黄岛某原油地下库洞室围岩稳定性评价毕设论文.docx

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黄岛某原油地下库洞室围岩稳定性评价毕设论文

本科毕业论文（设计）

题目：

黄岛某原油地下库洞室围岩稳定性评价

姓名：

万顺学号：

20111003846

 院（系）：

工程学院专业：

岩土工程

指导教师：

晏鄂川职称：

教授

评阅人：

职称：

2015年2月

本科生毕业论文（设计）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者（签字）：

签字日期：

年月日

摘要

石油液化气既是一种清洁能源,又是甲级易燃易爆化学品,石油液化气地下储库是利用地下洞室及水封技术来储存液化气,具有安全、经济、储量大的优点。

地下储库也是未来石油气能源储存的发展方向,在国外已有几十座各类地下油气储库,而我国目前正在试验研究石油液化气地下储库的各项技术。

地下工程已经成为当今社会岩土工程发展的趋势,许多大型的工程建筑在地上空间不仅浪费土地资源,而且存在着较大的安全隐患。

由于我国能源的发展需求,地下工程也必将在能源工程中得到大力的发展。

地下储气库就是我国能源发展的必然结果,而既然是地下工程,其围岩的稳定性及其支护设计便成为了工程的关键技术。

地下储气库围岩的稳定性问题直接关系到储气库工程的正常使用,是一个值得研究和探讨的问题。

本文研究的是黄岛某原油地下库洞室围岩稳定性评价。

首先是理论准备，对原油地下库洞室进行介绍；然后对所在地区的地质情况进行了介绍；再次对洞室稳定性进行评价，分为整体和局部进行，整体稳定性利用围岩的应力重分布的方法进行稳定性分析，根据围岩重分布应力计算或实测结果，求出围岩中的最大拉应力或压应力，将其与岩体的抗拉或抗压强度比较，来评价围岩的稳定性，而局部稳定性利用块体理论进行分析，又分为拱顶和侧壁两种分别进行评价；最后利用平衡拱理论算出围岩压力，然后以围岩压力作为参考，计算出锚杆面积，从而给出支护建议。

关键词：

稳定性评价、块体理论、平衡拱、围岩压力、支护

ABSTRACT

Liquefiedpetroleumgasasacleanenergysource,butalsoaGradeflammablechemicals,liquefiedpetroleumgasundergroundstorageistheuseofundergroundcavernsandsealtechnologytostoreliquefiedpetroleumgas,asafe,economical,largereservesadvantages.LPGundergroundstorageisthefuturedirectionofdevelopmentofenergystorage,inaforeigncountryhasdozensoftypesofundergroundoilandgasreservoirs,andourpilotstudyiscurrentlybeingliquefiedpetroleumgasundergroundstorageofvarioustechnologies.Undergroundengineeringhasbecomethedevelopmenttrendofsocialgeotechnicalengineering,engineeringandconstructionofmanylargespaceonthegroundisnotonlyawasteoflandresources,butthereisabigsecurityrisk.SincethedevelopmentofChina'senergyneeds,undergroundworkswillalsobevigorouslyintheenergyprojectdevelopment.UndergroundgasstorageistheinevitableresultofChina'senergydevelopment,butsinceitisunderground,anditssurroundingrockstabilityandsupportdesignengineeringhasbecomethekeytechnology.Undergroundgasstoragestabilityofsurroundingrockisdirectlyrelatedtothenormaluseofgasstorageproject,isaproblemworthyofstudyanddiscussion.

ThisstudyisacrudeHuangdaoundergroundcavernstabilityevaluationlibrary.Thefirstisthetheoreticalpreparationforcrudeoilundergroundrepositorycavernsareintroduced;Thengeologicalregionwereintroduced;cavernstabilitywasevaluatedagaindividedintoglobalandlocalfortheoverallstabilityofsurroundingrockstressre-usestabilityanalysisofdistributionmethods,accordingtothere-distributionofsurroundingrockstresscalculationsorexperimentalresults,obtainedinthemaximumtensilestressofsurroundingrockorcompressivestresstotensileorcompressivestrengthwithrockcomparedtoevaluatetherockstability,whilethelocalstabilityanalysisoftheuseofblocktheory,isdividedintotwokindsofvaultsandwallswereevaluated;finallycalculatedusingabalancedrockpressurearchtheory,andthenrockpressureasareferencetocalculatetheanchorbararea,whichgivessupportrecommendations.

Keywords:

stabilityevaluation,blocktheory,balancedarch,rockpressure,support

目录

第一章绪论1

第一节课题研究意义1

第二节水封地下气库原理2

第三节课题研究现状2

第二章工程地质条件4

第一节气象、水文及地形地貌概况4

第二节地震与区域稳定性5

第三节地质构造及地层岩性5

第四节地应力11

第五节岩石物理力学性质12

第六节不良地质12

第三章稳定性评价13

第一节整体稳定性13

第二节局部稳定性18

第四章支护建议22

第一节围岩压力的计算22

第二节围岩支护方案的建议27

第五章结论与展望28

第一节结论28

第二节展望28

致谢29

参考文献30

附图主洞室轴线工程地质剖面图31

第一章绪论

第一节课题研究意义

随着世界工业进程的发展，石化能源作为国家战略能源，各国对石化能源的储备更加重视，在世界各地都修建了各种类型的油气储库。

而储库的类型则由一开始的地上储库逐渐转向地下。

石油液化气作为石化能源的重要组成部分，在我国年消耗量达2300万吨。

由于我国石油炼厂的增加，石油液化气作为炼化厂的副产品的产量也在不断增加，而各个炼厂的液化石油气体储存能力有限，因此液化石油气体储库对于炼厂的安全健康运营有重要的意义。

由于对液化石油气体需求随季节变化波动显著，液化石油气体储库对能源的季节调峰作用显著。

而从目前世界已建造的液化石油气体储库来看，当储库规模大于5万吨时，地下储库和地上储库相比较，具有投资省（节省资金30%）、节约占地（只相当于地上油库的5%）、安全性好（地下40米以下）、定员少（只相当于地上油库20%）、污染小、运营成本低、节省外汇等优点。

因此，结合我国实际地质条件和现阶段国际国内形势，认为建立水封式地下液化石油气体储备库是液化石油气体储备方式的最佳选择，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

随着我国经济社会的快速发展，城市化进程的加快，城市土地日益紧张，因此，地下空间正被人们广泛的开发和利用。

例如城市地下轨道交通的发展、地下商场、地下储库的建设等、其中地下液化石油气体储库的建设就是人们利用地下空间的又一崭新领域、目前，国内建设的液化石油气体储库较少（仅在汕头、湛江和宁波），没有类似的施工经验可以借鉴。

由于储存物质的特殊性，所以对地下洞室的整体稳定性要求较高。

洞室开挖过程及开挖后岩体内部的初始地应力将发生重新分布，洞室围岩的内力和变形将怎样变化，尤其是在复杂地质条件和工况下（如高水位情况、受动荷载影响等）对围岩的应力和变形进行定量的分析，对围岩的安全稳定性做出正确的判断，为结构设计和科学施工提供理论依据，因此研究具体地质条件下地下洞室围岩稳定性意义是十分重大的。

由于这种液化石油气体地下储库是具有高边墙，大跨度，不砌衬的超大断面地下洞室群，不仅要解决好在开挖过程中的围岩稳定问题，更重要的是确保地下洞室群能长期安全，稳定的运行。

因此分析洞室群开挖的洞室群效应及围岩稳定和支护方式等问题，对解决设计和施工中的关键技术难题，有着极为重要的意义。

第二节水封地下气库原理

地下岩石裸洞储存石油液化气应具备两个条件:

一是密封；二是具有一定的强度，以保证油品不渗不漏，不易挥发。

地下水封储气洞库一般修建在稳定的地下水位以下的岩体中。

洞室开挖前，地下水通过节理裂隙等渗透到岩层的深部并完全充满岩层空隙。

当储油洞库开挖形成后，周围岩石中的裂隙水就向被挖空的洞室流动并充满洞室。

在洞室中注入油品后，油品周围会存在一定的压力差，因而在任一油面上，水压力都大于油压力，使油品不能从裂隙中漏走。

同时利用油比水轻以及油水不能混合的性质，流入洞内的水则沿洞壁汇集到洞底部形成水床，并由油泵抽出,这就是水封式储气的原理。

石油液化气在常温、常压状态下是气体加压20oC时，丙烷约为0.84MPa，丁烷约为0.3MPa或冷却0.1MPa气压下，丙烷为-42oC,丁烷为-1oC都容易使液化石油气体变成液体。

液化石油气体的储藏方法可采用低温常压或常温高压，或两种方法同时采用，使之变成液体后储藏，其体积为气体时的1/250。

目前几乎都采用常温下地下水封储藏方式。

在稳定地下水位下，储洞埋设深度每增加10m，即增加0.1MPa的水压。

如在20oc的岩层内储存丙烷时，只要所处地下水压为大于丙烷蒸汽压0.84MPa的洞室就可以实现储藏。

在这一深度内,围岩渗水压比蒸汽压大，液化石油气体就不可能向外渗漏。

为防止液化石油气体渗漏，丙烷设置深度为100m左右,丁烷为40m左右。

而国内石油液化气是石油炼厂的副产品，其中包括丙烷，丁烷及其他烷烃类气体。

在20oC的岩层中，国产液化石油气体蒸汽压力为0.6-0.7MPa间，为防止气体渗漏，国产液化石油气体洞库设置拱顶深度为-90m。

第三节课题研究现状

早在1938年瑞典的哈哥博士（Hagcon）就提出地下水封洞库储油的设想。

20世纪40年代，瑞典在斯德哥尔摩郊区建成了第1座30m3的试验库,20世纪50年代地下水封洞库储油试验取得成功。

20世纪60~70年代，除法国、芬兰、挪威、瑞典等欧洲国家外，美国、加拿大、韩国、日本、以及中东地区也建有该类油库。

1950年，美国建成库容3000m3的地下不衬砌石油液化气洞库。

我国地下水封石油洞库研究始于20世纪70年代。

1977年,在山东某地修建了第一座总库容为15万m3原油地下水封洞库，1980年代在浙江象山又建成1座容积4000m3的地下成品油库，2001年我国第一座液化石油气体地下储库在汕头建成，相继宁波，珠海液化石油气体储库也成功建成。

在液化石油气体储库稳定研究方面，我国专家学者对此方面的研究处于起步阶段，王芝银教授采用数值模拟的方法模拟试验了石油洞库群的优化设计，为油库的设计提供了参考依据王怡通过三维流固祸合分析发现地下水渗流对洞库围岩强度弱化，特别是在洞室交叉部位，塑性区及围岩变形明显增大。

段压刚采用ansys对洞库断面形状进行了优化，五心拱能更好的减小拱顶的沉降，并对洞库的间距做了探讨。

杨明举对液化石油气体洞库的渗流场进行了分析，证明了采用水封技术储存液化石油气体是可行的，同时提出气泡在岩体裂隙中的流动需要做进一步的研究。

在2003年，建立了地下水封裸洞储气弹塑性祸合模型，证实了渗流会增加洞室的位移，影响洞室的稳定性。

李友强讲述了挪威法在汕头液化石油气体储库的成功应用，但目前很少关于液化石油气体地下储库施工过程围岩应力应变规律分析。

在液化石油气体支护中采用了工程经验类比方法，很少有关于洞库支护优化的详细分析。

第二章工程地质条件

第一节气象、水文及地形地貌概况

2.1.1气象

国家石油储备黄岛地下水封洞库工程建设场地位于青岛市经济技术开发区（黄岛），为华北暖温带季风型大陆气候，受海洋环境影响及调节，具有明显的海洋性气候特点，空气湿润，气候温和，四季分明，具春迟、夏凉、秋爽、冬长的特征。

据近百年资料统计，年平均气温为12.2℃。

春季为-0.6℃～11.1℃，易出现低温，干燥多风；夏季为21℃～26℃，最高出现在8月，盛吹东南季风，气候凉爽宜人；秋季为7℃～20℃；冬季为-2.5℃～0.2℃，最低气温在1月。

年平均霜期达90天，年平均结冰期为82.1天，多年平均冻土深度约为43cm。

多年平均风速为2.8m/s，春、夏季以南风、东南风为主，冬季以北风、西北风为主，秋季南风、北风相当。

由于临海，雾大而频繁，年平均浓雾天51.3天。

年平均相对湿度74%，夏季最高。

工程建设场地所在区域多年平均降水量介于711.2～798.6mm，降水特点有一定时空分布规律：

其一，年内各季分配不均匀，汛期（6～9月）占70～76%，多集中于几次暴雨，枯水期（3～5月）占13.5%，平水期仅占5.02%；其二，年际间降水量变化悬殊，枯水年系列持续时间较长，1995年至2000年降水量除1997年（753.8mm）外呈上升趋势，即545.7～1025.0mm，平均降水量821.4mm，降水形式以雨为主，年均陆地蒸发量为1410mm，月平均最高值出现在5月，为175mm。

2.1.2水文

工程建设场地所在区域属频临黄海的低山丘陵区，区内山海相连，发育河流均属东南沿海水系。

区域内有南辛安河、辛安前河、辛安后河、横山河、周家夼河等12条，总长139km，流域面积113.2km2，为季节性河流，源短流急，单独入海。

流域面积在10平方公里以上的河流共5条，即南辛安河、辛安前河、横山河、周家夼河、独垛子西河，径流分别汇入胶州湾和黄海。

区域内规模较大的水库为小珠山水库，起设计库容量为3111×104m3，汇水面积达34km2，1996～2000年平均汛前蓄水量为542.8万m3/a，汛后蓄水量达889.6万m3/a，主要用于城镇用水，灌溉面积仅10km2。

工程建设场地山脊南侧发育殷家河，北侧发育龙河，均属流域面积极小的山溪性河流。

场地山脊南北两侧发育较多的近南北向、北东向、北西向冲沟，切割均较深，雨水汇集沟中，形成季节性溪流。

建设场地南侧地表径流通过殷家河或以冲沟溪流形式汇入殷家河水库，北侧地表径流部分汇入解家水库，部分直接汇入胶州湾。

工程建设场地南侧的殷家河水库属青岛经济技术开发区（黄岛）规划的Ⅱ级饮用水水源地，流域面积6.0km2，建成于1973年8月，总库容410.3万m3，兴利库容262.0万m3，通过殷家河水厂给城区供水，年供水约100万立方米m3。

2.1.3地形地貌

库址区处于胶南台隆北缘，属低山丘陵地貌。

洞库山体为龙雀山，近东西走向，山脊标高280~350m，山脊北侧为陡崖，南侧为陡坡，地形坡度一般为35~55°，山脊南北两侧发育近南北向及北东向冲沟。

洞库主体位于龙雀山南侧，地面平均标高约220m，最高点位于大顶子，标高为350.9m，最低点位于ZK012钻孔处的竖井口位置，标高97.50m，相对高差253.40m。

库址区大面积分布松树、槐树及杂树林，为一级防火森林，部分区域基岩裸露，竖井口附近的山脚处有少量农田分布。

第二节地震与区域稳定性

库址区所在区域涉及长江下游—南黄海地震带和郯庐地震带，洞库场地位于郯庐地震带内。

区域范围内共记录到Ms≥4.7级的地震44次，最大地震为1668年山东郯城8.5级地震。

区域地震活动具有与华北地震区一致的平静期、活跃期，区内未来100年内可能发生6~7级地震，最大震级可达7.5级。

近场区地震活动较弱，未记录到历史强震，自1970年以来仅记录到3次ML2.0级以上地震。

场地遭受的最大历史地震影响为Ⅸ度，是由1668年郯城地震引起的。

依据2002年国家地震局颁布的第四代区划图及其对应的地震动参数关系，场地的地震基本烈度为6度，设计地震基本加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。

依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）附录A，青岛7个市辖区（包括黄岛区）的抗震设防烈度为6度，设计地震基本加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。

第三节地质构造及地层岩性

本次勘察基本查明了库址区内的地质构造及地层岩性，洞库范围内断层（包括破碎带）及各种岩体的分布情况。

2.3.1地质构造

图2-1洞库场地区域构造示意图

库址区所在区域属华北板块与扬子板块结合带之胶（南）—威海造山带，区域显示造山带主要发育韧性剪切带及脆性断裂构造，褶皱构造不甚发育。

库址区位于牟（平）—即（墨）断裂带南缘，主要发育北东向及近东西向断裂，库址区西侧为北东走向的老君塔山断裂，东侧为北东走向的孙家沟断裂，北侧为近东西走向的前马连沟断裂。

以上断裂均处于库址区外围，仅对库址位置选择起控制作用，对洞库工程建设影响较大的是分布在库址区内的次级断裂（包括断层及破碎带）及节理。

详见洞库场地区域构造示意图（图2-1）

2.3.1.1次级断裂

洞库范围内的断裂主要包括：

断层F1、F2、F3、F4、F7及F8、F9断裂破碎带

F1位于大顶子北，呈北东走向，倾向南东，倾角50~55°，具有小规模右行位移，地表围岩破碎轻，破碎岩不发育，主要表现为宽约数厘米至数十厘米的裂隙，仅在陡坡裸露可见。

ZK001钻孔在139.5~140.5m深度揭露为破碎带，推测倾角为50°；ZK002钻孔在273.16~274.41m深度揭露为破碎带，推测倾角为52°。

综合考虑，破碎带的宽度不超过1m，断层影响带宽度不超过10m。

F2位于大顶子北东，北东走向，倾向南东，倾角68°，断层北端发育一条平行于断层方向的闪长岩脉。

ZK002钻孔在147.28~148.52m深度揭露为破碎带，推测断层影响带宽度不超过10m。

F3呈北东走向斜穿洞库区，倾向南东，倾角53~70°呈冲沟负地形，在南北两端冲沟中均有露头，山脊鞍部位置有闪长岩脉出露，地表破碎带宽度0.40~1.00m，具右行压扭性质。

ZK007钻孔在211~214.2m深度揭露为夹泥破碎带，推测倾角为57.5°；ZK006钻孔在285.85~287.06m深度揭露为破碎带，推测倾角为62°；ZKk004钻孔在303.45~304m深度揭露为破碎带，推测倾角为70°。

综合考虑，破碎带的宽度不超过2.5m，断层影响带宽度不超过25m。

F4位于灵雀山北西侧之北西向冲沟中，发育小型破碎带，宽约0.5m，岩石破碎强烈，但尚未形成构造角砾岩，可见延伸1km。

该断层前期为压扭性，现今为张扭性，沿断层走向有岩脉侵入，断层南端为晚元古界花岗片麻岩与早白垩系二长花岗岩分界线，山脊北侧倾向北东，倾角72°，山脊南侧近直立。

该断层未见钻孔揭露，对本工程影响不大。

F7位于大顶子南侧，根据次级节理与主断面的夹角及局部拖拽现象分析，其力学性质为右旋走滑，该断层地貌特征不明显。

未钻孔揭露，推测受断层影响围岩质量变差的宽度不超过10m。

F8属破碎带，位于F3断层南侧，地表表现为冲沟负地形，无完好露头，钻孔zk012在163.4m以下揭露为破碎带，垂向厚度超过7m，推测倾向北东东，倾角80°，破碎带水平宽度约1.25m，受其影响围岩质量变差的宽度不超过10m。

F9属破碎带，位于大顶子北西侧，地表有宽60~100m的破碎带出露。

钻孔ZK001在330m以下出现厚约70m的夹泥破碎带，推测倾向南东，倾角52°，破碎带向西南延伸逐渐变窄，至洞库西侧地表破碎迹象已不明显。

该破碎带对洞库西北角洞室及施工巷道影响较大。

2.3.1.2节理

（1）节理成因

根据地表节理调查分析，库址区节理成因主要有三种类型。

A、构造成因：

此类节理是伴随区域内几条主要断层的形成而同时产生的。

主要是与断层伴生的剪切结构面，往往发育有两组，其中一组与断层产状相同和近于一致，另一组与断层面斜交，两组结构面在剖面上成大角度相交，并形成“X”型。

B、物质分异成因：

此类结构面是由于变质岩成岩过程中物质分异作用形成的物质分异面，在后期造山运动中，由于应力的释放形成的节理，此类结构面产状一般与地形的坡度一致，随地形的变化而变化。

C、岩脉侵入成因：

此类结构面是由于后期岩浆沿已有的结构面侵入而在周围岩体中形成的。

岩浆的侵入和冷凝，使周围岩体进一步破坏，从而形成大量结构面。

该类结构面主要分布在岩脉与花岗片麻岩接触的花岗片麻岩岩体中，其产状变化较大，密度较大。

（2）节理水平方向分布特征及结构面分区

图2-2黄岛油库库址区结构面分区图

根据区域断层和结构面等的调查，发现该区结构面在平面上存在如下的分布特征：

该区主要发育五组结构面：

①产状为60~75°∠70~80°；②产状为83~88°∠75~82°；③产状为112°∠56°；④产状为136~143°∠74~85°和⑤缓倾角结构面（该组结构面为物质分异形成，规模较大，延伸长度20~30m，产状一般与地形一致，由于地表卸荷作用，该组结构面隙宽在0.5~1cm，露头间距为3~6m。

）。

依据断层分布和结构面成因，依据区内相似，区间相异的原则，可将洞库区划分为五个区，见图2.3.1.2-1。

从图中可以发现，V区主要为NW330~345°，北东方向较少；I区主要为NW345°；II区为过渡区，近南北方向结构面较多，并出