本发明涉及地下水封洞库技术领域，具体涉及一种地下水封洞库的洞室变断面设计方法。
背景技术：
地下水封洞库存储原油技术是近十年来被我国引进、消化和吸收应用的一门工程技术，它是利用裂隙岩体中地下水的压力大于洞室中的油品渗漏压力的基本原理，达到对油品的防渗水封效果，由于其具有经济合理、安全可靠、土地资源节约、库容规模大储存效率高等特点，成为我国战略原油储备的主要方式。
目前，地下水封洞库多采用洞室容量、断面形状和标高一致的连续平行布置方式，从而形成大型地下平行洞室群的地下结构形式。
在交通隧道、水利水电等地下结构工程中，地下洞室断面形状对最终围岩的应力和位移状态有重要的影响。目前普遍采用的方法是采取经验和工程类比的方法确定断面形状，根据材料力学和结构力学原理，拱形往往具有弯曲应力较小、无应力集中等受力特点，特别是在大跨结构中通常是优选方案，例如圆拱或半圆拱、马蹄形等等，有时洞室高度较大时，则往往多采用直墙圆拱形(顶)等组合断面形式，圆拱又可以根据跨度、围岩等级等因素的不同，而采用单心圆、三心圆、五心圆等构成。并且，地下水封洞库中主要采用的断面形状为直墙圆拱形和五心圆形。
交通隧道、水利水电等地下结构工程由于使用和工艺布置上的需要，在洞室断面形状一旦确定后，沿洞室轴向往往不再变化，即使遇到地质条件不良的区域，也只能采用加固支护等方法，一般不会也不宜改变断面形状。然而，地下水封洞库与交通隧道、水利水电类地下洞室不同，地下水封洞库的使用功能主要在于储存，因此，只要确保洞室结构稳定和满足一定的储存容积，那么其洞室断面形状并不要求完全相同，特别是遇到围岩等级较差的地方，通常可以改变洞室断面形状甚至改变断面尺寸。
实际上，地下水封洞库洞室断面形状或尺寸的改变，一般是在施工开挖过程中，当遭遇到某些不良地质构造时作出的动态设计调整，这种调整是被动的、即时的，主要针对的是地质揭露后的局部不良构造，而与施工前的勘察、设计阶段的地质调查和综合判断结论无关。在勘察设计阶段，洞室的断面形状和尺寸根据围岩力学稳定分析确定后，即使判断某些地段存在不良地质构造，实际工程通常也仅对不同的围岩等级采用不同的支护等级，而沿洞室轴向设计的断面是不变的。由此可见，目前在地下水封洞库工程设计中对这一问题的处理依然沿用了交通隧道、水利水电等地下结构工程中的传统设计方法。
在现有技术中，中国专利cn103291309b公开了一种水封洞库主洞室轴线一侧存在不良地质体的处理方法，在开挖主洞室时，当主洞室轴线的一侧存在不良地质体，但整体围岩质量尚可的前提下，可将不良地质体所在侧的部分岩体预留在主洞室内，形成自然的倾斜岩柱以支撑不良地质体；所述倾斜岩柱的纵向外表面与主洞室底面的夹角α为锐角，且倾斜岩柱的底面宽度小于主洞室的底面宽度，倾斜岩柱的高度小于主洞室的高度；可见，这种方法虽然改变了洞室的断面形状，不影响使用功能，也提高了围岩的稳定性，但其本质上并不是工程设计在围岩力学分析中所需要和预设的合理断面形式。
另外，支护参数的选择与洞室跨度也密切相关，水封洞库的洞室跨度一般在20米左右，属于大跨度洞室，支护成本往往在工程中占比较大，所以合理改变洞室跨度对降低支护成本具有较大影响。
又如，中国专利cn103291311b披露了一种不良地质结构面横向贯穿水封洞库主洞室的处理方法，其在不良地质段位置处上下间隔设置有贯通该不良地质段的上连接洞和下连接洞，通过上连接洞和下连接洞将不良地质段两端的主洞室连通，且所述上连接洞的顶部高程与主洞室的顶部高程一致，所述下连接洞的底部高程与主洞室的底部高程一致；由于上、下连接洞的断面较小，相比主洞室的断面来说，对围岩的稳定性影响较小，在开挖过程中不易出现坍塌现象，从而大大降低了施工难度；然而，此项中国专利同样并未涉及地下水封洞库的洞室断面的预设与优化。
技术实现要素：
为了充分利用地下水封洞库的功能和结构特点，发挥和提高水封洞库围岩的自稳能力，克服地下结构工程中采用单一洞室断面形状和尺寸的传统设计偏见，降低支护成本，能够有效结合前期地质调查资料和施工中遇到的不良地质段的揭露，发明人在此提出了一种沿洞室轴线的变断面优化设计方法。
具体地，本发明提供了一种地下水封洞库的洞室变断面设计方法，其包括以下步骤：
步骤1：提供工程地质报告并完成洞室平面布置，其中，所述工程地质报告包含不良地质段在洞室平面上的分布区域和具体位置；
步骤2：根据所述工程地质报告揭示的岩体性状，采用常规岩体力学分析后确定每个洞室的基准断面形状；
步骤3：将每个洞室划分为若干个洞室断面变小段和若干个洞室断面变大段；其中，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的断面形状都与所述基准断面形状相同，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的底部标高相等，但是，每个洞室断面变小段的断面面积都小于每个洞室断面变大段的断面面积；并且，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线相间排列；
其中，一个所述洞室断面变小段和一个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线的长度之和为“凹凸间隔长度”，其为每次爆破进尺的整数倍。
值得说明的是，上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法实质上是一种基于地质调查和施工中地质体揭露的设计方法，因此完全是基于地下结构长大洞室围岩稳定原理所作出的，不仅有效提高了整个洞库的稳定性和安全性，降低了建设成本，而且特别有利于施工，对加快施工进度和提高工效十分有利。
优选地，在上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法中，所述基准断面形状选自以下任一种或多种的组合：直墙圆拱形、半圆拱形、马蹄形、卵形、方形。
优选地，在上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法中，所述“凹凸间隔长度”大于洞室跨度。
进一步优选地，在上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法中，所述“凹凸间隔长度”为洞室跨度的1.0～2.0倍。每次爆破进尺由试爆试验确定，而洞室跨度则根据基准断面形状确定。
优选地，在上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法中，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段的交界部位设置倒角以平缓过渡。
进一步优选地，在上述地下水封洞库的洞室变断面设计方法中，每个所述洞室断面变小段的长度覆盖地质不良段的长度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
实施本发明所提供的地下水封洞库的洞室变断面设计方法，能够在罐容不变的情况下，根据地下水封洞库的功能和结构特点，有效利用改变洞室沿轴向上的断面的几何形状，以进一步提高围岩的自稳能力和整体稳定性，并且能够显著降低支护费用成本；同时，实现了施工的方便性。本发明所提供的洞室变断面设计方法解决了如何工程化地设计并改变洞室形状和尺寸这一技术问题，对我国地下水封洞库的建设具有积极的意义，并且获得了质量可靠、生产安全、节约投资和成本可控等有益效果。
目前，我国正处在储运业蓬勃发展的进程中，因此，本发明所述的地下水封洞库的洞室变断面设计方法的应用前景将是十分广阔的。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的地下水封洞库的洞室断面图，其中，a-洞室断面变大段的断面轮廓，b-基准断面轮廓，c-洞室断面变小段的断面轮廓；
图2为根据本发明的一个实施例的地下水封洞库的洞室立体示意图，其中示出了洞室断面变大段、洞室断面变小段、洞室断面、沿轴线垂直剖切线和沿轴线水平剖切线；
图3为根据本发明的一个实施例的地下水封洞库的洞室周围的岩体的立体示意图；
图4为依照图2中所示的沿轴线水平剖切线剖开的立体示意图，其示出了洞室岩体的轴向水平剖面，同时示出了凹进部分、凸出部分、凹凸间隔长度以及洞室跨度；
图5为依照图2中所示的沿轴线垂直剖切线剖开的立体示意图，其示出了洞室岩体的轴向垂直剖面。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施方式。
根据本发明所述的地下水封洞库的洞室变断面设计方法，包括以下步骤：
步骤1：提供工程地质报告并完成洞室平面布置，其中，所述工程地质报告包含不良地质段在洞室平面上的分布区域和具体位置；
步骤2：根据所述工程地质报告揭示的岩体性状，采用常规岩体力学分析后确定每个洞室的基准断面形状；
步骤3：将每个洞室划分为若干个洞室断面变小段和若干个洞室断面变大段；其中，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的断面形状都与所述基准断面形状相同，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的底部标高相等，但是，每个洞室断面变小段的断面面积都小于每个洞室断面变大段的断面面积；并且，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线相间排列；
其中，一个所述洞室断面变小段和一个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线的长度之和为“凹凸间隔长度”，其为每次爆破进尺的整数倍。
在一个优选实施例中，所述基准断面形状选自以下任一种或多种的组合：直墙圆拱形、半圆拱形、马蹄形、卵形、方形。
在一个优选实施例中，所述“凹凸间隔长度”大于洞室跨度。
在一个进一步优选的实施例中，所述“凹凸间隔长度”为洞室跨度的1.0～2.0倍。
在一个优选实施例中，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段的交界部位设置倒角以平缓过渡。
在一个进一步优选的实施例中，每个所述洞室断面变小段的长度覆盖地质不良段的长度。
实施例1
本实施例详细说明了地下水封洞库的洞室变断面设计方法，包括以下步骤：
步骤1：提供工程地质报告并完成洞室平面布置，其中，所述工程地质报告包含不良地质段在洞室平面上的分布区域和具体位置；
步骤2：根据所述工程地质报告揭示的岩体性状，采用常规岩体力学分析后确定每个洞室的基准断面形状为如图1所示的直墙圆拱形；
步骤3：将每个洞室划分为若干个洞室断面变小段和若干个洞室断面变大段；其中，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的断面形状均为直墙圆拱形，如图1所示，a表示洞室断面变大段的断面轮廓，b表示基准断面轮廓，c表示洞室断面变小段的断面轮廓，a、b、c所示的轮廓均为相似形；可见，每个洞室断面变小段和每个洞室断面变大段的底部标高相等，即沿同一洞室轴线保持不变，但是，每个洞室断面变小段的断面面积都小于每个洞室断面变大段的断面面积；进一步地，如图2、3所示，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线相间排列；如图4所示，一个所述洞室断面变小段和一个所述洞室断面变大段沿同一洞室轴线的长度之和为“凹凸间隔长度”，其为每次爆破进尺的整数倍，而且在此实施例中，所述“凹凸间隔长度”为洞室跨度的2.0倍；其中，所述洞室跨度指的是洞室断面变大段处的底部跨度。其中，每次爆破进尺由试爆试验确定，而洞室跨度则根据基准断面形状确定，参见图2。
此外，每个所述洞室断面变小段和每个所述洞室断面变大段的交界部位设置倒角以平缓过渡(图中未示出)。并且，结合图2、4、5可知，在该断面形状为直墙圆拱形的洞室中，一部分的断面尺寸减小(向洞室内侧)，被称之为“洞室断面变小段”，另一部分的断面尺寸则增大(向洞室外侧)，被称之为“洞室断面变大段”，从而形成了连续变断面的洞室，反映在洞室岩体(即洞室周围的岩体)上具体表现为：在洞室岩体的轴向水平剖面(图4)上的轮廓显示为连续的凹凸齿状，可见凹进部分向洞室外侧扩出，而凸出部分则向洞室内侧收进；在洞室岩体的轴向垂直剖面(图5)上的轮廓也显示为连续的凹凸齿状。可见，凹进部分对应洞室断面变大段，其以此对围岩形成扶壁岩拱(柱)，具有加劲肋的效果，能够有效提高围岩的自稳能力、洞室的整体稳定性并减少围岩变形。
值得补充说明的是，每个所述洞室断面变小段的长度覆盖地质不良段的长度；当施工中预判掌子面前方存在地质不良段而设计为洞室断面变小段时，则此截面动态改为洞室断面变大段。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。