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2023-07-02
深入探讨数值模型及计算方案
【摘要】：模型计算边界位于影响区半径范围外，因此认为边界不受地下洞室的影响。渗透系数取值变化计算目的是为了研究渗透系数变化对地下水位变化的影响。表13.1为数值模拟采用的计算方案。图13.2计算网格图表13.1计算方案
以国家石油储备黄岛地下水封石油洞库工程为例，研究水封石油洞库区地下水位变化过程及变化规律。
黄岛地下水封石油洞库工程包括地下工程和地上辅助设施两部分，设计库容300万m3。地下工程主要包括2条施工巷道及其连接巷道、9个主洞室、9个竖井及5条水幕巷道。9个主洞室按北偏西45°平行设置，每3个主洞室之间通过四条连接巷道组成一个罐体，共分为3个洞罐组。主洞室设计底面标高为-50m，长度为484～717m，设计洞跨20m，洞高30m，截面形状为直墙圆拱形。主洞室壁与相邻施工巷道壁之间设计净间距为25m，两个相邻主洞室之间设计净间距为30m。图13.1为洞库布置示意图。库址区含水介质为晚元古界花岗片麻岩，地下水存在类型为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，其中基岩裂隙水又可分为浅层的网状裂隙水和深层的脉状裂隙水。
数值研究选择洞库中间部位横剖面Ⅰ—Ⅰ进行有限元建模。平面有限元计算范围从施工巷道外边缘向外各延伸600m，模型底部高程-250.00m，顶部为自然高程，模型总长1805m。计算模型单元数量为7321，节点数量5789。网格自动剖分为四边形和三角形单元，对洞室附近岩体进行单元加密处理。图13.2为有限元计算网格图。
（1）初始条件。根据库址区钻孔水位观测资料及库址区外围水文地质调查资料：钻孔地水位标高为93.07～268.48m，库址区外围水井及地表水体水位标高为39.00～124.35m，地下水位变化幅度一般小于5m，地下水位标高变化基本与地形基本一致，水位标高最小值39.00m为远离洞库的殷家河水库水位。计算时，洞库位置初始水位按钻孔水位考虑，进行初始渗流场拟合计算。
图13.1 洞库布置示意图
（2）边界条件。模型计算边界位于影响区半径范围外，因此认为边界不受地下洞室的影响。模型底部水平边界设定为不渗透边界，铅直边界设定为已知水头边界。施工期洞库边墙、顶拱和底板按自由排水边界处理；运行期地下油库边墙和底板以及水幕孔布置平面概化为定水头边界，注水孔水头按高出水幕孔高程2m控制。此次研究不考虑降雨入渗对地下水位的影响。
（3）水力学模型。各向同性达西流模型。
（4）计算水力学参数。为了有效地封存地下洞库中的原油，地下石油洞库都选择布置在渗透性小的地层中，例如韩国Yeosu peninsula石油洞库区岩体渗透系数为i×10-9～i×10-10m/s；韩国U2石油洞库区岩体渗透系数为i×10-8m/s；锦州地下石油洞库围岩渗透性则在i×10-5～i×10-9m/s之间变化。根据现场渗透试验成果，黄岛地下石油洞库区围岩渗透系数也在i×10-9～i×10-10m/s；湛江地下石油洞库区围岩渗透系数也在i×10-7～i×10-9m/s。
由此可见，尽管地下储油洞库区岩体渗透系数较小，但不同的工程或同一工程的不同部位，其渗透性相差也在2～3各量级之间变化。针对这种情况，数值计算时渗透系数分别取K=1.15×10-9m/s、K=5.75×10-9m/s、K=1.15×10-8m/s和K=1.15×10-7m/s，共计4种情况。渗透系数取值变化计算目的是为了研究渗透系数变化对地下水位变化的影响。
由于地下储油洞库的规模宏大，为了加快工期，我国一般采用各洞库同时开挖的施工方式。因此，数值计算时按9个洞库一次开挖完成进行考虑；同时，为了对比分析，也研究了9个洞库分别按3个开挖步时洞库围岩渗流场变化情况。现有的资料表明，国内外的地下水封石油洞库大都采用水幕系统，但也有少量未采取水幕系统而成功储油的工程，故计算中考虑水幕注水和不注水两种工况。表13.1为数值模拟采用的计算方案。
图13.2 计算网格图
表13.1 计算方案
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