一种地下水封洞库的洞室群的优化布置方法与流程

本发明涉及石油化工领域，尤其涉及一种地下水封洞库的洞室群的优化布置方法。

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。

根据油品品种和储存效率的需要，通常采用2个或2个以上的洞室相互连通，组成放置一种油品品种的1个洞罐，洞罐采用固定水位法储油。为保证各洞室之间的油品能相互连通进出油，必须使洞罐的各个洞室内的储油液位大致相同。因此，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。目前采用最为广泛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。隧道、水利水电等地下结构工程在工艺布置上一般较少有多个平行洞室的布置方式要求，往往为单一洞室或至多两三个洞室相邻，但地下水封洞库具有特殊的工艺布置要求，目前主要采用多个洞室平行布置的方式，考虑到库容储存规模，洞室断面多为大跨度高边墙，因而洞室断面的选择则基本以直墙圆拱形（顶）为主。

单一洞室断面采用直墙圆拱形（顶）符合力学原理，但如果多个单一洞室在一个水平标高上平行布置形成洞室群时，这一形式并不不能保证其所构成的洞室群的结构稳定性。洞室平行布置时（布置于同一水平面上）存在一个就关键问题是洞室之间的间距；洞室间距的确定，主要考虑地质条件、埋置深度和施工方式等因素，通过工程类比法并借助于一定的数值分析来确定。间距过大，则连接洞室间的操作巷道和交通巷道的长度增加，同时洞室群平面将扩大，不仅影响投资，也影响库址的选择；间距过小，则洞室相互影响较大，不利于洞室围岩的稳定，施工期和运营期都存在安全隐患，甚至产生整体破坏。目前除了采用工程类比并借助于一定的数值分析这些方法，尚无其它有效方法来合理确定和优化洞室间距。而有效方法应以分析相邻洞室之间的围岩应力状况为出发点，如果各相邻洞室之间的围岩岩墙不出现塑性区重叠并有足够的弹性区（安全储备量）保证其强度和稳定，就得到洞室之间的合理间距，同时洞室群的整体稳定自然也得到保证。

大型地下平行洞室群在整个岩体中形成一个被连续间隔挖空（洞室）而形成的地下空间薄弱层，导致洞室或洞室群围岩局部或整体稳定性的降低。大型地下水封洞库普遍采用洞室平行布置这一方式并形成洞室群，直接导致了洞室间距的合理确定性问题并进而影响到经济和安全等问题。显然，现有技术中这一布置方式中，具有一个显著的缺陷，即未能充分考虑洞室上方稳定岩体对洞室群薄弱层所具有的天然“拱”的作用，使得洞室间距的确定未能真正达到最优化，某种程度上造成了安全隐患，并且未能获得最佳的经济效益。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的存在的上述技术问题，本发明旨在利用自然界岩土体中固有的天然“拱”的力学作用原理，应用于大型地下水封洞库的洞室群的布置。

因此，本发明的第一方面，提供了一种地下水封洞库的洞室群的优化布置方法，其中，所述洞室群由若干个洞罐组成，而所述洞罐由若干个洞室组成，该优化布置方法包括以下步骤：

步骤1：根据岩土体的材料物理力学特性、洞室群平行布置时的初选宽度L、高度H，埋深D，以及相邻洞室之间的间距S，通过计算洞室群围岩的应力和变形，从而计算出洞室群顶部的竖向变形曲线；将该竖向变形曲线以X轴为水平轴进行翻转，得到合理拱形曲线；

步骤2：将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿所述合理拱形曲线调整布置，并且在调整布置过程中，保持同一个洞罐中的若干个洞室的底部标高一致，同时调整相邻洞室之间的间距S；

步骤3：调整布置后，循环实施步骤1-2，直至获得洞室群的最优化布置。

在上述地下水封洞库的洞室群的优化布置方法中，根据普通材料力学解析法求得所述竖向变形曲线的函数表达式为y₀(x)=f(x)；将该函数以X轴为水平轴进行翻转，即可得到合理拱形曲线函数：y(x)=-f(x)，其对应的曲线即为合理拱形曲线。其中，洞室群平行布置时的初选宽度L、高度H和埋深D是根据洞库规模、储运工艺要求以及勘察结果初步选定得到的。

优选地，步骤2中，所述洞室群顶部的竖向变形曲线是利用间距调整循环搜索算法计算得到的。

进一步优选地，所述间距调整循环搜索算法的执行过程中，得到若干条竖向变形曲线，并相应地获得若干条合理拱形曲线后，将不同的合理拱形曲线下的洞室群围岩状态进行比较，选取洞室群围岩的应力最大且变形最小时对应的一条曲线，即为最佳合理拱形曲线；将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿此条最佳合理拱形曲线进行布置，即获得洞室群的最优化布置。

优选地，所述岩土体的材料物理力学特性由常规勘察实验获得。

本发明第二方面，还提供了一种地下水封洞库，所述地下水封洞库的洞室群根据本发明第一方面所述的优化布置方法进行布置。具体地，在该地下水封洞库中，各个洞罐的顶部沿着最佳合理拱形曲线进行布置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明采用拱形布置的洞室群，改变了洞室群围岩的应力和变形状况，有效的提高了洞室群围岩的整体稳定性；

2）本发明的布置方法减少了相邻洞室之间的间距，使得洞室群的布置更为科学化，大大的节约了工程投资并提高了扩大库址的利用率，具有积极的技术经济意义。

3）我国正处于储运业发展繁荣期，国储、商储等采用地下水封洞库是当前的大趋势，并且对节约投资、扩大储运效率应用意义重大，因而本发明所提供的地下水封洞库的洞室群的优化布置方法应用前景十分广阔。

附图说明

图1为本发明所述优化布置方法的步骤1中洞室群初始平行布置图；

图2示出了本发明所述优化布置方法的步骤1中获得的竖向变形曲线与合理拱形曲线；

图3为根据合理拱形曲线调整布置后的洞室群布置图；

图中：1-平行洞室；2-洞室群；3-相邻洞室之间的间距S；4-合理拱形曲线；5-竖向变形曲线。

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。

本发明的第一方面提供了一种地下水封洞库的洞室群的优化布置方法，其中，所述洞室群由若干个洞罐组成，而所述洞罐由若干个洞室组成，该优化布置方法包括以下步骤：

步骤1：根据岩土体的材料物理力学特性、洞室群平行布置时的初选宽度L、高度H，埋深D，以及相邻洞室之间的间距S，通过计算洞室群围岩的应力和变形，从而计算出洞室群顶部的竖向变形曲线；将该竖向变形曲线以X轴为水平轴进行翻转，得到合理拱形曲线；

步骤2：将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿所述合理拱形曲线调整布置，并且在调整布置过程中，保持同一个洞罐中的若干个洞室的底部标高一致，同时调整相邻洞室之间的间距S；

步骤3：调整布置后，循环实施步骤1-2，直至获得洞室群的最优化布置。

在一个优选实施例中，步骤2中的所述洞室群顶部的竖向变形曲线是利用间距调整循环搜索算法计算得到的。

在一个进一步优选的实施例中，所述间距调整循环搜索算法的执行过程中，得到若干条竖向变形曲线，并相应地获得若干条合理拱形曲线后，将不同的合理拱形曲线下的洞室群围岩状态进行比较，选取洞室群围岩的应力最大且变形最小时对应的一条曲线，即为最佳合理拱形曲线；将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿此条最佳合理拱形曲线进行布置，即获得洞室群的最优化布置。

在一个优选实施例中，所述岩土体的材料物理力学特性由常规勘察实验获得。

本发明第二方面，还提供了一种地下水封洞库，所述地下水封洞库的洞室群根据本发明第一方面所述的优化布置方法进行布置。

实施例1

本实施例为一种大型地下水封洞库的洞室群的优化布置方法，包括以下步骤：

步骤1：根据由常规勘察实验获得的岩土体的材料物理力学特性、洞室群平行布置时的初选宽度L、高度H，埋深D，以及相邻洞室之间的间距S，通过计算洞室群围岩的应力和变形，从而计算出洞室群顶部的竖向变形曲线函数y₀(x)=f(x)，对应一条竖向变形曲线；将该函数以X轴为水平轴进行翻转，即可得到合理拱形曲线函数：y(x)=-f(x)，其对应一条合理拱形曲线；

步骤2：将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿所述合理拱形曲线调整布置，并且在调整布置过程中，保持同一个洞罐中的若干个洞室的底部标高一致，同时调整相邻洞室之间的间距S；

步骤3：调整布置后，循环实施步骤1-2，直至获得洞室群的最优化布置。其中，所述间距调整循环搜索算法的执行过程中，得到若干条竖向变形曲线，并相应地获得若干条合理拱形曲线后，将不同的合理拱形曲线下的洞室群围岩状态进行比较，选取洞室群围岩的应力最大且变形最小时对应的一条曲线，即为最佳合理拱形曲线；将所述洞室群中的各个洞罐的顶部沿此条最佳合理拱形曲线进行布置，即获得洞室群的最优化布置。

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。