地下水封洞库是二战后发展起来的一种新型储油设施,具有占地少、投资小、损耗少、污染小、安全隐蔽、装卸速度快、适合备战等优点,被许多国家应用来中转或储备石油。近年来,国内石油资源供需矛盾日益突出,国际石油供给和油价波动很大,导致我国面临的石油危机越来越大。为了维护国家石油资源供需安全,有效地控制国内油价的波动,更好地促进国民经济又好又快可持续发展,建立大型国家战略地下水封石油储备库势在必行。我国对地下水封洞库的研究和建设实践起步较晚,直至上世纪70年代才先后在东部沿海地区试探性建设了两个规模较小(≤50万m3)的地下水封洞库。由于国外对技术的保密和垄断,我国尚未完全掌握其核心技术。我国的地下水封洞库建设技术尚处于试验和探索阶段,存在较多亟需解决的理论与技术攻关难题。因此,在我国能源战略储备基地和大型石化企业地下储备原料库的建设高潮期,开展地下水封洞库工程相关的理论和应用研究具有重要的意义。地下水封洞库多采用不衬砌的高边墙、大跨度地下洞室,其运行必需长期处于不断变化的地下水环境中。地下水封洞库工程中的核心问题是“水封性”和“围岩稳定性”。地下岩体的渗流特性又是“水封性”研究的重中之重,这是评价水幕系统是否有效和水封效率高低的核心。鉴于此,论文以国家战略石油储备黄岛地下水封洞库工程为例,以洞库岩体渗流特性和水幕系统优化研究为主题,在已有勘察和施工资料的基础上,从控制洞库岩体渗流特性的岩体结构面出发,以工程地质学、水文地质学、水力学和分形理论为指导,运用地质调查统计分析、现场试验、理论分析计算和反演分析相结合的方法深入分析洞库岩体渗流特性,在此基础上采用Visual Modflow软件对洞库水幕系统中的水幕孔布置方位和间距进行优化设计研究。基于此,本文主要进行了以下三个方面的研究工作：一、岩体结构面网络模拟在整理分析了黄岛地下水封洞库工程地质条件的基础上,充分利用已有的详细勘察、补充勘察和施工资料,首先分析地表及深部精确测线法测得的9212条结构面数据,将洞库区的岩体结构面在空间上分为7个区。然后对每个区的结构面数据进行统计分析,得出各区优势结构面的几何参数特征及其概率分布模型,最后应用Monte Carlo随机模拟方法建立不同区岩体三维结构面网络模型并提取不同剖面上的结构面连通网络图。通过研究得出：(1)洞库区结构面产状多服从正态或对数正态分布,迹长、隙宽、间距多服从负指数分布,且结构面从地表到深部平均迹长和间距逐渐变大,隙宽逐渐变小。(2)洞库区岩体结构面在空间上的分布、延伸具有明显的方向性,平面上受断裂构造控制而分为三个区,垂向上随着埋深的增大,岩体结构面的发育密度逐渐变小。二、洞库区岩体渗流特性研究在结构面网络模拟的基础上,首先将现场试验获取的洞库区岩体渗透系数进行统计分区,然后根据分形理论采用Matlab编写程序,计算各个区内不同方向连通结构面网络的信息维数,接着利用结构面参数计算各区岩体渗透张量,最后从多个角度来进行岩体渗流特性分析。通过研究得出：(1)洞库区岩体的渗透性在空间上分为七个区。渗透张量计算得出的洞库区地表及水幕处的渗透主值数量级集中在10-2m/d,部分为10-3m/d和10-1mm/d,主洞室处的渗透主值数量级集中在10-3m/d,部分为10-4m/d;压水试验渗透系数和修正之后的等效渗透系数数量级在地表为10-2m/d,水幕高程处为10-3m/d,主洞室高程处为10-3m/d～10-4m/d。随着埋深的增加,渗透系数的量级减小。(2)洞库各区岩体连通性的结构面网络的分维数随着深度的增加而减小；且岩体结构越破碎,岩体结构面的分形维数越大。洞库各区岩体等效渗透系数与岩体结构面分形信息维和隙宽之间的估算经验关系式为：K=3.3095Db3+0.001。(3)实测数据表明洞库区发育两组优势渗透结构面,产状分别为90。～120。∠60°-80°和130°-155°∠75°～90。；主洞室实测渗水点的走向大致为N30。-70。E之间。渗透张量计算得出的最大渗透主值K1与中间渗透主值K2的主渗方向均为N50。E。K1以陡倾角为主、平均值为60.86。,K2以缓倾角为主、平均值为17.38°。K1/K2的平均值为1.21,K1/K3的平均值为6.43,且Kl/K2的值随深度的增加变化不大,Kl/K3的值随深度的增加而增大。随埋深的增大,岩体渗透各向异性越明显。三、水幕系统优化设计研究在结构面及岩体渗流特性研究的基础上,首先根据黄岛洞库的水文地质条件概化出洞库的计算模型和边界条件并根据模型坐标转化出模型的计算参数,然后基于经验和解析法估算洞库的涌水量,接着采用Visual Modflow软件进行岩体渗透参数的反演分析,得出合理的模型计算参数,再根据施工期的水位监测资料来论证水幕系统的必要性,最后开展水幕孔布置方位和间距对洞室水封效果影响的数值模拟研究。通过研究得出：(1)模型X方向为N45。E,Y方向为N45°W,Z方向竖直向上,根据模型坐标将渗透张量转换后,Y方向上的渗透系数相对于X方向和Z方向而言较小。反演参数保持Z方向最大,Y方向最小的性质不变,反演参数计算施工期涌水量在626.39-2993.1m3/d之间,与根据经验和解析解计算的洞室涌水量350～2550m3/d相近；而原始参数计算的施工期涌水量在2137.7～7753.1m3/d之间,是根据经验和解析解计算的涌水量的3-6倍,反演后的渗透系数接近于实际岩体中的渗透系数。(2)从控制洞库区水头降低的角度来看,布置方位相对于主洞室纵轴线而言,斜交布置水幕孔水封效果最好,平行布置水幕孔水封效果次之,垂直布置水幕孔水封效果最差；从长期洞库运营成本的角度来看,斜交布置水幕孔水封成本最高,平行布置水幕孔水封成本与垂直布置水幕孔水封成本相当；综合考虑水封效果和水封成本,水幕孔的合理布置方向应该为平行主洞室布置,也即垂直优势结构面方向布置。(3)从控制洞库区水头降低的角度来看,水幕的设置是必要的,且水幕孔的布置间距越小,水封效果越好；从长期洞库运营成本的角度来看,水幕孔布置的间距越小水封成本越高；综合考虑水封效果和水封成本,水幕孔的合理布置间距布置为10～20m,可根据洞库区岩体的渗透特性布置间距,渗透系数越大需要布置越小的间距,渗透系数越小,间距可适当增大。本文的创新点在于：①在岩体三维结构面网络模拟的基础上,提出了采用连通结构面网络分形信息维估算岩体渗透系数的经验公式,结合水文试验和基于结构面参数计算渗透张量的方法综合研究洞库区岩体渗流特性；②提出了地下水封洞库水封效果与水幕孔布置方位和间距的变化规律,为水幕系统(主要是水幕孔)的优化设计提供了理论依据。