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花岗片麻岩体渗透特性及水封条件下洞库围岩稳定性研究

宋琨  
【摘要】:裂隙岩体渗透特性是岩体水力学研究的重要科学和工程应用问题,也是目前岩石力学研究的热点和难点问题之一。在国内外大量水利水电、地下石油储备和放射性核废料地下封存等大型工程的建设热潮期,裂隙岩体渗透特性成为亟需解决的关键基础理论问题。 为规避石油短缺诱发经济危机的风险,我国现阶段正在大力实施战略石油储备基地的建设。在二期的储备基地建设中采用地下水封洞库的储存模式。地下水封洞库是在稳定地下水位线以下的一定深度,通过人工在岩石中开挖一定容积的地下洞室,利用地下水的水封作用密封储存于洞室内的油或液态气体。它相对地面油库具有占地面积小、安全性高、维修费用低、投资省、适合战备要求等优点,是目前国际石油战略储备的主要方式。 地下水封洞库建设中需解决的最关键问题是“水封效果”和“围岩稳定性”。建库裂隙岩体的渗透特性是水封效果研究的基础科学问题之一,是评价水幕系统是否有效和水封效率高低的关键。由于水封洞库的围岩长期处于地下水环境,因此,水幕系统长期作用下的洞室围岩稳定性研究是评价其安全性的关键。 虽然我国有少量地下水封油库和LPG (Liquefied Petroleum Gas)库的工程建设经验(借助国外公司和技术完成),但存在许多亟需解决的关键科学问题和需掌握的核心技术。在我国能源战略储备基地和大型石化企业原料地下储备库建设的热潮期,开展地下水封洞库的相关基础理论和应用研究,打破国外公司的技术垄断,具有重要的理论意义、战略意义和工程应用价值。 论文针对地下水封洞库工程,以工程地质学、水文地质学、岩石力学和水力学理论为指导,运用地质调查、现场与室内试验、理论分析计算和数值模拟相结合的方法,主要开展了以下4个方面的研究工作: 一、花岗片麻岩体结构面发育特征研究 (1)钻孔电视影像的结构面特征信息解译方法和技术。 本文主要针对结构面的产状、隙宽、粗糙度、类型等特征进行研究。根据结构面与倾斜钻孔的几何关系,通过结构面影像中三个点的深度和方位,可确定任意角度钻孔影像的结构面产状信息;通过影像中两点的深度和方位,可确定结构面的真实隙宽;采用正弦曲线标尺测量影像中结构面的起伏程度,将结构面钻孔孔壁的椭圆粗糙度转化为直线粗糙度,并用分形维数计算粗糙度系数JRC值;根据钻孔影像中结构面形状、宽度、粗糙程度等信息的不同,识别出花岗片麻岩体中发育的结构面主要为变质分异结构面和构造结构面两类。 (2)最优测线方向的布置原则研究。 地表露头和地下深部岩体的优势结构面发育规律不同主要是由于测线方向引起的误差;测线方向与结构面夹角(0)越大,测线与结构面相交的概率越大;若夹角大于69.4°,相对误差可控制在10%以内,若夹角大于79.3°,相对误差小于5%;为消除测线方向的影响,需对每组结构面进行修正,修正系数为λ=1/sin0。 (3)地下深部施工巷道区结构面发育特征验证研究。 通过施工巷道中990条结构面发育规律的统计研究,验证了钻孔影像结构面解译和测线方向的修正方法的合理有效性;得到花岗片麻岩体发育的四组优势结构面分别为:134°~144°∠63°-80°、52°-63°L70°-79°、74°∠71°和160°∠40°;根据21个钻孔近20个月的地下水位长期监测和巷道施工信息,确定该4组优势结构面均为渗透结构面。 二、花岗片麻岩体渗透特征研究 (1)基于钻孔岩芯、电视摄像和声波测试等信息的岩体渗透系数估算模型研究。 因花岗片麻岩体的渗透性原位试验(提水、注水和单栓塞压水试验)数量和精度不够,不能反映花岗片麻岩体渗透特性空间分布规律,因此论文依据烟台万华地下水封LPG洞库花岗岩体的钻孔分段双栓塞吕荣试验,以岩石质量指标(RQD)、岩体完整性指标(RID)、裂隙宽度指标(AD)、岩石渗透性系数(LPI)和泥质充填物指标(ACD)等为建模指标,建立岩体渗透系数估算模型——“RMP模型”(RMP=(1-RQD)(1-RID)(LPI)(AD)(1-ACD), K=10.855×RMP0.86666),经检验估算结果与试验结果近似线性相关(R2=0.8601)。 (2)“RMP模型”的应用研究。 运用“RMP模型”研究花岗片麻岩体的渗透特征。以黄岛水封洞库的钻探、电视成像、钻孔波速等数据为基础,通过RMP模型估算花岗片麻岩体的渗透系数,其值主要为10-4m/d≤K10-3m/d,渗透性在竖直方向和水平方向空间分布规律性不明显;高程10m、0m、-20m、-30m和-40m五个平面的最大渗透系数主要分布于洞库南北方向的南部,东西方向的中部,高程-10m、平面,最大渗透系数位于东南角,高程-50m平面,渗透系数最大值位于南部,其次为东北角;在高程10m~-50m范围内,洞库南北方向的南部、东西方向的中部区域几何平均渗透系数较大。(3)花岗片麻岩体渗透张量研究。采用结构而粗糙度修正水力隙宽,计算岩体渗透张量,并经分段估算渗透系数的修正,得到花岗片麻岩体修正渗透张量;通过渗透玫瑰花图统计,洞库区最大主渗方向为N32。E、N88°E和N21°W,渗透优势方向为N34°E、N15°W、N54°E和N73°W,渗透主值K1的最大值为4.58-6.79×10-2m/d,优势值为1.42-8.31×10-3m/d;各向异性比率c1均值为1.06,c2均值为3.22。 三、洞室群围岩地下水压力分布特征研究 (1)地下水封洞库水文地质概念模型研究。 地F水封洞库的含水层类型为各向异性、单层结构的裂隙型潜水含水层;模型周围为水头边界,主洞室和水幕系统为压力边界;岩体渗透系数较小,大多为10-4~10-3m/d,且具有明显的各向异性特征。 (2)花岗片麻岩体渗透各向异性对围岩水压力影响研究。 进行4种不同渗透系数ks、6种不同各向异性比值kv/kh(1.0~5.0)的23个数值试验,得剑随kv/kh增加,洞室间围岩水压力线性增大,顶板与水幕系统间水压力先缓降后陡降,洞室底板水压力逐渐下降;随kv/kh增加洞周地下水流速呈先陡降后缓降的对数递减趋势。 (3)水幕系统对围岩水压力的影响研究。 进行有、无水幕系统等5种工况下的渗流数值试验,得到水幕系统对洞室间、洞顶围岩水压力有显著影响,对洞底纵向水压力影响不明显;水幕系统增加了洞室左边墙、拱顶和右边墙的地下水流速,改变了洞周流速分布变化特征;洞底围岩的地下水流速受水幕系统和地下水位的综合影响。 四、水封条件下洞室围岩稳定性研究 (1)在花岗片麻岩体强度和变形参数确定的基础上,研究无地下水条件下的洞室群围岩稳定性。 通过室内岩石力学试验(18个单轴压缩和7组三轴压缩试验)、广义Hoek-Brown准则和Hoek E (2006)估算、位移反演(正交数值试验)等方法综合确定了Ⅰ-Ⅴ级花岗片麻岩体的强度和变形参数。通过数值模拟方法,研究无地下水条件下洞室围岩稳定性,得到:洞室变形以边墙的水平位移和底板的隆起位移为主,拱顶的沉降变形相对较小,岩体质量下降对洞室左边墙的总位移、水平位移和底板的隆起位移影响显著;洞周围岩二次应力场以环向应力为主,不同部位的应力随岩体质量下降的变化趋势不同;塑性区主要出现于Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级岩体中,边墙塑性区深度最大,底角最小:随岩体质量下降,洞室群整体稳定性系数呈指数下降,围岩为Ⅰ~Ⅲ级时基本满足整体安全性要求,Ⅳ、Ⅴ级岩体不能满足安全性要求。 (2)无水幕系统时岩体渗透各向异性条件下的洞室围岩稳定性研究。 通过改变渗透各向异性比值kv/kh,研究各向异性对洞室围岩稳定性的影响,得到:岩体渗透各向异性对洞室群围岩变形无影响;对应力场影响不明显,随kv/kb的增加,Ⅰ级岩体最大主应力不变,Ⅱ、Ⅲ级岩体主应力变化值起伏增大,Ⅳ级岩体先增加后波动下降;Ⅲ级围岩的塑性区总面积变化量随kv/kh的增加波动增加,变化不明显,Ⅳ级围岩的变化量趋势增大,变化较明显;洞室群整体稳定性系数总体随各向异性比值kv/kh的增加逐渐下降,但Ⅰ级岩体洞室稳定性系数呈“W”型波动变化。 (3)水幕系统运行时洞室围岩稳定性变化规律研究。 水幕系统在标准运行和极端运行条件下围岩位移基本一致,标准运行条件多数部位位移偏大,最大差值1.5mm两种运行条件下Ⅰ、Ⅱ级围岩的洞周最大主应力相同,Ⅲ级多数部位标准运行条件应力偏大,而Ⅳ级多数部位极端运行条件应力偏大;极端运行条件下围岩塑性区面积比标准运行条件稍小,最大变化量为洞室截面的0.47%;极端运行条件下洞室稳定性系数提高,运行状态改变对Ⅰ级、Ⅴ级岩体的围岩稳定性影响大,对Ⅲ级和Ⅳ级无影响。 (4)施工期和运营期的洞室群围岩稳定性变化规律研究。 运营期的围岩变形量比施工期小,最大相对变化率为8.2%;运营期相对施工期围岩最大主应力随岩体质量的下降而变化愈加显著,Ⅰ、Ⅱ级岩体,左边墙中点变化最明显,Ⅲ、Ⅳ级围岩,顶拱与右边墙连接处变化最明显;洞室群运营期塑性区面积相对施工期减小,Ⅲ级围岩变化明显;运营期的稳定性相对施工期下降,最大降幅28.8%,Ⅰ、Ⅱ级围岩稳定性高,施工期和运营期均满足整体安全性要求,Ⅲ级围岩运营期稳定性不能满足安全性要求,Ⅳ、Ⅴ级围岩的施工期和运营期稳定性均不满足安全性要求。 本文的创新和特色之处在于:(1)建立了基于钻孔电视影像的结构面粗糙度解译方法,并采用分形理论估算粗糙度系数JRC值;(2)基于双栓塞吕荣(Lugeon)试验,以岩石质量指标(RQD)、岩体完整性指标(RID)、裂隙宽度指标(AD)、岩石渗透性系数(LPI)和泥质充填物指标(ACD)等为建模指标,建立了岩体渗透系数估算RMP模型;(3)研究了花岗片麻岩体渗透各向异性条件下的地下水封洞库围岩水压力和稳定性变化规律,即随各向异性比值kv/kh增加,洞室间水压力线性增大,顶板与水幕系统间水压力先绥降后陡降,洞室底板水压力逐渐下降;各向异性对洞室群围岩变形无影响,对应力影响不明显,整体稳定性系数基本随kv/kh增加而减小


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