本發(fā)明涉及石油化工領(lǐng)域，尤其涉及一種地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法。

背景技術(shù)：

地下水封洞庫(kù)存儲(chǔ)原油技術(shù)是近十年來被我國(guó)引進(jìn)、消化和吸收應(yīng)用的一門工程技術(shù)，它是利用裂隙巖體中地下水的壓力大于洞室中的油品滲漏壓力的基本原理，達(dá)到對(duì)油品的防滲水封效果，由于其具有經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、土地資源節(jié)約、庫(kù)容規(guī)模大儲(chǔ)存效率高等特點(diǎn)，成為我國(guó)戰(zhàn)略原油儲(chǔ)備的主要方式。

根據(jù)油品品種和儲(chǔ)存效率的需要，通常采用2個(gè)或2個(gè)以上的洞室相互連通，組成放置一種油品品種的1個(gè)洞罐，洞罐采用固定水位法儲(chǔ)油。為保證各洞室之間的油品能相互連通進(jìn)出油，必須使洞罐的各個(gè)洞室內(nèi)的儲(chǔ)油液位大致相同。因此，目前地下水封洞庫(kù)多采用洞室容量、斷面形狀和標(biāo)高一致的連續(xù)平行布置方式，從而形成大型地下平行洞室群的地下結(jié)構(gòu)形式。

在隧道、水利水電等地下結(jié)構(gòu)工程中，地下洞室斷面形狀對(duì)最終圍巖的應(yīng)力和位移狀態(tài)有重要的影響。目前采用最為廣泛的方法是采取經(jīng)驗(yàn)和工程類比的方法確定斷面形狀，根據(jù)材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，拱形往往具有彎曲應(yīng)力較小、無應(yīng)力集中等受力特點(diǎn)，特別是在大跨結(jié)構(gòu)中通常是優(yōu)選方案，例如圓拱或半圓拱、馬蹄形等等，有時(shí)洞室高度較大時(shí)，則往往多采用直墻圓拱形（頂）等組合斷面形式，圓拱又可以根據(jù)跨度、圍巖等級(jí)等因素的不同，而采用單心圓、三心圓、五心圓等構(gòu)成。隧道、水利水電等地下結(jié)構(gòu)工程在工藝布置上一般較少有多個(gè)平行洞室的布置方式要求，往往為單一洞室或至多兩三個(gè)洞室相鄰，但地下水封洞庫(kù)具有特殊的工藝布置要求，目前主要采用多個(gè)洞室平行布置的方式，考慮到庫(kù)容儲(chǔ)存規(guī)模，洞室斷面多為大跨度高邊墻，因而洞室斷面的選擇則基本以直墻圓拱形（頂）為主。

單一洞室斷面采用直墻圓拱形（頂）符合力學(xué)原理，但如果多個(gè)單一洞室在一個(gè)水平標(biāo)高上平行布置形成洞室群時(shí)，這一形式并不不能保證其所構(gòu)成的洞室群的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。洞室平行布置時(shí)（布置于同一水平面上）存在一個(gè)就關(guān)鍵問題是洞室之間的間距；洞室間距的確定，主要考慮地質(zhì)條件、埋置深度和施工方式等因素，通過工程類比法并借助于一定的數(shù)值分析來確定。間距過大，則連接洞室間的操作巷道和交通巷道的長(zhǎng)度增加，同時(shí)洞室群平面將擴(kuò)大，不僅影響投資，也影響庫(kù)址的選擇；間距過小，則洞室相互影響較大，不利于洞室圍巖的穩(wěn)定，施工期和運(yùn)營(yíng)期都存在安全隱患，甚至產(chǎn)生整體破壞。目前除了采用工程類比并借助于一定的數(shù)值分析這些方法，尚無其它有效方法來合理確定和優(yōu)化洞室間距。而有效方法應(yīng)以分析相鄰洞室之間的圍巖應(yīng)力狀況為出發(fā)點(diǎn)，如果各相鄰洞室之間的圍巖巖墻不出現(xiàn)塑性區(qū)重疊并有足夠的彈性區(qū)（安全儲(chǔ)備量）保證其強(qiáng)度和穩(wěn)定，就得到洞室之間的合理間距，同時(shí)洞室群的整體穩(wěn)定自然也得到保證。

大型地下平行洞室群在整個(gè)巖體中形成一個(gè)被連續(xù)間隔挖空（洞室）而形成的地下空間薄弱層，導(dǎo)致洞室或洞室群圍巖局部或整體穩(wěn)定性的降低。大型地下水封洞庫(kù)普遍采用洞室平行布置這一方式并形成洞室群，直接導(dǎo)致了洞室間距的合理確定性問題并進(jìn)而影響到經(jīng)濟(jì)和安全等問題。顯然，現(xiàn)有技術(shù)中這一布置方式中，具有一個(gè)顯著的缺陷，即未能充分考慮洞室上方穩(wěn)定巖體對(duì)洞室群薄弱層所具有的天然“拱”的作用，使得洞室間距的確定未能真正達(dá)到最優(yōu)化，某種程度上造成了安全隱患，并且未能獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明旨在利用自然界巖土體中固有的天然“拱”的力學(xué)作用原理，應(yīng)用于大型地下水封洞庫(kù)的洞室群的布置。

因此，本發(fā)明的第一方面，提供了一種地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法，其中，所述洞室群由若干個(gè)洞罐組成，而所述洞罐由若干個(gè)洞室組成，該優(yōu)化布置方法包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)巖土體的材料物理力學(xué)特性、洞室群平行布置時(shí)的初選寬度L、高度H，埋深D，以及相鄰洞室之間的間距S，通過計(jì)算洞室群圍巖的應(yīng)力和變形，從而計(jì)算出洞室群頂部的豎向變形曲線；將該豎向變形曲線以X軸為水平軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，得到合理拱形曲線；

步驟2：將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿所述合理拱形曲線調(diào)整布置，并且在調(diào)整布置過程中，保持同一個(gè)洞罐中的若干個(gè)洞室的底部標(biāo)高一致，同時(shí)調(diào)整相鄰洞室之間的間距S；

步驟3：調(diào)整布置后，循環(huán)實(shí)施步驟1-2，直至獲得洞室群的最優(yōu)化布置。

在上述地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法中，根據(jù)普通材料力學(xué)解析法求得所述豎向變形曲線的函數(shù)表達(dá)式為y₀(x)=f(x)；將該函數(shù)以X軸為水平軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即可得到合理拱形曲線函數(shù)：y(x)=-f(x)，其對(duì)應(yīng)的曲線即為合理拱形曲線。其中，洞室群平行布置時(shí)的初選寬度L、高度H和埋深D是根據(jù)洞庫(kù)規(guī)模、儲(chǔ)運(yùn)工藝要求以及勘察結(jié)果初步選定得到的。

優(yōu)選地，步驟2中，所述洞室群頂部的豎向變形曲線是利用間距調(diào)整循環(huán)搜索算法計(jì)算得到的。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述間距調(diào)整循環(huán)搜索算法的執(zhí)行過程中，得到若干條豎向變形曲線，并相應(yīng)地獲得若干條合理拱形曲線后，將不同的合理拱形曲線下的洞室群圍巖狀態(tài)進(jìn)行比較，選取洞室群圍巖的應(yīng)力最大且變形最小時(shí)對(duì)應(yīng)的一條曲線，即為最佳合理拱形曲線；將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿此條最佳合理拱形曲線進(jìn)行布置，即獲得洞室群的最優(yōu)化布置。

優(yōu)選地，所述巖土體的材料物理力學(xué)特性由常規(guī)勘察實(shí)驗(yàn)獲得。

本發(fā)明第二方面，還提供了一種地下水封洞庫(kù)，所述地下水封洞庫(kù)的洞室群根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的優(yōu)化布置方法進(jìn)行布置。具體地，在該地下水封洞庫(kù)中，各個(gè)洞罐的頂部沿著最佳合理拱形曲線進(jìn)行布置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1）本發(fā)明采用拱形布置的洞室群，改變了洞室群圍巖的應(yīng)力和變形狀況，有效的提高了洞室群圍巖的整體穩(wěn)定性；

2）本發(fā)明的布置方法減少了相鄰洞室之間的間距，使得洞室群的布置更為科學(xué)化，大大的節(jié)約了工程投資并提高了擴(kuò)大庫(kù)址的利用率，具有積極的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

3）我國(guó)正處于儲(chǔ)運(yùn)業(yè)發(fā)展繁榮期，國(guó)儲(chǔ)、商儲(chǔ)等采用地下水封洞庫(kù)是當(dāng)前的大趨勢(shì)，并且對(duì)節(jié)約投資、擴(kuò)大儲(chǔ)運(yùn)效率應(yīng)用意義重大，因而本發(fā)明所提供的地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法應(yīng)用前景十分廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述優(yōu)化布置方法的步驟1中洞室群初始平行布置圖；

圖2示出了本發(fā)明所述優(yōu)化布置方法的步驟1中獲得的豎向變形曲線與合理拱形曲線；

圖3為根據(jù)合理拱形曲線調(diào)整布置后的洞室群布置圖；

圖中：1-平行洞室；2-洞室群；3-相鄰洞室之間的間距S；4-合理拱形曲線；5-豎向變形曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施方式。

本發(fā)明的第一方面提供了一種地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法，其中，所述洞室群由若干個(gè)洞罐組成，而所述洞罐由若干個(gè)洞室組成，該優(yōu)化布置方法包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)巖土體的材料物理力學(xué)特性、洞室群平行布置時(shí)的初選寬度L、高度H，埋深D，以及相鄰洞室之間的間距S，通過計(jì)算洞室群圍巖的應(yīng)力和變形，從而計(jì)算出洞室群頂部的豎向變形曲線；將該豎向變形曲線以X軸為水平軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，得到合理拱形曲線；

步驟2：將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿所述合理拱形曲線調(diào)整布置，并且在調(diào)整布置過程中，保持同一個(gè)洞罐中的若干個(gè)洞室的底部標(biāo)高一致，同時(shí)調(diào)整相鄰洞室之間的間距S；

步驟3：調(diào)整布置后，循環(huán)實(shí)施步驟1-2，直至獲得洞室群的最優(yōu)化布置。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，步驟2中的所述洞室群頂部的豎向變形曲線是利用間距調(diào)整循環(huán)搜索算法計(jì)算得到的。

在一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述間距調(diào)整循環(huán)搜索算法的執(zhí)行過程中，得到若干條豎向變形曲線，并相應(yīng)地獲得若干條合理拱形曲線后，將不同的合理拱形曲線下的洞室群圍巖狀態(tài)進(jìn)行比較，選取洞室群圍巖的應(yīng)力最大且變形最小時(shí)對(duì)應(yīng)的一條曲線，即為最佳合理拱形曲線；將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿此條最佳合理拱形曲線進(jìn)行布置，即獲得洞室群的最優(yōu)化布置。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述巖土體的材料物理力學(xué)特性由常規(guī)勘察實(shí)驗(yàn)獲得。

本發(fā)明第二方面，還提供了一種地下水封洞庫(kù)，所述地下水封洞庫(kù)的洞室群根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的優(yōu)化布置方法進(jìn)行布置。

實(shí)施例1

本實(shí)施例為一種大型地下水封洞庫(kù)的洞室群的優(yōu)化布置方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)由常規(guī)勘察實(shí)驗(yàn)獲得的巖土體的材料物理力學(xué)特性、洞室群平行布置時(shí)的初選寬度L、高度H，埋深D，以及相鄰洞室之間的間距S，通過計(jì)算洞室群圍巖的應(yīng)力和變形，從而計(jì)算出洞室群頂部的豎向變形曲線函數(shù)y₀(x)=f(x)，對(duì)應(yīng)一條豎向變形曲線；將該函數(shù)以X軸為水平軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即可得到合理拱形曲線函數(shù)：y(x)=-f(x)，其對(duì)應(yīng)一條合理拱形曲線；

步驟2：將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿所述合理拱形曲線調(diào)整布置，并且在調(diào)整布置過程中，保持同一個(gè)洞罐中的若干個(gè)洞室的底部標(biāo)高一致，同時(shí)調(diào)整相鄰洞室之間的間距S；

步驟3：調(diào)整布置后，循環(huán)實(shí)施步驟1-2，直至獲得洞室群的最優(yōu)化布置。其中，所述間距調(diào)整循環(huán)搜索算法的執(zhí)行過程中，得到若干條豎向變形曲線，并相應(yīng)地獲得若干條合理拱形曲線后，將不同的合理拱形曲線下的洞室群圍巖狀態(tài)進(jìn)行比較，選取洞室群圍巖的應(yīng)力最大且變形最小時(shí)對(duì)應(yīng)的一條曲線，即為最佳合理拱形曲線；將所述洞室群中的各個(gè)洞罐的頂部沿此條最佳合理拱形曲線進(jìn)行布置，即獲得洞室群的最優(yōu)化布置。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。