在全球能源紧张的背景下,许多国家相继启动或扩大石油储备。根据国际能源组织建议应保有90天以上石油进口量储备,我国需建立年消费量10～15% (200亿～300亿立方米)的地下储备库,以确保能源安全。水封地下库石油存储方式是将石油及其产品重新注入所选异地地下空间,是国内外石油储备的最佳选择和重点发展方向。储库洞群必须建在稳定地下水位线以下适当深度,人工水幕的人为水压补给填补开挖阶段和运营阶段自然地下水的补给可能达不到水封效果的不足,以保证洞库周围的地下水压力大于洞内储存介质的压力实现油库密封。因此,水幕系统的水封有效是地下储油工程的关键。本文以锦州和惠州两个地下国储项目为背景,综合采用技术调研、理论分析、数值模拟、实验室和现场试验与测试、计算机编程、归纳和总结等手段,针对水幕系统的水封有效性展开了水幕系统建造技术、不同水幕系统状态水封性能影响、不同水幕系统设计水封性能影响、水幕系统质量检测技术、水封油库注浆平衡性和水幕系统有效性评价研究。本文从水幕系统建造技术着手,对水幕系统水封有效性进行了理论分析研究,到水幕系统修造完成开展了水封有效性的测试研究,同时考虑了储油洞库特殊工程的注浆平衡性,最后进行了水幕系统水封有效性的判断评价研究。本论文主要研究工作和研究成果体现在以下几个方面:(1)系统整理和阐释了水幕系统的构成和修建方式,并且分析了水封密封性原理。同时,统计递推了锦州项目采用的Q系统岩石分级中Q值与岩石力学参数之间的相关函数关系,得到了 L关系式组,实现了 Q值与等效力学参数的互推,并且比较了 Q值法与我国其他同类方法,提高Q值的准确性,为后续水封性研究分析提供了便利。另外,对水幕系统整个建造体系进行了全面的关键技术全过程系统化总结研究。(2)通过improved transient 3D-UPNM建立了三维离散裂隙管道网络模型,直观的研究了不同的水幕系统状态下水封有效性,分析了施工和运营两个阶段下不同水幕系统设置状态和不同水幕孔注水压力对水封性能的影响。得出结论:水幕系统的施设是非常必要的;水平水幕系统的作用远大于竖直水幕系统;给出了锦州水幕孔注水压力建议值0.4MPa,既保证了水封性能又满足施工期排水量要求。(3)通过可视性好,直观性强的improved transient 3D-UPNM,观察到了传统的连续介质模型无法观测的局部非饱和区域,避免了水封性能分析误判造成的局部水封失效;分析了不同几何设计的水幕系统(水幕孔间距、角度、长度)的水封有效性,得出水幕孔长度的减少和水幕孔间距的增加都将减小水幕系统的密封性能,而水平水幕孔角度的增大并不能提高水封性能,任意较小的裂隙都可能影响水流动,所以在裂隙岩体中必须保证充足的水幕孔数量;进行了不同地质条件下水幕系统几何设计与不同复杂裂隙网络的最佳水封性能组合研究,得出只有有效连接的裂隙才能够保证良好的水封性能,水幕系统的关键在于利用水幕孔形成连接的裂隙载水网络;综合考虑经济性和水封有效性,并且考虑到施工期排水量控制标准,给出了锦州储库水幕系统最优参数为:几何布置最大值的水幕孔长度(水平向为62.25m,竖直向为58m); 0°水平水幕孔与xz平面夹角;水幕孔间距在Q小于10取20m,Q大于10初步设计为10m。(4)整体研究了从水幕孔分别形成质量测验到整个水幕系统形成质量测试对水幕系统有效性的检测技术,给出了水幕系统质量检测试验路线.:单个水幕孔钻孔完成(压水试验)→水幕巷道全部水幕孔完成(水幕有效性试验)→储油洞库施工完成(水幕系统整体性试验),并且在每个阶段,对水文地质(特别是地下水位和渗水量)进行实时监测,通过一整套试验,保障了水幕形成质量。基于锦州和惠州两个国储工程首次利用瞬变电磁对低电阻体(含水体)的高敏感性,检测了水幕形成前(水幕孔未充水前)、水幕形成后(水幕孔充水后)、洞库水幕区岩体内裂隙、节理等构造的含水情况,通过前后对比分析,直观的判断了水幕形成质量。(5)从裂隙岩体宾汉流体流动规律出发到建立裂隙网络pipe管网模型对浆液进行了迭代计算求得了注浆长度,并且基于注浆强度值概念,提出了适用于对注浆效果不那么“严格”的地下储油洞库的GIN能量法注浆,给出了 GIN包络线各项参数的计算方法,并基于锦州4条储油洞库进行了 GIN值选择。(6)建立了四阶段(S1-S4)水封性能整体评价体系对整个水幕系统从储油洞库施工前期、进行期和后期进行水封有效性评估,对水幕系统的水封性能进行全过程完整性保障;结合吕荣试验、水幕孔有效性实验和瞬变电磁检测,创建了水幕系统连通性的判别准则,从而推导出洞库水幕系统的连通性;基于锦州储库,同时考虑倾向、倾角、迹长、开度、间距、表面形态、填充物、地下水作用优势和时间优势指标9个性质,建立了岩体结构面多参数优势分组的数学模型,采用了模糊c-均值聚类算法,结合五种聚类有效性指标提出了平均有效性指标系数VIm,择取了最佳聚类数目,从而得到最终优势组划分。通过本文研究成果在地下大型储油洞库群设计及施工中的应用,确保了储油洞库安全、优质、高效完成,为中国在岩石地层中修建大型水封式地下储油洞库群水幕系统设计提供科学参考,也为国内外其它类似地下工程提供了可供借鉴的理论依据和工程经验,必将推动我国地下储能洞库建设技术的发展。