本发明涉及地下油库储油技术领域，具体地，涉及一种基于施工动态监测数据的地下水封油库涌水量的预测方法。
背景技术：
为了保证地下水封的油气不外溢，水封油库在开挖及运行过程中要求具有严格的水封性。目前国内外大多采用带水幕系统开挖油库方式，主要是为了保证洞室开挖渗漏不会产生裂隙“空腔”，但由于水幕注水加大了裂隙岩体的渗流作用，大大增加涌水量。油库开挖下的涌水量预测长期以来是一个很大的难题，由于岩体渗流的不均质性和各向异性，增加了涌水量预测难度，本专利正是基于对已有施工动态油库涌水量监测数据研究，发明一种新型的地下油库涌水量预测方法。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于施工动态监测数据的地下水封油库涌水量的预测方法。
本发明提供了一种基于施工动态监测数据的地下水封油库涌水量的预测方法，其中，将待施工的油库记为油库b，首先对该油库b的水文地质情况进行研究，从已有的油库中选择水文地质情况与该油库b接近的油库，将其记为油库a，然后按照以下式(1)预测油库b施工过程中的涌水量，
qb＝k0·k1·k2·k3·k4·qa式(1)，
其中，qb为待预测的油库b的涌水量，单位为m3/d；
qa为已知的油库a的涌水量，单位为m3/d；
k0为已预设的油库b的埋深与已知的油库a的埋深的比值；
k1为可测定或可估算的油库b的等效渗透系数与已知的油库a的等效渗透系数的比值；
k2为已预设的油库b的库容与已知的油库a的库容的比值；
k3为已预设的油库b的水幕压力与已知的油库a的水幕压力的比值；
k4为多因素耦合影响系数，k4＝0.8～1.2。
通过本发明的方法，通过采用工程地质类比的思想，能够有效地预测地下水封油库在施工过程中的涌水量。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为地下水封油库储油原理示意图。
图2为根据一种实例的油库区孔口标高与稳定水位关系图。
图3为根据一种实例的渗透系数试验数据与埋深的拟合图。
图4为根据一种实例的涌水量随洞室施工进度变化的涌水量-时间图。
图5为根据一种实例的油库区区域地质概化模型简图。
图6为根据一种实例的油库开挖完成后总水量分布饼状图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种基于施工动态监测数据的地下水封油库涌水量的预测方法，其中，将待施工的油库记为油库b，首先对该油库b的水文地质情况进行研究，从已有的油库中选择水文地质情况与该油库b接近的油库，将其记为油库a，然后按照以下式(1)预测油库b施工过程中的涌水量，
qb＝k0·k1·k2·k3·k4·qa式(1)，
其中，qb为待预测的油库b的涌水量，单位为m3/d；
qa为已知的油库a的涌水量，单位为m3/d；
k0为已预设的油库b的埋深与已知的油库a的埋深的比值；
k1为可测定或可估算的油库b的等效渗透系数与已知的油库a的等效渗透系数的比值；
k2为已预设的油库b的库容与已知的油库a的库容的比值；
k3为已预设的油库b的水幕压力与已知的油库a的水幕压力的比值；
k4为多因素耦合影响系数，k4＝0.8～1.2。
图1所示为地下水封油库储油原理示意图，从图1可以看出地下水封油库储油原理主要为：地下水通过岩体裂隙和水幕系统进入地下水封油库洞室周围的岩层，充分充填围岩裂隙，在洞室的周围形成高于内部介质压力的水压力，与围岩体共同组成一个动态平衡的密闭空间，从而使得洞室内的油气不会外逸泄露。
本发明采用工程类比的方法预测待施工的油库b的涌水量，因此对本发明来说，选择与油库b较为接近的油库a是比较重要的，该油库a的水文地质情况与油库b愈接近，本发明的预测愈准确。因此，在进行预测之前首先应当对油库b的水文地质情况进行研究，该水文地质情况可以包括但不限于：油库区地下水与周边水体的联系规律，是否与地表水体等存在水力联系，该油库区是否存在断层、节理密集带等导水区域。通过对油库b的水文地质情况进行研究，从已有的油库中选择水文地质情况与该油库b接近的油库a，该油库a的选择范围没有特别的限定，只要是埋深、等效渗透系数、库容、水幕压力等参数均能够获知即可，所述油库a可以为文献中可以查阅到的油库，也可以是本领域技术人员自己施工过的油库。
例如，在勘察油库b的水文地质情况时，可以通过打孔的方式研究孔口标高(以海平面为基准的竖直高度)与稳定水位的关系。例如图2所示为根据一种实例的油库区孔口标高与稳定水位关系图，在该实例中，施钻了42个孔进行勘察，从图2中可以看出孔口标高的变化与地下水位线基本是一致的，这说明地下水位线随地形变化而变化。
在本发明中，油库b在施工过程中的涌水量通过以下式(1)进行计算，
qb＝k0·k1·k2·k3·k4·qa式(1)。
在式(1)中，qa、k0、k2和k3均可以较为容易的确定。其中qa为油库a的涌水量，单位为m3/d，该数据是已知的；k0为油库b的埋深与油库a的埋深的比值，其中油库a的埋深是已知的，油库b的埋深是在施工之前已经预设好的；k2为油库b的库容与油库a的库容的比值，其中油库a的库容是已知的，油库b的库容是在施工之前已经预设好的；k3为油库b的水幕压力与油库a的水幕压力的比值，其中油库a的水幕压力是已知的，油库b的水幕压力是在施工之前已经预设好的。
在式(1)中，k1为油库b的等效渗透系数与油库a的等效渗透系数的比值，其中油库a的等效渗透系数是已知的，油库b的等效渗透系数是可测定的或者是可估算的。
在本发明中，所述油库b的等效渗透系数可以采用抽水试验或注水试验进行测定，也可以综合两种实验的结果得到。在具体的实施过程中，本领域技术人员可以判断是选择抽水试验还是选择注水试验进行测定，例如：在一种情况下，仅已知油库a的抽水试验和注水试验中一项的等效渗透系数结果时，则选用与油库a相同的试验进行测定油库b的等效渗透系数；在另一种情况下，若油库a的抽水试验和注水试验的等效渗透系数结果均已知时，当钻孔中地下水埋藏较浅或者试验层为透水层时，通常采用抽水实验测定油库b的等效渗透系数，当钻孔中地下水埋藏很深或者试验层为不透水层时，可以用注水实验测定油库b的等效渗透系数。
所述抽水试验的操作方式按照本领域常规的操作方式进行即可，例如可以按照《水利水电工程钻孔抽水试验规程》(sl320-2005)中的方法进行操作。通过抽水试验测定的等效渗透系数k1b抽通过以下式(2)计算：
式(2)中：k1b抽为渗透系数，单位cm/s；q抽为出水量，单位m3/d；h抽为自然情况下潜水含水层厚度，单位m；h为抽水稳定时的含水层厚度，单位m；r为影响半径，单位m；r为钻孔半径，单位m。
所述注水试验的操作方式按照本领域常规的操作方式进行即可，例如可以按照《水利水电工程注水试验规程》(sl320-2005)中的方法进行操作。通过注水试验测定的等效渗透系数k1b注通过以下式(3)计算：
式(3)中：k1b注为渗透系数，单位cm/s；q注为稳定时的注入流量，单位l/min；a为试验段形状系数，单位cm；h为试验水头，等于试验水位与地下水位之差，单位cm。
在本发明中，优选地，在进行所述抽水试验和所述注水试验的过程中，记录等效渗透系数与埋深(以海平面为基准的竖直高度)的数据，拟合成方程式，如图3所示，图3中拟合所得的公式为y＝1.062×10-7e(x/6)+2.272×10-8。在后续的油库的施工过程中可以直接使用该方程式进行估算等效渗透系数，从而有效节省工时工力。
在本发明中，为了更细致更准确地预测施工过程中的涌水量，优选地，将施工期划分为施工扰动期、施工平稳期和注浆止水期，该划分的方式按照本领域常规的方式进行划分即可，例如可以如图4所示，根据图形可以发现，在第一阶段油库涌水量波动较大，图形呈现锯齿形，该阶段称为施工扰动期；在第二阶段涌水量曲线有轻微波动且近似水平，该阶段称为施工平稳期；在第三阶段涌水量波动很小但趋势呈现负值的斜率，水量急剧下降，该阶段称为注浆止水期。因此可以看出，一般地，前期的施工对库区渗流场的影响较大(即施工扰动期)，因此库区涌水量会出现较大的波动，随着施工的进行，施工对库区涌水量的影响越来越小，库区涌水量只会产生小范围的波动。
在本发明中，将施工期划分为施工扰动期、施工平稳期和注浆止水期之后，可以分别计算施工扰动期、施工平稳期和注浆止水期的涌水量，该施工扰动期、施工平稳期和注浆止水期的涌水量均可以通过上述抽水试验和/或注水试验测定等效渗透系数而计算得到，但是在优选的情况下，为了节省工时工力，可以对施工平稳期和注浆止水期的k1进行估算。根据本发明一种优选的实施方式，计算所述施工扰动期的涌水量所用的k1中的油库b的等效渗透系数按照所述抽水试验和/或注水试验进行测定；计算所述施工平稳期和注浆止水期的涌水量所用的k1中的油库b的等效渗透系数可以根据施工扰动期的等效渗透系数进行估算，该估算的方式如式(4-1)和式(4-2)所示，
kb平稳＝kb扰动÷ka扰动×ka平稳式(4-1)，kb止水＝kb扰动÷ka扰动×ka止水式(4-2)，
其中，kb平稳为油库b的施工平稳期的等效渗透系数；kb止水为油库b的注浆止水期的等效渗透系数；kb扰动为油库b的施工扰动期的等效渗透系数，该数据已在施工扰动期按照抽水试验和/或注水试验测定得到；ka扰动为油库a的施工扰动期的等效渗透系数，该数据已知；ka平稳为油库a的施工平稳期的等效渗透系数，该数据已知；ka止水为油库a的注浆止水期的等效渗透系数，该数据已知。
在本发明中，可以根据等效渗透系数随深度的变化关系，建立区域地质概化模型，例如图5所示，从图5中可以看出：等效渗透系数对实际区域岩体裂隙进行简化，主要由定向优势节理组成，满足抽水、注水实验得到的渗透系数。该区域地质概化模型的建立采用本领域常规的方式进行建立即可，例如可以使用comsol软件进行建立。该区域地质概化模型能够动态全面反映地下储油洞室全生命周期的涌水量变化，可以和实际施工监测的涌水量进行比对，调整模型与实际涌水量动态过程相一致，便于预测后期涌水量变化。
在本发明中，所述k4通常在0.8～1.2范围内取值。具体地，当埋深越大时，k4的取值越偏大，反之则相反；当库容越小时，k4的取值越偏大，反之则相反；当水幕压力越大时，k4的取值越偏大，反之则相反。该k4取值与渗透系数无关。
在本发明中，优选地，所述k4＝k4埋+k4库+k4压，其中k4埋、k4库和k4压的取值参照下表采用等值内插法确定：
其中，所述等值内插法按照本领域常规的方式进行，该方法指的是结果取值在结果范围内的位置与已知条件在条件范围内的位置相一致。具体地，以埋深为例，当埋深为80时，该“80”位于“60-100”范围内的中间点，通过(80-60)÷(100-60)＝0.5求得，则k4埋的取值也应当位于“0.25-0.4”的中间点处，即k4埋＝0.25+(0.4-0.25)×0.5＝0.325。
在本发明中，所述方法还包括根据预测油库b施工期涌水量的情况进行设计修订，及时进行注浆封堵，从而减少工期，优化新建油库工程水封性。
经相关文献查阅总结可知：合理的注浆可以使注浆区域的水量减小60％左右，结合工程实际，开挖完成后，根据预测不同阶段、不同的区域涌水量值，指导实际施工过程，可以根据已有油库，在开挖施工及注浆运行过程中可以通过减小施工扰动、延长施工期限、局部区域加密注浆等优化设计方案。
根据本发明一种具体的实例，按照以下步骤预测待施工油库b在施工过程中的涌水量：
(1)油库区水文地质条件研究
经研究调查，油库区发育水系主要为小丘陵山区沟谷～冲沟，总体呈放射状，局部呈树枝状分布。油库区主要的地下水存在类型分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。根据勘察资料，油库区地下水位埋深稳定，约在地表下5m～27m，其地下水位线随地形变化见图1。地下水补给主要由导水断裂带、节理密集带等提供。在勘察过程中施钻了42个勘察钻孔，记录孔口标高与稳定水位的关系，如图2所示。
通过研究国内外的文献和申请人已施工完成的油库，确定水文地质条件最为接近的油库a。
(2)库区围岩地质概化模型建立
对部分勘察钻孔分别进行了综合抽水试验和分段注水试验，确定研究区域渗透系数空间分布，通过抽水试验及注水试验，油库区岩体渗透系数基本在10-7～10-9m/s的数量级，并且随埋深增大而减小，减小速率也与抽水试验相似。但注水试验计算的渗透系数大部分小于1×10-7m/s。在埋深-220～-260m有部分结果大于1×10-7m/s，推测是该钻孔附近有节理裂隙密集带。
地下水的水位、流速、流向、流量、压力以及地下水的物理和化学性质等都对岩体的渗透性有作用；岩体结构、岩体应力、岩体中的微裂隙等因素也对岩石的渗透性有影响。由现场的实验数据可知，库区岩体的渗透系数随着深度的增加而减小，同时又具有一定的随机性。因此本次研究对库区岩体的渗透系数进行处理：对抽水和注水实验数据的拟合得到库区岩体的渗透系数随深度变化公式，同时也考虑了岩体中裂隙分布的随机性。
对渗透系数和标高的关系图进行拟合，结果见图3：拟合所得公式为：y＝1.062×10-7e(x/6)+2.272×10-8
经过对其地质条件进行抽象概化，将围岩岩体、裂隙、水幕等条件概化组合，利用comsol软件通过输入渗透系数、地下水位线等参数建立该油库区围岩地质概化模型，通过该地质概化模型最大程度拟合油库在施工开挖、运营等工程中的涌水量动态变化，研究油库分期过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律，便于对实际施工进行动态反馈指导。
(3)涌水量监测数据分期
将已知的油库a的整个施工过程分为：施工扰动期、施工平稳期和注浆止水期，如图4所示，划分方法为：油库涌水量波动较大、图形呈现锯齿形时划分为施工扰动期，涌水量曲线有轻微波动且近似水平时划分为施工平稳期，涌水量波动很小但趋势呈现负值的斜率时划分为注浆止水期。
(4)预测涌水量
按照式(4)所示的方程预测待施工的油库b的用水量，
qb＝k0·k1·k2·k3·k4·qa式(4)，
其中，qb为待预测的油库b的涌水量，单位为m3/d；
qa为已知的油库a的涌水量，单位为m3/d；
k0为已预设的油库b的埋深与已知的油库a的埋深的比值；
k1为可测定或可估算的油库b的等效渗透系数与已知的油库a的等效渗透系数的比值；
k2为已预设的油库b的库容与已知的油库a的库容的比值；
k3为已预设的油库b的水幕压力与已知的油库a的水幕压力的比值；
k4为多因素耦合影响系数。
根据该式(4)可以预测油库b的不同施工时期、不同位置(如封塞内、封塞外、竖井内等)的涌水量，只要使用油库a相应施工时期和位置的数据即可。
为了节省工时工力，由于施工平稳期和注浆止水期施工对库区涌水量的影响较小，因此可以在预测施工平稳期和注浆止水期时对k1进行估算，具体地，计算所述施工平稳期和注浆止水期的涌水量所用的k1中的油库b的等效渗透系数可以根据施工扰动期的等效渗透系数进行估算，该估算的方式如式(4-1)和式(4-2)所示，
kb平稳＝kb扰动÷ka扰动×ka平稳式(4-1)，kb止水＝kb扰动÷ka扰动×ka止水式(4-2)，
其中，kb平稳为油库b的施工平稳期的等效渗透系数；kb止水为油库b的注浆止水期的等效渗透系数；kb扰动为油库b的施工扰动期的等效渗透系数，该数据已在施工扰动期按照抽水试验和/或注水试验测定得到；ka扰动为油库a的施工扰动期的等效渗透系数，该数据已知；ka平稳为油库a的施工平稳期的等效渗透系数，该数据已知；ka止水为油库a的注浆止水期的等效渗透系数，该数据已知。
(5)预测运营期间的涌水量
施工完成后，通过总结现场数据分析库区各部分涌水量占总涌水量的比例，如图6所示；再根据油库a的注浆止水后期涌水量变化趋势，考虑储油状态下，油及上部的氮气对洞内壁的压力，会一定程度上降低库区的涌水量。通过在comsol软件中进一步模拟，可以预测得到运营期间油库的涌水量。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。