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《中国地质大学》 2011年
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地下水封油库洞室群应力应变规律与设计优化研究

杨举  
【摘要】:地下水封石洞油库是从第二次世界大战之后逐渐发展起来的一种较为先进的储油方式。由于具有造价低、安全隐蔽、节约土地、不污染环境和油耗量低等优点,作为中转或储备油库被广泛利用。随着国内外石油供需矛盾的加剧,我国的石油危机也将越来越大,为维护国家石油供需安全,有效的平抑油价的波动,更好的促进国民经济的发展,建立大型的地下水封石洞石油储备库势在必行。我国虽然已经有了建立地下水封石洞油库的经验,但总体而言尚处于探索试验阶段,未形成有效的理论体系指导大规模的工程建设。因此,开展地下水封石洞油库方面的研究具有非常重要的意义。 在地下水封洞库工程中,影响洞室群应力应变特征的因素有客观地质环境因素——岩体结构及其力学性质和地应力等,也有主观人为因素——洞室间距和开挖方案等。在尊重客观地质环境条件的基础上,开展人为因素(洞室间距和开挖方案等)对洞室群应力应变影响规律的研究,进而优化设计和施工是复杂且具有实用意义的课题。 基于此,论文以黄岛水封洞库工程为例,围绕洞室群应力应变规律与设计优化研究主题,从影响洞室群应力应变特征的因素出发,对黄岛洞库区岩体结构与力学性质和初始地应力场进行了深入的分析;在此基础上,针对影响洞室群应力应变特征的两个主控因素——洞室间距和开挖方案,采用FLAC3D数值模拟软件开展了洞室群应力应变规律与设计优化研究。沿着这条研究主线,本文主要进行了以下四个方面的研究工作: (1)岩体结构与力学特性 首先分析了洞库区结构面类型及其工程地质意义;针对广泛随机发育的节理裂隙型结构面,采用精确测线法分析了其地表发育特征;为了分析结构面深部发育特征研究了基于数字钻孔影像技术的深部结构面识别方法,并借助于该法分析了结构面深部发育特征。在结构面空间发育特征分析的基础上,基于结构面网络模拟成果采用Hoek-Brown岩体力学参数估算方法对深部岩体力学参数进行了估算。通过研究发现:洞库区结构面地表发育特征与深部发育特征存在一定的差异,主要表现在结构面发育数量沿铅直方向逐渐减少,且结构面的优势产状发生偏转,但优势结构面组数并没有改变。各类结构面具有不同的数字钻孔影像特征,可借此开展深部结构面类型识别和发育特征的研究。 (2)初始地应力场 通过分析洞库区3个钻孔共25个试验段地应力实测数据,初步掌握了洞库区地应力场特征;并采用FLAC3D数值模拟软件建立了考虑研究区主要断层的计算模型,采用阻尼最小二乘算法进行了初始地应力场反演,根据反演结果分析了洞库区初始地应力场空间分布特征。通过研究发现:黄岛洞库区初始地应力以水平构造应力为主,最大水平主应力优势方向为N73°W;地应力的空间分布主要受断层和地形控制,断层带附近水平主应力降低带,高程60~-150m段内最大水平主应力为6.43~2.4MPa,最小水平主应力为4.56~8.48MPa且受断层的影响水平主应力方向发生偏转;离断层较远区域形成水平应力升高带,最大水平主应力为8.43~18.2MPa,最小水平主应力为6.56~15.2MPa。 (3)洞室群应力应变规律与设计优化研究 从洞室间距和开挖方案作为影响洞室群应力应变分布特征的影响因素角度出发,采用FLAC3D数值模拟软件模拟分析不同洞室间距和施工开挖方案工况下洞室群围岩应力场、位移场和塑性区分布状况,通过对比分析获得了洞室群应力应变随洞室间距和开挖方案的变化规律,并结合洞室群合理间距和施工顺序的判别指标给出了黄岛地下水封油库洞室群合理的洞室间距和开挖方案。通过研究发现:①间距作为影响地下水封洞库洞室群应力应变分布的主控因素,对洞罐(三个主洞室平行布置构成一组洞罐)两侧的洞室影响较小,而对中间主洞室围岩应力应变分布影响显著,且主要表现为随着洞室间距增大,主洞室之间岩墙部位最小主应力逐渐增大,最大主应力逐渐减小。②洞室周边应力集中程度和变形量对间距变化不敏感,而洞室群塑性区及其尺寸随洞室间距变化较为显著。③开挖顺序洞室群应力场和变形场影响很小,对洞室群塑性区分布状况影响较大,主要体现在后开挖的主洞室塑性区范围较大,先开挖的主洞室塑性区面积较小。④黄岛地下水封洞库洞室群合理间距为1.4倍平均洞跨,即主洞室之间净距为28m,主洞室与施工巷道之间净距为21m;洞室群的合理开挖方案为跳挖方式,即先开挖洞罐两侧主洞室,后开挖中间主洞室。 本文的创新点在于:①提出了基于数字钻孔影像技术的深部结构面类型识别方法,为开展深部结构面发育特征研究提供了方法基础②提出了花岗片麻岩区地下水封洞库洞室群应力应变随洞室间距和开挖顺序的变化规律,为设计和施工优化提供了理论依据。
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