。 （2）监测仪器设备选型原则 监测仪器的量程和精度能够满足监测对象的要求，技术指标符合国标及仪器系列型谱的有关规定；防水、防潮，能适应地下工程恶劣的环境条件和长期性的要求，且稳定可靠；长期稳定可靠、抗干扰能力强，由于地下工程结构、施工的特点，仪器一经安装埋设，其后期维护和更新困难，因此，选择的监测仪器应长期稳定可靠；且必须选择经工程实践验证过的成熟产品，同时对解决特殊问题的监测仪器应进行必要的调研和论证。 3 工程实例 3.1 工程概况 某地下水封储油洞库工程由地下工程和地上辅助设施两部分组成，地下工程主要由主洞室群、水幕系统、施工巷道以及相关连接巷道和竖井等组成，每组洞室之间由施工巷道连通。洞室群顶部设水幕系统，由注水巷道和水幕孔组成，覆盖整个洞库上方。施工巷道为设备、材料、弃渣的运输和通风、供电、给排水等提供通道。图2为某地下水封洞库布置图[12]。
3.2 监测断面布置方案 根据地下洞室结构特点，由于施工巷道和水幕巷道结构尺寸相对较小，监测设计主要是为了确保施工期结构建筑物的安全，以及指导施工和优化设计，而主洞室结构跨度和高度均相对较大，因此，其安全、稳定的运行显得至关重要，必须尽早获取主洞室开挖过程的结构变化性状，实现实时监控和预测其结构变化情况。根据地下洞室结构理论力学研究，结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等位置是结构关注的重点部位，也是监测设计的重点位置。因此，监测断面设计必须保证既能从总体上把握整个库区结构稳定情况，又能在局部范围内监控和掌握重点关注部位以确保洞室安全状况。 根据上述分析，结合本工程结构受力及地质等相关情况，监测断面设计布置具体如下： 1) 为了及时获得主洞室结构围岩变形的初始变化性状，全局上所有主洞室围岩内部深层监测仪器必须从水幕巷道钻孔预埋，即本工程采用沿水幕巷道共布置3个横过各个储油洞室的观测断面。同时根据施工开挖具体地质情况，在结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等部位增加布设监测断面实现局部重点监控。 2) 根据本工程施工巷道结构布置特点，布置4个监测断面以实现总体上控制和了解结构变化性状，同时针对在每条施工巷道的不良地质段、断层穿过处等特殊部位增设监测断面，实现局部重点监控。 3) 在3条主要的横向水幕巷道内各布置2个观测断面以总体了解和掌握水幕巷道结构性状，同时在结构开挖过程中根据不良地质段或断层穿过处的情况适当增设监测断面。 3.3 监测项目设计 地下水封洞库监测设计主要包括围岩变形监测、支护结构应力应变监测、渗流监测、水封压力监测和水质分析监测等，其中施工巷道所有监测项目、主洞室和水幕巷道的支护结构应力应变监测、表面变形监测主要用于施工期监测，运行期间不再进行监测，而主洞室和水幕巷道围岩内部变形监测、水封压力监测、水质监测等需在运行期间实现永久监测，并接入监测自动化系统，实现自动化数据采集、管理与维护。 1） 围岩变形及支护结构应力应变监测 从布置形式上看，地下水封储油洞库与地下洞室群基本相似，由不同尺寸的地下洞室组成。根据围岩整体稳定特性可知，在开挖卸荷和爆破振动[10]的影响下将出现不同程度的围岩变形，情况严重时会发生围岩失稳现象[7]。 地下洞室群安全监测主要对围岩不同深度相对变形以及支护衬砌结构应力应变进行监测[12]，即洞室围岩变形监测、支护与混凝土衬砌结构监测等项目。地下水封储油洞库与地下洞室群结构相似，因此，地下水封储油洞库洞室群结构稳定监测主要为洞室围岩变形监测、接触变形、支护锚杆锚索以及衬砌结构应力应变监测等，其中主洞室的围岩深层变形监测采用水幕巷道内预先钻孔埋设，以便得到主洞室开挖的初始结构变形，图3为主洞室监测设计典型断面，图4为施工巷道监测设计典型断面。
2） 储油水封压力监测[8] 根据本工程结构建筑物布置情况以及地质条件，在库区周边均匀布置地下水位监测孔，同时在洞室群顶部分监测断面布置地下水位监测孔，实时掌握整个库区地下水位变化情况。 除在库区周围以及洞室群顶部进行地下水封监控外，还在洞室群内部储油洞室范围内分层布置水封压力监测仪器，补充、检验和验证库区周边以及顶部地下水位监测数据，确保足够水封压力。 3）水质分析监测 2010年4月，美国墨西哥湾原油泄漏事件致使浮油向美国沿海及周边扩散，墨西哥湾沿岸生态环境遭受“灭顶之灾”，造成沿岸1000英里长的湿地和海滩被毁，渔业受损，脆弱的物种灭绝。2009年12月，中国中石油陕西华县地下输油管道发生泄漏事件，在渭河形成污染带进入黄河，造成黄河下游部分城市出现饮用水危机。 鉴于石油泄露事件会对生态和自然环境造成严重影响和破坏，因此，为了确保库区周边地下水及生态环境不被污染和破坏，必须对库区地下水进行水质监测。 根据本工程实际情况，在库区四周、周边一定范围内以及附近地下水汇流处设置水质分析监测设施，定期监测和分析地下水，确保周边地下水不被污染，生态环境不被破坏。 4）微震监测 在外力或温度等条件作用下，岩体结构内部将出现局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值时，就会引起岩体微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波应力波的释放并在周围岩体内快速传播。微震监测技术是利用微震监测传感器扑捉岩体结构扰动后本身发射出的弹性波来判断围岩稳定的方法，并通过对弹性波进行分析，反演确定岩体结构发生微震的时间，并准确定位微震事件发生的位置和判断微震的性质及能量大小[3]。 微震监测技术最早于上世纪初在南非约翰内斯堡金矿开采项目中用于监测诱发地震，随后波兰、美国、加拿大、日本和澳大利亚等国对微震监测技术进行了系统研究[3]，并将其成功应用于矿山[11]、核能、地下储油洞库、隧道工程[4]等领域。目前，我国在矿山行业对微震监测技术取得了一定的研究成果，但在其他行业的研究应用较少。 地下水封储油洞库由储油洞室、施工巷道以及水幕巷道等多条地下洞室组成，占地范围广，空间结构及地质条件复杂，各洞室结构尺寸、围岩支护形式也不尽相同，由于微震监测技术受众多因素影响和制约，监测数据处理和精度分析技术还需进一步研究[5]，因此，为了及时掌握库区围岩微裂隙变化情况，在库区均匀布设单轴加速度计和三轴加速度计，确保至少每4支传感器形成有效微震事件采集空间，通过分析和研究微震事件来补充、验证围岩变形及支护结构分析结论，同时为微震监测技术研究收集科学数据。 5）监测自动化系统 根据监测设计要求，主洞室和水幕巷道内所有围岩内部变形监测仪器、水封压力监测仪器均需接入自动化系统实现永久监测，其中围岩内部变形监测仪器和地下洞室内安装的水封压力监测仪器必须在水幕巷道内集中然后引至地面观测站，本工程根据实际情况采用钻孔方式将水幕巷道内的仪器电缆集中引至地面观测站，同时每个周边地下水位观测孔内附近设置一个观测站，采用光纤通讯，并结合周边视频监控系统和地下水封洞库自控专业电缆沟槽布设。所有观测站采用光纤通讯并最终进入中控室实现自动化监测。 3.4监测仪器设备选型 安全监测作为保证地下水封储油洞库施工及储油期安全的重要手段，选择适合的监测仪器设备是关系整个地下水封储油洞库能否安全、健康、稳定的运行，并充分发挥其综合效益的关键。监测仪器设备选型是一项复杂而细致的工作，除了应考虑监测仪器的先进性、可靠性及经济性外，还要结合具体监测对象的特殊性、运行工况以及施工特点等因素进行系统研究和比选。 目前，监测仪器主要分为差阻式监测仪器和振弦式监测仪器两类，且均已经在工程实例应用得到广泛的验证，能够在潮湿、封闭等环境中稳定的工作，因此，两种类型的监测仪器均适用于本工程条件。但根据本工程的具体情况，支护结构应力应变监测主要用于施工期监测，施工期结束后将进行封存，由于差阻式监测仪器相对于振弦式监测仪器价格较为便宜，且精度、稳定性基本一致，因此，综合考虑本工程对于施工期的支护结构应力应变监测采用差阻式监测仪器。 由于差阻式监测仪器的监测效果受电缆长度的影响，且其性能指标、分辩率、灵敏度等方面相对于振弦式监测仪器较差，因此，为了确保本工程长期稳定、健康、安全的运行，用于运行期间监测的仪器设备必须采用振弦式监测仪器。 4 结论 （1）通过分析可知，地下水封储油洞库主要包括围岩变形及支护结构应力应变监测、储油水封压力监测、水质分析监测以及微震监测等项目。 （2）监测断面应选择布设在结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等典型位置，同时还应在附近地质条件较好的位置布设监测断面，对比分析其对围岩结构的不同影响程度。 （3）微震监测技术还需进一步研究，本工程可考虑布置微震传感器，补充、验证其他监测手段，同时为推动微震监测技术的研究提供科学数据。 （4） 综合考虑监测仪器的性能指标、稳定性以及价格等因素，并结合长期工程实际应用情况，施工期支护结构应力应变监测选用差阻式监测仪器，运行期间的监测仪器采用振弦式监测仪器。 参考文献 [1] 李珍照.大坝安全监测[M]. 北京：中国电力出版社，1997 [2] 苏洁,张顶立,牛晓凯,等.海底隧道结构健康监测设计研究[J]. 岩石力学与工程学报.2007,(26):3785-3791 [3] 徐奴文,唐春安, 沙椿,等.锦屏一级水电站左岸边坡微震监测系统及其工程应用[J]. 岩石力学与工程学报.2010,(5):916-925 [5] Forney F，Amartin J P．Development of a Seismic System for the detection of Trapped Miners[J]．Rock—bursts and Seismicity in Mines.RaSiM5.SAIMM,2001，35-41． [6] Chung-In Lee,Jae-Joon Song. Rock Engineering in Underground Energy Storage in Korea[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003(18):467-483. [7] 王芝银,李云鹏,郭书太,等.大型地下储油洞粘弹性稳定性分析[J].岩土力学.2005,26(11):1705-1708 [8] 许建聪,郭书太.地下水封油库围岩地下水渗流量计算[J].岩土力学.2010,31(4):1296-130 [9] 段亚刚.地下水封储油库的应用与发展[J].山西建筑.2007,33(36):92-93 [10] 陈奇,李俊彦,张杰坤,等.地下水封石洞油库岩爆灾害预测评估—以某地下水封石洞油库实际工程为例[J].地球与环境.2005,(33):369-372 [12] 蒋中明,冯树荣等.水封油库地下水位动态变化特性数值研究[J]. 岩土工程学报.2011,11:1780-1781
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《人民长江》2013年 第19期 | 王永强 文富勇 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院 湖南长沙410014
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