烟台万华地下水封（液化气）洞库裂隙岩体渗透场特征

【摘要】：能源对于推动世界经济的发展和人类生活水平的提高有着举足轻重的作用,特别是石油、天然气、煤炭等不可再生资源。这些资源被无限制的开采,面临着枯竭的危险,因此,针对此问题建立必要的能源储备具有重要的战略意义。烟台万华地下水封液化气洞库位于山东省烟台市,是目前国内在建的库容量最大的液化气储备库,设计库容100万m3。本文以烟台万华地下水封洞库项目为依托,在野外地质、水文地质调查以及现场水文地质试验的基础上,获得了研究区的渗透系数,并运用渗透张量理论计算了渗透张量,得出渗透系数主值和主方向,刻画了裂隙岩体渗透性的各向异性特征。根据地质统计学理论对渗透系数的空间变异性进行分析,利用顺序指示模拟对研究区裂隙岩体渗透性的空间分布规律进行研究,为后续水幕设计方案制定、水封效果评价、涌水量评价以及突水点封堵等问题提供可靠的依据和理论支持。 低渗透性的裂隙岩体介质是地下水封洞库的理想选址区。裂隙介质的空间结构及渗透性研究将为后续的裂隙水渗流场模拟及水封效果评价等提供关键的水文地质数据。本次研究区主要的岩性为燕山早期中粗粒黑云母二长花岗岩,岩脉以花岗斑岩为主。 不同地质时期复杂的地质构造作用使岩体中节理裂隙发育具有随机的、非均质的特点,因此对于裂隙岩体的结构研究比较复杂。但是通过对结构面几何要素的大量统计发现,结构面的发育受构造运动的控制,具有一定的规律性。充分了解研究区内的裂隙发育特征对于裂隙介质渗透性的空间分布研究有重要的意义。 裂隙岩体介质的渗透系数是反映其渗透性的重要参数,裂隙岩体介质的非均质性决定了渗透系数的各向异性。所以获取渗透系数是进行渗透场各向异性、空间变异性分析和顺序指示模拟,揭示渗透性空间分布特征的基础。 渗透张量可以描述裂隙岩体渗透性的各向异性,通过地表裂隙测量和钻孔成像裂隙解译结果基于裂隙测量法借助VBA程序计算研究区内裂隙岩体的渗透张量,求出渗透主值及主方向。 渗透系数随着空间位置的变化而变化,具有明显的空间变异性。将渗透系数作为区域化变量,根据地质统计学理论进行空间变异性分析,在此基础上完成顺序指示模拟,揭示研究区范围内渗透性的空间分布特征,为洞库建设提供可靠的依据。 在以上理论和研究方法的指导下,本文做了以下几个方面的研究： (1)根据已有资料及野外地质调查发现研究区裂隙岩体岩性主要为燕山早期中粗粒黑云母二长花岗岩,周边发育数条次级断裂,影响控制洞库边界,区内构造基本不发育,对洞库工程建设影响较大的是分布在场地内的破碎带、节理裂隙密集带及区域性节理,此位置节理裂隙较为发育。通过地表裂隙统计测量结合钻孔成像裂隙几何特征解译,查明了研究区内节理裂隙发育特征,其成因多为构造成因,且以陡倾角为主。洞库建设场地主要发育5组优势节理裂隙,其优势产状(倾向∠倾角)为：68°∠84°、115°∠81°、248°∠86°、297°∠73°、324°∠19°。 (2)采用了提水、注水、抽水以及压水试验四种水文地质试验获取了研究区不同含水介质的渗透系数。结果表明,第四系松散岩类含水层渗透系数值数量级主要集中在10-2～10-1m/d之间,而基岩裂隙含水层渗透系数值数量级在10-5～10-3m/d之间,渗透性比上覆松散岩类含水层要小得多,根据相关规范基本满足地下水封洞库建设要求。利用钻孔电视成像技术在与压水试段相对应的长度内进行节理裂隙统计,并引入优势渗透系数,计算了渗透张量主值及渗透方向,以此来反映裂隙岩体介质渗透性的各向异性特征。 (3)将渗透系数作为区域化变量,在内蕴假设的前提下,对其进行概率分布统计,在累积频率曲线上取得三个阈值(-3.99、-2.97、-1.98),引入指示变异函数,运用地质统计学理论在裂隙测量法求得的三个主渗透方向上对其进行空间变异性分析。变异函数拟合及分析结果表明三个阈值在三个主渗透方向上的变异函数模型近似符合球状模型。在上述分析基础上,取最大渗透主方向K1和最小渗透主方向K3作为主轴,建立了变异函数套合结构模型。 (4)选取区内266个渗透系数值作为模拟原始数据,运用WinGslib软件进行顺序指示模拟,将模拟结果按照标高剖分成三部分来揭示水幕系统及洞室位置的裂隙岩体介质渗透系数场的分布及变化特征,然后结合工程地质钻探及物探等成果进行对比分析,结果表明顺序指示模拟在总体上能够反映研究区渗透系数场的空间分布情况。最后利用模拟结果结合已有成果对区内裂隙岩体介质渗透性的空间整体分布特征及局部范围分布情况进行了分析说明。顺序指示模拟充分利用已有数据来恢复渗透系数的空间相关性及其波动性,反映了裂隙岩体介质的非均质性,较好的描述了渗透系数场的空间分布特征。 【关键词】：裂隙岩体 渗透系数 各向异性 空间变异性 顺序指示模拟
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P618.13;P641
【目录】：

• 作者简介5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第一章 绪论13-20
• §1 .1 选题目的及意义13-14
• §1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 裂隙岩体渗透系数的确定14-16
• 1.2.2 裂隙岩体渗透系数空间变异性研究现状16-17
• 1.2.3 裂隙岩体渗透系数场模拟研究现状17-18
• §1.3 研究内容及特色18-20
• 第二章 研究区地质及水文地质概况20-34
• §2.1 工程概况20-22
• §2 .2 自然地理概况22-23
• 2.2.1 气象水文22
• 2.2.2 地形地貌22-23
• §2.3 研究区地质条件23-27
• 2.3.1 地层岩性23-25
• 2.3.2 地质构造25-27
• §2.4 研究区裂隙空间分布特征27-32
• 2.4.1 研究区裂隙发育总体特征27-30
• 2.4.2 水平方向裂隙发育特征30-31
• 2.4.3 垂直方向裂隙发育特征31-32
• §2.5 水文地质条件32-34
• 2.5.1 地下水赋存类型32
• 2.5.2 地下水补给、径流和排泄条件32-33
• 2.5.3 地下水水位及动态特征33-34
• 第三章 研究区含水介质渗透张量的确定34-62
• §3.1 研究区水文地质试验分析34-45
• 3.1.1 提水试验34-36
• 3.1.2 注水消散试验36-37
• 3.1.3 压水试验37-43
• 3.1.4 抽水试验43-45
• §3.2 研究区裂隙岩体介质渗透张量计算45-62
• 3.2.1 渗透张量计算理论45-50
• 3.2.2 钻孔成像裂隙解译成果分析(直孔、斜孔)50-56
• 3.2.3 裂隙岩体渗透张量的计算56-59
• 3.2.4 裂隙测量法渗透张量的校正59-62
• 第四章 研究区裂隙岩体介质渗透系数的空间变异性分析62-75
• §4.1 渗透系数空间变异性分析的理论及方法62-67
• 4.1.1 区域化变量理论62-64
• 4.1.2 变异函数64-65
• 4.1.3 指示变异函数65-66
• 4.1.4 变异函数的理论模型66-67
• §4.2 研究区裂隙岩体渗透系数空间变异性分析67-75
• 4.2.1 渗透系数概率分布统计67-68
• 4.2.2 指示变异函数的计算及拟合68-71
• 4.2.3 空间变异性参数分析71-73
• 4.2.4 拟合模型结构分析73-75
• 第五章 渗透系数顺序指示模拟75-92
• §5.1 顺序指示模拟原理概述75-77
• 5.1.1 随机模拟方法概述75-76
• 5.1.2 顺序指示模拟原理概述76-77
• §5.2 研究区裂隙岩体渗透系数场顺序指示模拟77-92
• 5.2.1 模拟区坐标转换78
• 5.2.2 渗透系数场顺序指示模拟78-89
• 5.2.3 研究区渗透性空间分布特征分析89-92
• 第六章 结论与建议92-95
• §6.1 结论92-93
• §6.2 不足和建议93-95
• 致谢95-96
• 参考文献96-99
• 附图99-100

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