1.2 地下水封石洞储油库的发展简史
地下水封石洞储油库的发展，大体从下列三方面平行进行：
（1）人们对天然油气藏的认识，瑞典H.Jansson于1939年最早提出直接在地下水位以下不衬砌石洞内储备油（气）的想法。从此，一个围绕地下水封石洞储备油（气）的工程实践活动，从理论上开展了水封石洞储油（气）的研究，包括自然水幕与人工水幕重点放在人工水幕原理的研究。
（2）开展工程实施及其现场试验研究，以第一线工程实践资料与监测数据相互对照的寻找水封理论的可靠性和应用范围。
（3）鉴于理论公式假设的条件简化和工程实施应用的复杂，于是，开展了介于实践与理论之间的模拟分析研究。
本工程同样遵循了上述三方面研究规律，采取高等院校、科研院所与施工企业及建设管理方监理部门相结合的攻关形式，为地下水封石洞储备油（气）库的发展作出了应有贡献。
1.2.1 水力封存应用领域
水封理论起源于人们对天然油气藏的认识，自然中的石油和天然气在未开采之前，就是储藏在储油岩内相互沟通的孔隙中，四周被地下水或不透水层包围（图1.2.1.1）。由于油比水轻且油水不互溶的原理，从而形成了天然的地下油气藏。油气藏围岩裂隙中的地下水也就是自然形成的水幕系统。
图1.2.1.1 背斜油藏的横剖面
水封理论的发展很大程度上得益于实践设计和运行经验。目前已知的应用领域有煤炭行业、水电站和油气储存等。
在煤炭行业几十年使用密封巷道储存压缩空气的实践中，人们发现巷道处于饱和含水层中或充水围岩中可以有效阻止所储存气体的泄露。另外在高瓦斯煤矿开采中，水封式巷道抽放瓦斯技术可以实现煤与瓦斯共采，有效解决了瓦斯治理难题，充分发挥了水力封存的作用。
20世纪70年代，挪威R.Svee和L.Rathe等人提出了水电站气垫式调压室的概念。水电站气垫式调压室利用岩石壁面与水面所形成的封闭气室、依靠气体的压缩和膨胀特性来反射水锤波和抑制水位波动，确保电站的安全稳定运行。为了保证气垫式调压室的气密性，防止由于高压空气泄漏而失压，在存在裂隙的调压室围岩周围设置了水幕系统。从目前所掌握到的资料，共有6个电站的气垫式调压室设有水幕，其中，挪威3个，为Kvilld、Tafjord和Torpa；国内3个，为自一里、小天都和金康。挪威的3个电站的水幕设置情况不一样，Kvilld和Tafiord在原设计时并没有，只是在运行时出现了较大的漏气漏水量后才增加设计的。在设置前，Kvilldal的漏气量达240mm3/h，Tafiord的漏气量也达到150mm3/h，而Torpa则是因为调压室周围的裂隙水压力太小，不足气垫压力的50%，因此，在设计阶段就进行了设置。通过设置水幕室，三个电站的气垫式调压室的撼气量基本为0，效果非常好。国内的3个调压室在设计时都设置了水幕室。另外压缩空气能量储存（CAES）也是水封理论在水电站的一个应用实例。
然而将水封理论推到另一个高度的是水封式地下储油和储气洞库的大规模建造。早在西班牙内战期间（1936—1939年），瑞典政府为了安全储备军用和民用燃油，对石油储备方式提出了新的要求，储存方式从地上转移到了地下岩洞中。为了将燃油安全无泄漏的储存于地下，瑞典岩石力学和石油储备之父Tor Henrik Hageman提出石油产品应该储存在处于水下的混凝土容器中，并于1938年为其想法申请了专利。他的想法第一次将水作为封存介质引入到地下石油存储，并预示着石油储存“瑞典法”的到来。1939年瑞典人H.Jansson申请了一项储油专利，其取消了之前常用的混凝土钢衬，石油直接存储在位于地下水位以下的不衬砌岩洞中。这就是后来著名的石油储存“瑞典法”。但是因为H.Jansson的储油原理过于简单而很少有人敢于应用，所以10年以后该方法才被用于实践。在这10年间最主流的方法是20世纪40年代普遍采用的SENTAB储罐——内部有混凝土钢衬的圆柱形储罐，其相比于最初建于地下岩洞中的自立式钢罐，可以更加有效地利用岩洞空间，并且可以采用更加薄的4～8mm钢板进行衬砌，但是因为建造条件的限制，每个单罐的容积都不大于10万m3。为了建造更大容积的储油库，瑞典皇家防御工事管理局（RSFA）建造了Fort储罐（Fort Tank）——先开挖一条传统意义的隧道，然后采用钢板和混凝土对围岩进行衬砌。Fort储罐最大的缺点是钢板腐蚀会造成很难定位和修复时易泄露。
1948年在Harsbacka由一座废弃的长石矿改造而成的储油库首次储油标志着第一次将大量的石油储存在没有腐蚀和泄漏风险的地下非衬砌岩洞中。1949年另一位瑞典人Harald Edholm提出了类似的水封式储油的专利，并于1951年在Stockholm郊外的Saltsiobaden建造了容积为30m3的试验洞库。1951年6月向洞库内注入17.6m3汽油，一直储存到1956年6月。试验结果表明：没有汽油渗漏到圈岩中，也没有出现汽油挥发泄漏；储存的汽油的品质没有发生任何改变。
1951年以后水封式储油技术迅速发展，1952年投入使用的建于Goteborg的SKF所属的储油库，是非衬砌地下水封式储油洞库的第一次商业应用。实践证明“瑞典法”不仅可以用来建造战略性的防爆轰储库，而且在合适的水文地质条件下也是最经济的储油方法。从20世纪60年代到70年代中期，是地下储油的繁盛期，期间出现了许多新技术用来满足不同油品的地下储存，既能储存原油、液化石油气，也能储存重油。另外潜水泵的出现也使得固定水床储油法得以实现。储油理论发展的同时岩土工程施工技术也在不断发展，这使得储油岩洞容积从最初20世纪50年代的1万～2万m3发展到70年代的几十万立方米。受1973年石油危机的影响，瑞典的石油需求量急剧下降，使得新建的储库都转向石油气和天然气的存储。
同期地下储油洞库在世界各国开始发展和建造，有建造于花岗岩和片麻岩中的储油岩洞，如法国、芬兰、挪威、瑞典、日本、韩国等；有利用巨厚的盐岩层建造大型盐穴储油库，如美国、加拿大、墨西哥、德国、法国等；还有利用废弃的矿井储存柴油或原油，如沙特、南非等。日本于1986年开始建造地下水封岩洞库，先后建成久慈、菊间、串木野三个地下储油岩洞库，总容积达到500万m3。韩国建造原油地下储存库容积达1830万m3，2006年年底在韩国全罗南道丽水市建成了世界最大储量地下储油库，其石油总储量可达4900万桶。印度2007年年底在Visakhapatnam建成了世界上最深的LPG储库，平均埋深162m，最深部分196m，总储量达12万m3。新加坡于2011年在海床下100m建造5个洞库总储量达400万m3。
我国于1973年在黄岛修建了国内第一座容积为15万m3的地下水封式储油洞库。同期我国又在浙江象山建成了第一座地下成品油库，但容积仅为4万m3，储存0号和32号柴油（图1.2.1.2）。
图1.2.1.2 象山水封油库透视图
1—罐体；2—施工通道；3—第一层施工通道；4—第二层施工通道；5—第三层施工通道；6—通道；7—操作间；8—竖井；9—泵坑；10—水封墙；11—施工通道口；12—操作通道口；13—码头
图1.2.1.2中两个比较大的洞室1就是储油的罐体，每个罐体的几何尺寸为16m×20m×75m（宽×高×长），容积2万m3，两个共4万m3。由于罐体较高，施工时自施工通道2入口又分一、二、三层三个支通道3、4、5，以实现三层同步开挖，操作通道6是为营运期间人进入操作间7准备的，操作间与竖井8相连，收发油管及抽水管自操作间竖井插入罐体，抽水管端设有潜水泵一直插入泵坑9之内，在竖井与操作间接口处要设置混凝土的密封塞，以防油气进入操作间，操作通道口部12有管路和道路与码头相连供收发油及交通所用。施工完毕，所有与罐体连接的施工通道口部均用很厚的混凝土墙密封，称为水封墙10，装油前施工通道注满水。
21世纪初在汕头、宁波建成了两个地下液化石油气（LPG）洞库，每座洞库的储量都超过20万m3。
据国家发展与改革委员会等部门于2009年公布的规划，中国已从2003年开始，先建造一批地上储油库，其储量为1200万t；第二和第三期分别各2800万t全部为地下储油库。计划总投资超过1000亿元，15年时间共三期完建后，中国石油战略储备将相当于90d的净进口量。目前的储备约为21d的石油供应量水平。
第二批国家战略石油储备基地主要有8座：本工程，300万m3地下水封原油洞库；辽宁锦州地下水封洞库，300万m3库容；广东濂江地下水封洞库，500万m3库容；广东惠州（大亚湾）地下水封洞库，500万m3库容等。
第三批国家战略石油（气）地下水封洞库计划有：浙江500万m3库容；江苏500万m3库容；广东500万m3库容等。
1.2.2 水封洞库研究现状
地下水封储气洞室一般修建在岩性较好的岩层，或者注浆改善的岩体中，同时要有充足的地下水源，必要时通过人工水幕来提供防泄水压。这与天然气体运移形成油气藏正好背道而驰。在煤炭行业几十年使用密封巷道储存压缩空气的实践中，人们发现从围岩排出的水中气体的泄漏量很小，许多矿场开始将压缩空气储于充水的矿井中，有的矿井漏气量可减少近10倍，因而洞室处于饱和含水层中或充水岩层中可以阻止油气泄漏的认识逐渐得到人们的认可。
人工注水的方式可使地下储库围岩保持饱和状态，具体的注水形式很大程度上受地质条件决定。大多数系统一般考虑在洞室周围修建一个包围的水封幕。水封幕是通过在地下洞室周围的钻孔中注水并渗入岩体中的空隙及裂隙而产生的，从而形成水封幕的概念。在20世纪70年代人们对世界上运行的地下储气库进行评估指出：在有水幕的情况下，储库没有发现气体泄漏，对于成功的储洞来讲，储洞内的压力不能超过围岩中的水压力；而无水帘幕的储洞则出现泄漏情况。
日本在分析地下储洞理论方面也进行了一定的研究，并归结为两大部分，即洞室围岩的稳定分析和储油后水封渗流场的分析，并根据理论分析结果来修改设计。对于地下洞室围岩稳定分析一般采用有限元法，并根据计算结果来确定和调整洞室间的相互配置。水封设计一般采用地下水渗流解析方法进行，基本上是根据达西定律来研究地下水位的变动，并计算涌水量。
关于水封地下储库的设计和建造技术在20世纪70—80年代的北欧国家，如瑞典和挪威等，已经十分完善发达。同期我国投产了第一座水封油库——象山水封油库。崔京浩在1972—1976年间承担象山水封油库的研究与结构设计工作，研究并推求了适用于地下水封油库和软土水封油库的渗流量计算公式。
Aberg（1977）最早对水幕压力和储库储存压力的关系进行了研究，并提出了垂直水力梯度准则。在忽略了重力、摩擦力和毛细力的影响前提下，该准则认为只要垂直水力梯度大于1，就可以保证储库的密封性。Goodall（1986）在Aberg的基础上对该准则进行了扩展，认为只要保证沿远离洞室方向，所有可能渗漏路径上某段距离内水压不断增大，就可以实现洞库的水封。Jung-Kyusuh（1986）认为在非衬砌岩洞中保证储存气体不发生泄漏的充分条件是垂直水力梯度大于等于0即可，而不是之前提出的大于等于1，并且给出了详细的理论分析过程。可以看出，Jung-Kyusuh提出的观点是Goodall的观点的极限情况。
瑞典人Lindblom等（1977）通过进行不衬砌储气洞全规模压缩空气的试验，表明泄气量与储气压以及储存温度有关，其中泄气量为溶入水中气量和进入岩石气量之和。这些数据比洞室处于干燥岩石中的泄气量低一个数量级，说明地下饱和水可以有效地阻止气体在裂隙岩石中的泄漏。
Rehbinder（1988）等人对地下不衬砌储气洞的水幕孔进行了试验及理论上的分析得出，随着水幕洞水压的增加，储气洞的泄气量就会减小，以及洞室周围水幕孔数目增加时，相应水幕孔中的水量可减少。但其理论模型及试验模型都相对简单。
Nilsen和Olsen（1989）对挪威的水封地下储库进行了论述，并对挪威的Sture储油库和Mongstad LPG储库进行了举例说明。
Ulfika IJamberger（1991）通过介绍瑞典Karlshamn LPG储库泄露的情况，分析了水封系统在防止LPG储库泄露中所起的重要作用。
Robert Sturk和Hakan Stille（1995）以Zimbabwe Harare的非衬砌地下储油洞库为例总结了洞库设计建造过程中遇到的问题，重点集中在水文地质和围岩稳定性方面。
Y.N.Lee等（1996、1997）以韩国的不衬砌地下石油储库为例详细分析了地下水封储库设计和建设过程中的各种问题。其中主要分析了洞室掌子面推进和爆破对围岩应力和变形状态的动态影响。
高翔和谷兆祺（1997）以人工水幕在不衬砌地下储气洞室工程中的应用为例，分析了人工水幕的发展、基本原理、设计施工以及运行效果。总结挪威人工水幕设计施工的经验提出了若干条保证水封条件的水幕设计准则。
D.W.Yang和D.S.Kim（1998）介绍了最优化方法在储油气洞室水封幕设计中的应用。
T.Kim，K.-K.Lee（2000）通过对LPG储库水头、储库气压、地下水压力和化学成分综合分析发现导致储库水头波动的因素主要是降水产生的地下水回灌和储库气压，同时发现围岩断裂带是主要的地下水回灌区域，然而水幕系统可以减小储库水头的波动。
杨明举（2001）结合我国第一座地下储气洞库工程，对水封式地下储气洞库的原理及设计进行了论述。通过数值模拟方法对地下水封洞库从理论上进行了分析探讨。为我国地下储气洞库工程的发展、设计和施工提供了理论依据。
杨明举（2001）在博士论文中对地下水封裸洞储气应力场、渗流场、储气场耦合模型进行了研究。结合数学模型的特点，通过对数值解法的研究，建立了地下水封裸洞储气耦合模型的变分原理，并分别对弹性介质和弹塑性介质推导出相应耦合问题的有限元方程式。
陈奇等（2002）以实际工程为例对液化石油气地下洞库围岩稳定性进行了分析，指出洞库稳定性一方面取决于洞库周边围岩应力集中情况，另一方面取决于岩体强度和变形特征，其核心问题在于岩体完整性。
张振刚和谭忠盛等（2003、2006）介绍了水封式12G地下储存的气密条件。对汕头LPG地下储库的丙烷储库做了渗流场三维分析，分析水幕作用及其对储洞周围渗流场的影响，论证了水封式LPG储库的有效性。对我国水封式地下LPG储库的设计、施工和理论的发展提供了依据。
Chung-In Lee和Jae.Joon Song（2003）总结了韩国的地下能源储库现状，采用了有限元，反分析，块体理论和裂隙网络对地下储库进行了力学和水力学稳定性分析，并且在分析中分别采用了黏弹性和黏塑性模型。
Masanobu Tezuka和Radahiko Seoka（2003）介绍了日本地下水封式储油洞库的发展，并且对水封洞库的水封系统和围岩的稳定性进行了分析，认为在地震火山多发的日本修建大断面储油洞库是安全可行的。
Chung IM.和Cho WC.（2003）在考虑地下储库空间渗透系数各向不同的情况下，提出了一种基于随机模拟技术的方法来确定水封安全系数，可以有效地减少由于未考虑围岩渗透系数空间各向异性而导致的油气泄露风险。
连建发（2004）结合辽宁锦州大型地下水封LPG洞储工程，对地下水封储气洞库的特殊性、岩石的完整性参数、岩石质量以及围岩的稳定性等方面进行了深入研究。将大型ANSYS有限元数值模拟技术引入到地下水封油气库围岩稳定性评价中，丰富了地下洞室开挖后围岩稳定性评价的可视化手段。
Linus Levinsson、Goran Ajing和Gunnar Nord（2004）介绍了中国宁波LPG水封式非衬砌储气库的设计和建造。
Haiime Yamamoto和Karsten Pruess（2004）采用变饱和度非均质介质中多组分烃混合物三相非等温流数值模拟软件TMVOC对LPG储库的泄漏进行了二维数值模拟，结论证明水封系统能够有效防止储库气体泄漏，保证储库密封性。
Jung Joo Park和Seokwon Jeon（2005）通过研究韩国第一个位于湖下的Pyongtaek LPG储库，对水封洞库建造过程中的各环节进行了分析。包括现场地质勘察，围岩属性和应力分析，洞库几何形状设计：水文情况调查和水幕系统设计；对既有洞库的稳定性影响等。提出了采用水平水幕和垂直水幕相结合的水幕系统来保证洞库的水封条件。
王芝银（2005）对大型地下储油洞室进行了黏弹性稳定性分析，给出了考虑岩石流变特性时油库的变形规律特点，并对大型地下油库的强度及长期稳定性进行了分析评价。
李仲奎（2005）对不衬砌地下洞室在能源储备中的作用与问题进行了探讨，主要分析讨论了水动力学密封的原理和设计方法。
A.G.Benardos和D.C.Kaliampakos（2005）介绍了希腊在石灰岩中建造不衬砌碳氢化合物地下储库的经验。
Amantini Erie、Cabon Francois和More to Anne（2005）对在地下水封石洞建造过程中的水封处理进行了研究。
徐方（2006）将分形理论应用到青岛某地下水封石油储备库的工程分析中，详细论述了分形理论在洞库围岩渗透性和稳定性方面的应用。
刘贯群（2007）利用Visual Modflow软件建立了某地下水封石油洞库无水幕和有水幕条件下的三维地下水数值模拟模型，模拟了地下水封石油洞库区的渗流场。
宫晓明（2007）考虑地下水渗流的影响，开展了三维流固耦合作用下的地下储油洞库的稳定性分析研究。
陈祥（2007）以某地下水封石油洞库工程为例，对工程岩体质量评价、地应力场分析、洞室围岩稳定性及岩爆判别四个与地下工程密切相关的问题进行了较深入的研究。重点分析了影响洞库的工程地质因素，提出了岩块卸荷指标和频率修正系数两个因子，对岩体完整性指数计算公式进行了修正，改进了国标BQ岩体分级法；采用阻尼最小二乘法对地应力测试结果拟合，得出库址区地应力分布；采用FLAC3D对一组洞库的稳定性进行了数值模拟分析并提出了判别岩爆的指标。
许建聪（2007）采用三维多孔连续介质流固耦合有限差分软件和因素敏感性层次分析方法，对储油洞库围岩的应力场与地下水渗流场的耦合相互作用进行系统分析与模拟，在考虑水的流动条件下，实现对流体应力场的耦合分析，提出了一种较适用于特大型地下水封储油石洞库地下水渗流量计算与分析的数值模拟的合理方法。
巫润建等（2009）以锦州某地下水封洞库工程为例，利用MODFLOW建立了地下水封洞库在不同水幕条件下的三维地下水渗流模型，预测了洞库周围地下水等水位线扩展情况及洞库上方地下水位变化情况。
王怡和王芝银等（2009）针对流固耦合对储油岩库整体稳定性的影响、复杂交叉结构的空间受力变形特征及掌子面推进的空间影响范围等问题，应用FIAC3D对地下储油岩库稳定性进行了三维流固耦合分析。
刘青勇和万力等（2009）采用三维地下水数值模拟模型MODFLOW对山东某地地下水封石洞油库涌水对地下水位的下降影响规律和地下水漏斗进行了数值模拟和预测，分析石洞油库涌水对区域地下水的影响。
从以上国内外对于水封式储油洞库的研究内容和方法可以看出，研究主要分为三类：试验和理论分析、渗流场的研究、两场或多场耦合下的稳定性分析。
实验室试验主要采用平行板模型，采用煤油、汽油和柴油模拟，也有采用甘油代替水，盐水代替油品进行模拟，通过染料进行示踪，可以模拟水平裂隙、垂直裂隙或者倾斜裂隙。除了可以模拟自然地下水头下的水封状况和洞库间的渗流外，还可以模拟人工水封孔布置对水封效果的影响。
渗流场分析主要分析储库开挖或储油工况下，地下水水位的变化情况、降水漏斗的扩展范围和涌水量等，主要采用的模拟方法为Modflow软件进行数值模拟。另外还有针对裂隙围岩随机渗透系数对渗流场的影响的研究。
两场或多场耦合下的稳定性主要采用有限元法和有限差分法进行分析，涉及到的理论有分形理论、块体理论等，且大部分模型都比较简单。
综上所述，目前关于水封储油库的研究主要集中于渗流场研究和储库耦合情况下稳定性研究，而针对水封参数设计、储库开挖和储油全过程中渗流场和复杂洞库群稳定性、水封泄漏数值模拟的综合研究比较少，另外也鲜见比较全面的水封式地下储油洞库群的稳定性评价指标体系。为此，从储库整体稳定性的角度，综合分析水封系统的密闭性和大跨度高边墙储库洞室的全工况围岩稳定性，并提出水封式地下储油洞库群的稳定性评价指标和方法，对本工程是有借鉴意义的。
1.2.3 裂隙岩石渗流场与应力场耦合研究现状
地下水封储库最大特征就是利用地下洞室周围形成的地下水压。在进行水封式地下岩洞设计时，保持储洞的液密、气密性以及正确地预测涌水量是两个重要的课题，也是水封理论的基本。水封系统受到岩层的水理特性或有无相邻洞室等空洞布置，以及地下水涵养量的影响，一旦地下水位不稳定或深度不足，则采用人工注水形式。一般沿洞周打注水隧道，使之形成水幕，以防止气体泄漏。水封设计是否成功一般通过地下水渗流场分析来确定，然而天然岩石中存在大量的空隙和裂隙，这些缺陷严重地影响岩体的渗透特性，而且渗流场受岩石应力场的影响很大，同样渗流场也反作用于应力场，即所谓的渗流场-应力场耦合分析。另外洞内储存的液态油品和蒸气与洞壁围岩应力场和渗流场也有相互作用的特点。按Zienkiewicz等人对耦合的定义，前者称为重叠耦合（overlap coupling）；而后者则称为界面耦合（finteraction coupling）。
1.渗透率-应力-应变耦合
天然岩石中大量裂隙的分布，导致岩石渗透性的非均匀性和各向异性。岩石的渗流耦合理论借用了多孔介质耦合理论的原理，侧重对裂隙网络几何形态的描述，同样需要建立渗透率-应力-应变耦合方程以及裂隙渗流有效应力方程。
裂隙水力耦合模型发展最早的是平行板窄缝模型，它把裂隙概化为两光滑平行板之间的缝隙。1868年，俄国著名流体学家Boussinesq（布西涅斯基）利用Navier-Stokes方程导出了液体在平行板隙中运动的理论公式，其体现了裂隙的过流能力与裂隙开度的立方成正比的关系，称为立方定理。
天然裂隙的形状不规则，有复杂的粗糙度和起伏度，因而提高了对水流的阻力。野外观察和试验研究表明，空隙压力变化会引起有效应力的变化，明显地改变裂隙张开度和液体压力在裂隙中的分布，裂隙水通量随裂隙正应力增加而迅速降低。所以最初的耦合研究探讨裂隙渗透性与法向应力的关系。
Louis根据某坝址钻孔抽水试验资料分析，得出了渗透系数与正应力的经验关系式，即
式中：Kf为渗透系数；
为当时的渗透系数；σ为有效正应力；ξ为待定系数。
式（1.2.3.1）是首次研究渗流与应力关系的公式，它反映了正应力与渗透系数呈负指数关系。
德国的Erichsen从岩石裂隙压缩或剪切变形分析出发，建立了应力与渗流之间的耦合关系。Oda［43］以裂隙几何矢量来统一表达岩石渗流与变形之间的关系。Nolte建立用裂隙压缩量有关的指数公式描述裂隙渗流与应力之间的关系。Noorishadl也提出了岩石渗流要考虑应力场的作用，他以Biot固结理论为基础，把多孔弹性介质的本构方程推广到裂隙介质的非线性形变本构关系，以此研究渗流与应力的关系。
Snowt通过试验得出一组平行裂隙在正应力作用下的渗透系数的表达式。Long等人研究了地下洞室开挖后围岩渗透系数的变化。他们认为，导致渗透系数变化的原因：一是天然应力和重分布应力的作用，使致密岩石裂隙化；二是开挖引起作用于围岩中天然应力改变，使已有裂隙张开或闭合；三是开挖引起的卸荷导致原生晶面松弛等。Jonesl提出了碳酸钙岩石裂隙渗透系数的经验公式。Kranz提出Barre花岗岩的裂隙渗透系数和应力呈幂函数的经验公式。Gale通过对花岗岩、大理岩和玄武岩三种岩体裂隙的室内试验，得出导水系数和应力的负指数关系方程。1987年Tsang认为由于张开度的变化和岩桥的存在，裂隙渗流出现偏流现象。
国内河海大学王媛等提出贯通裂隙、水力隙宽和应力呈负指数的公式。仵彦卿通过某水电站岩石渗流与应力关系试验，得出岩体渗透系数与有效应力存在幂指数关系。陈祖安等通过砂岩渗透率的静压力试验，应用毛素管模型，拟合岩石渗透系数与压力的关系方程。刘继山用试验方法研究了单裂隙和两正交裂隙受正应力作用时的渗流公式。张玉卓等对裂隙岩石渗流与应力耦合进行了试验研究，并得出渗流量与应力成四次方关系或非整数幂关系。周创兵等提出考虑岩石应力的裂隙渗流的广义立方定律以及裂隙的半圆形凸起模型，讨论了裂隙渗流与应力耦合规律。赵阳升等推导了渗流特征和三维应力之间的关系。耿克勤对剪切变形与渗流耦合进行了实验研究，解释了在不同压应力作用下裂隙面剪缩和剪胀的原因。1989年，田开铭等通过不同深度处渗透系数与法向应力的回归分析认为，岩石各渗透主值均随深度呈负指数率递减，但递减率不同，垂直方向渗透主值递减的速率大于水平方向渗透主值的递减速率，提出了应力对渗透矢量的影响。
在理论概念模型方面，为了解释应力作用对裂隙面渗透的影响机理，1987年Rsang等发现由于裂隙面在外力下压紧、咬合，通过单一裂隙的水流只集中于几条弯曲的沟槽中，称之为沟槽模型。Gangi提出钉床模型，以钉状物的压缩来反映应力对渗流的影响。Walsh提出洞穴模型，从洞穴的变形来考虑裂隙渗流与应力的耦合关系。Tsang和Witherspoon提出了洞穴-凸起模型，该模型很好地解释了单裂隙面渗流、力学及其耦合特征。以上这些研究成果为岩石渗流场与应力场耦合分析研究奠定了基础。
2.渗流场与应力场耦合的数值模拟
Louis［42］提出水力模型与力学模型相耦合的概念，并确定渗透力所需的基本数据与介质中水流势的分布，用有限元法进行了模拟计算。Hart于1984年推导了多相介质完全水-热-力学耦合模型的本构方程，描述了裂隙岩石相互作用的数值模拟技术。Noorishad 提出了一种基于微分组构矢量的混合Newton-Raphson数值计算方法。Zimmerman对单向流体-裂隙耦合非线性扩散方程进行了数值模拟。
常晓林推导了各向异性连续介质的等效渗透系数与应力状态的耦合关系，并对抽水井和压力隧道进行了耦合计算。许梦国首先用Monte-Carlo法模拟岩石裂隙的分布，然后根据模拟结果分别形成渗流和岩石应力有限元分析的单元网络，并进行数学分析；利用位移连续条件进行耦合，最后用迭代法得出考虑渗流的不连续岩石的应力状态。朱伯芳根据混凝土的渗透压力-应力-应变关系，研究了渗透水对非均质重力坝应力状态的影响，并给出了精确解答和简化计算方法。
在数值模拟软件方面，能进行裂隙岩石渗流场与应立场耦合分析的软件主要有FLAC2D、FLAC3D、UDEC、3DEC等国外软件以及国产的RFPA耦合分析系统。
3.渗流模型
裂隙岩石渗流模型的建立是进行裂隙岩渗流分析的基础。目前岩石渗流模型的研究方法主要有四种趋势：①认为裂隙岩石是一种具有连续介质特性的物质；②忽略岩块的孔隙系统，把岩石看成单纯的按几何规律分布的裂隙介质；③视岩石由渗透结构面组成的裂隙系统和由岩块孔隙组成的孔隙系统共同组成的双重介质；④认为裂隙岩石是由数目较多的小型裂隙和数目不多的起主要导水作用的大中型裂隙组成的分区混合介质。这四种不同的处理方法分别对应四种裂隙岩石渗流计算模型：等效连续介质模型、离散裂隙网络模型、裂隙-孔隙双重介质模型和分区混合介质模型。
（1）等效连续介质模型是经Snow创立的，以渗透矢量理论为基础、用连续介质方法描述岩石渗流问题的数学模型。渗透矢量用来表征裂隙介质及其水流的各向异性。在岩石的小体积范围，即在系统变化不明显的地方，才能应用渗透矢量理论。
Oda将裂隙岩石渗透矢量和弹性矢量统一用裂隙网络几何矢量表示，建立了较严格的裂隙岩石渗流特性与应力特性之间的耦合关系。该理论以统计分析为基础来模拟裂隙网络的影响，处理起来很复杂。
陶振宇等对岩石渗流-应力进行耦合分析研究水库诱发地震。用迭代法求解使耦合的应力场达到稳定。陈平和张有天以裂隙渗流理论和变形本构关系为基础进行了耦合分析，分别求解渗流场和应力场。常晓林基于渗透主轴与应力主轴保持重合的假定，得到弹性各向同性介质的耦合关系。王媛等采用等效连续介质模型和离散介质模型单独分析相结合的方法，分别给出多裂隙岩石介质和离散介质的弹塑性本构关系，首次采用四自由度全耦合法，建立基于增量理论的复杂裂隙岩石渗流与应力弹塑性耦合方程。
等效连续介质模型可采用经典的孔隙介质渗流分析方法，对于岩石稳定渗流，只要岩体渗流的样本单元体积（REV）存在且不是太大（小于研究域的1/20～1/50），应尽量采用等效连续介质模型进行渗流分析。而等效连续介质模型又包括渗透系数为常量和渗透系数为应力环境的函数两种情况。
（2）离散裂隙网络模型。岩石裂隙网络系统渗流模型是把岩石看成由单一的按几何形态有规律分布的裂隙介质组成，岩石中的岩块渗透性极弱，可忽略不计。用裂隙水力学参数和几何参数（如裂隙产状、裂隙间距和隙宽等）来表征裂隙岩石内渗透空间结构的具体布局，所以在这类模型中，裂隙的大小、形态和位置都在考虑之列。Wittke于1966年和1968年分别提出线素模型，它是裂隙网络渗流模型的基础，将裂隙岩石中的渗透空间视为由构成裂隙网络的隙缝个体组成，运用线单元法建立裂隙系统中水流量、流速及压力特征之间的关系。这是一种真实的水文地质模型，相当于对天然裂隙系统的映射，但它确是稳定流模型，不能反映裂隙水流的瞬间变化特征；但是由于查清每一条裂隙难以办到，因而只有在小范围且裂隙数量不大的范围才能应用。该模型将裂隙及其交叉点上的水动力关系逐个列出，揭示了裂隙水流运移的内在联系，为裂隙网络系统渗流模型的研究奠定了基础。
该类模型以苏联学者Pomm、美国学者Snow、法国学者Louis和Wittke的研究成果为代表。王恩志等运用图论理论在线素模型的基础上建立了二维裂隙网络渗流模型，并从二维模型发展到三维模型。王洪涛运用裂隙岩石渗流模型与离散元模型耦合分析充水岩质边坡的稳定性。周创兵、熊文林根据渗流叠加理论提出了裂隙岩石渗透矢量的双场耦合模型，揭示出渗透矢量与应力耦合效应。
裂隙网络模型在确定每条裂隙的空间方位、隙宽等几何参数的前提下，以单个裂隙水流基本公式为基础，利用流入和流出各裂隙交叉点的流量相等来求其水头值。这种模型接近实际，但处理起来难度较大，数值分析工作量大。
（3）裂隙-孔隙双重介质模型。该模型的建立基于裂隙岩石是一种具有连续介质性质的物质。把这种连续介质看成是由两种介质组成，即以裂隙介质导水、孔隙岩体介质储水为其特征，分别建立裂隙介质渗流模型和孔隙介质渗流模型，用裂隙与孔隙岩块间水量交换公式连接，组成一个耦合方程，在方程式中存在两种水头，这一模型的代表是苏联学者巴伦布拉特（Barrcnblatt）与1960年提出的，被称为“双重介质”渗流模型，即
式中：Kp、Kf分别为孔隙岩块和裂隙介质的渗透系数；
分别为孔隙岩块和裂隙介质的储水率；
为孔隙岩块与裂隙介质之间的水量交换系数：φp、φf分别为孔隙岩块与裂隙介质中地下水水头。
Warren和Root提出了类似的模型。他们认为，岩石裂隙具有均质的正交裂隙系统，裂隙相互连通，每一方位裂隙组平行一个渗透主轴。垂直于每一主轴的裂隙组等间距分布，隙宽不变，但沿各主轴的裂隙组的隙宽和隙间距不同。每一个岩块为孔隙系统，具有均质各向同性渗流特点。孔隙和裂隙间存在水量交换。
该模型的主要缺陷是不能反映裂隙系统空间结构的不均匀性以及其中水流普遍具有的各向异性，而且在同一点给出两个压力值也是困难的。黎水泉和徐秉业提出一种考虑介质参数随压力变化的双重孔隙介质非线性渗流模型，研究耦合过程中孔隙压力和裂隙压力随时间变化的规律。另外Strelesovat、Duguid等、Huyakom等、Neretnieks等、Dykhuizen、王恩志也分别研究了双重介质渗流模型，促进了岩石双重介质渗流模型的发展。
双重介质模型，除裂隙网络外还将岩块视为渗透系数较小的渗透连续介质，研究岩块孔隙与岩石裂隙之间的水交换，这种模型更接近实际，但数值分析工作量也更大。
（4）分区混合介质模型。分区混合介质模型认为裂隙岩石是由数目较多、密度较大的小型裂隙和数目不多的起主要导水作用的大中型裂隙组成的分区混合介质，在同一计算区域内，对数目不多的起主要导水作用的大中型裂隙采用离散裂隙网络模型，而对于由这些大中型裂隙切割形成的块体中的数目较多的小裂隙采用等效连续介质模型，然后根据两类介质接触处的水头连续性以及流量平衡原则来建立耦合方程进行求解。显然，该模型集中了等效连续介质模型和离散裂隙网络模型的优点，既保证了等效连续介质模型的有效性，使之满足工程精度的要求，又避免了离散裂隙网络模型因模拟每条裂隙而带来的巨大工作量。
综上可以看出，以上几种模型各有优缺点。工程岩石渗透特性为各向异性，其力学和水力学性质受结构面控制。理论上讲，离散介质模型方法能如实地描述水在节理岩石中的运动规律，然而，工程岩石中数量众多的结构面限制了它的应用，等效连续介质方法就有特别重要的工程实用价值。连续介质实际并不存在，岩石在细观尺度上也不是孔隙介质。连续介质模型是数学上的抽象，把复杂的对象简化，经典Biot渗流理论在岩石力学某些领域得到近似的应用，这是因为它是在一定的尺度范围内来考虑各种力学量的统计平均值。张有天认为，对于大型水电工程进行渗流分析，用连续介质力学模型并辅以主要断层或裂隙即可满足工程精度要求。据此，在进行工程岩石渗流分析及工程设计时可以遵循这样的研究思路：以现场岩石渗透结构面测绘统计资料为依据，采用离散介质方法建立典型裂隙网络表征体，计算岩石的等效渗透矢量，应用等效连续介质模型分析方法研究区域岩石的渗流问题。该方法既适应工程岩石宏观渗流分析的特点，又能够较为深刻地认识裂隙渗流的本质。但是并非大尺度的表征单元体一定适用连续介质模型，耦合结果如果不随尺度增加而变化就可以认为连续介质模型具有实用价值。裂隙-孔隙双重介质模型考虑了裂隙、孔隙两类系统的水交换过程，适宜于研究岩石中地下水体的赋存特性，理论上是客观合理的，但该模型对裂隙和孔隙系统的配置和形状做出了许多特殊的简化假定，尚未达到实际应用的程度。分区混合介质模型结合了等效连续介质模型和离散裂隙网络模型的优点，克服了各自的缺点，为岩石渗流数值计算提供了一种较好的处理方法，应是一个应用前景较广的裂隙渗流数值计算模型。
1.2.4 大型地下洞室群稳定性分析与优化评价指标研究现状
关于大型洞室群稳定性分析评价指标方面，国内外在20世纪70年代末就有部分学者开始这方面的研究。Gnirk R.F.、Fossum A.F.（1979）探讨了硬岩中压缩气体能量储存的大型地下洞室的稳定性，建立了洞室稳定性评价的数值模拟模型。莫海鸿（1991）认为围岩破坏主要表现为张性破坏，洞周围岩径向张应变可作为围岩的稳定性评价指标。张斌（1998）根据局部破坏现象，结合变形监测成果，对高地应力区二滩地下厂房系统的围岩稳定性进行了分析。史红光（1999）以岩石结构和质量、应力集中程度、洞周变形情况对二滩水电站地下厂房洞群围岩进行了稳定性分析。丁文其（2000）提出了采用洞周径向张应变、洞周围岩屈服区计算和支护结构受力状态同时作为稳定性分析判据。陈帅宇（2003）采用三维快速拉格朗日法模拟清江水布垭水利枢纽工程地下厂房区的施工开挖过程，采用围岩变形、应力和塑性区分布情况分析洞室群围岩的稳定性。张奇华（2004）将关键块体理论应用于百色水利枢纽地下厂房岩石稳定性分析中，以块体抗滑稳定安全系数为评价指标，分析了洞周块体的稳定性和所需的锚固力。杨典森（2004）以变形场、应力场、塑性区场分布特征以及锚杆轴力为评价指标综合分析了龙滩地下洞室群围岩的稳定性。王文远和张四和（2005）通过有限元计算获得的应力场、位移场和塑性破坏区分布，以及对洞室围岩分类和块体稳定性分析方法对糯扎渡水电站地下厂房洞群围岩开展稳定性研究。
在大型洞室群优化指标研究方面，俞裕泰（1984）研究了分期开挖对硬岩洞室的围岩应力的影响，指出对不太大的洞室最好采用全断面开挖，即使是大型洞室，在施工条件许可情况下，也应尽量减少开挖次数。朱维申（1992）采用洞周破损区的面积作为评价指标，对洞室群最佳施工方案进行了研究，给出了平面问题的计算结果。肖明（2000）根据地下洞室施工开挖程序和锚固施工方法，提出了大型地下洞室施工过程动态模拟的三维有限元数值分析方法，根据岩石破坏特性和弹塑性力学耗散能原理，给出了以卸荷、塑性区、开裂以及总破坏体积和塑性耗散能为评估指标的开挖优化方法，并考虑了施工开挖爆破对洞室围岩稳定性的影响。汪易森（2001）采用三维弹塑性有限元分析，以洞周位移为优化指标对天荒坪抽水蓄能电站地下厂房洞室群的施工进行了整体优化。朱维申（2001）提出考虑单元损伤、塑性和受拉破坏情况下的能量耗散本构模型，以塑性面积和最大水平位移为优化指标，结合溪洛渡水电工程洞群稳定问题作了4个方案的施工顺序优化比较分析。陈卫忠（2004）应用三维断裂损伤有限元法和施工过程力学的基本原理，根据围岩的破损区大小及关键点位移研究了龙滩电站急倾斜岩层中开挖大型地下洞室群的稳定性及最优的施工方案。此外，由于大型洞室群工程所具有多因素综合影响和多目标评价的特点，使得设计人员在众多的选择面前难以找到最优决策，为解决这一问题，安红刚（2003）提出采用洞室关键点的最大位移和破损区体积与设计标准或专家经验值的差值之比进行加权综合后作为评价指标，对水布垭地下厂房软岩置换方案进行了优化分析；姜谙男（2005）以洞周综合位移、拉损区体积、塑性区体积、大变形节点数、支护费用的加权综合优化指标对水布垭地下厂房的锚固参数进行了优化。
综上所述，现有的大型洞室群稳定性分析及优化分析主要以围岩的破损区分布，塑性区分布，洞周关键点位移，洞周应力集中程度，块体稳定性安全系数以及经济指标作为评价指标。
1.2.5 水封条件研究现状[5]
为了使围岩具有一定的强度，能够保证整体稳定性要求，地下水封油库一般修建在岩性较好的岩层，同时要有充足的地下水源。由于水封条件理论不够完善，往往通过设置人工水幕来提供水压，使洞室处于饱水状态。因此洞室处于饱和含水层中或充水岩层中可以阻止油气泄漏的认识逐渐得到人们的认可。
Aberg（1977）对裂隙水压和洞库储存压力的关系进行了研究，认为只要垂直水力梯度大于1，就可以保证储库的密封性，即垂直水力梯度准则。该准则忽略了重力、摩擦力和毛细力的影响。Goodall（1986）在Aberg的基础上对该理论进行发展。Jung-KyuSuh（1986）对非衬砌储库中保证储存气体不发生泄漏的充分条件进行了研究，研究表明其充分条件为垂直水力梯度大于等于0。
瑞典人Lindblom（1997）通过不衬砌储气洞室压缩空气试验研究，表明洞室泄气量与储气压及储存温度有关，泄气量为溶入水中气量和进入岩体气量之和。由于饱水洞室比干燥洞室的泄气量低一个数量级，证明饱水洞室中水可以有效地阻止气体在裂隙岩体中的泄漏。Rehbinder（1988）等学者对地下不衬砌储气洞的水幕孔数量及水压力进行了试验研究，试验成果表明，泄气量随水幕洞水压的增加而减小，水幕孔中的水量随水幕孔数目增加可减少。
Nilsen和Olsen（1989）对挪威的地下水封储库水封条件进行了论述。Ulrika和Hamberger（1991）通过对瑞典Karlshanm LPG储库泄露情况分析，指出了在防止LPG储库泄露中水封系统作用的重要性。
Robert Sturk和Hakan Stille（1995）以Zlmbabwe Halale的非衬砌地下水封油库为例，从水文地质和围岩稳定性方面进行了探讨。
Y.N.Lee（1996、1997）以韩国的不衬砌地下石油储库为例，通过数值计算分析了洞室掌子面推进和爆破对围岩应力和变形状态的动态影响。
D.W.Yang和D.S.Kim（1998）介绍了最优化方法在储油气洞室水封幕设计中的应用。T.Kim和K-K.Lee（2000）通过对LPG储库水头气压、地下水压及化学成分分析，表明降水产生的地下水回灌是导致储库水头波动的主要因素，通过研究表明，水幕系统可以有效减小因水位降低引起的储库水头的波动。
杨明举（2001）以我国第一座地下水封油库水文地质条件研究为例，通过数值模拟方法对地下储气洞库水封理论进行了论述。通过对数值解法的研究，结合应力场、渗流场、储气场等复杂应力场耦合模型进行的探讨，建立了地下水封储气洞耦合模型的变分原理，推导出不同介质耦合原理的有限元方程式。
陈奇等（2002）以实际工程为例对地下储气洞库围岩稳定性进行了分析，指出核心问题为岩石完整性，洞库稳定性取决于两个方面：洞库围岩应力集中情况、岩石强度和变形特征。张振刚和谭忠盛等（2003、2006）对LPG地下储存的水封条件进行了讨论。以实际工程为例，通过数值模拟进行了渗流场三维分析、水幕对储洞周围渗流场的影响。
Chung-In Lee和Jae-Joon Song（2003）通过有限元反分析、块体理论和裂隙网络理路，采用了黏弹性和黏塑性模型对地下储油库进行了力学和水力学稳定性分析。Masanobu Tezuka、Tadahiko Seoka（2003）通过日本水文地质条件的分析，对围岩稳定性和水封洞库的水封系统进行了研究。
ChungIM和Cho Wc.（2003）考虑地下储库裂隙渗透系数的空间各向异，提出了一种确定水封安全系数方法，该方法有效地减少由于未考虑围岩渗透系数空间各向异性而导致的油气泄露风险。
连建发（2004）以实际工程为例，考虑不同地质因素对围岩的稳定性进行了研究，并在地下水封油库围岩稳定性评价中采用ANSYS有限元数值模拟。
Jung Joo ParK和Seokwon Jeon（2005）通过对Pyongtaek LPG储库地质环境和水幕设计研究，分析了洞库的稳定性，同时提出了采用水平和垂直水幕相结合的水幕系统以保证洞库水封条件的水幕设计优化方案。
王芝银（2005）通过对地下水封油库的黏弹性稳定性分析，结合考岩石流变特性时油库的变形规律特点，对大型地下储油库稳定性进行了分析研究。李仲奎（2005）讨论了地下水封油库的水动力学密封原理及设计方法。
徐方（2006）通过对地下水封石油储库的工程地质条件分析，论述了分形理论在洞库围岩渗透性和稳定性方面的应用。刘贯群（2007）利用地下水软件Visual MODFLOW，建立了地下水封油库在无水幕和有水幕两种条件下的三维地下水数值模拟模型，对地下水封油库渗流场进行了模拟。
宫晓明（2007）考虑地下水渗流的影响，开展了三维流固耦合作用下的地下水封油库的稳定性分析研究。
陈祥（2007）以某地下水封石油洞库工程为例，从工程岩体质量评价、地应力场分析、洞室围岩稳定性及岩爆判别四个与地下工程密切相关的问题进行了较深入的研究。
巫润建等（2009）以地下水封洞库实际工程为例，考虑地下水封洞库在不同水幕条件下，利用MODFLOW地下水软件建立了三维地下水渗流模型，研究了洞库围岩中水位线洞库上方水位线的变化规律。
王怡和王芝银等（2009）通过实际工程中掌子面推进的空间影响范围及围岩受力变形特征等问题分析，应用FLAC3D三维流固耦合模型研究水封油库稳定性。刘青勇和万力等（2009）通过Modflow软件建立三维地下水数值模拟模型对地下水封石洞油库涌水及地下水位的下对降落漏斗的变化影响进行了数值模拟和预测。
时洪斌（2010）通过对国内外水封洞库的研究现状的归纳总结，结合本水封洞库实际工程，研究水封系统密闭性和洞库群围岩稳定性。通过正交试验以及现场提水试验确定了储库研究模型力学参数及水文地质参数。通过有限差分方法对复杂应力耦合作用下围岩稳定性及储库的储存能力进行分。通过采用Tokheim-Janbu模型对自然水幕情况下储油的油气泄漏量进行了预测，并进行了二维和三维情况下泄漏量的对比分析。
综上所述，目前关于水封储油库的研究主要集中在渗流场研究及复杂应力场耦合作用下洞库群稳定性的数值模拟研究。而针对水封机理研究甚少。但实际工程中通过合理选址能够保证洞库在这种状态下的稳定性，因此，这里主要研究洞库的水封机制及漏油机理，从而为水封机理和漏油风险评估作重要的理论支持，同时为突发漏油情况下补救措施提供理论依据。
1.2.6 水跃现象的研究现状
一般认为，在地下水位较低时，洞库开挖后会在洞库上方和周边一定范围内形成一个巨大的降落漏斗，水位可能将降至洞库底板，由此会导致地下油库中的油气外逸。但是事实并非如此，许多隧道、矿坑、水井等工程施工中发现：围岩介质内的水位要高于工程内部的水位，中间有一个差值，这一现缘被称为“水跃现象”，这一差值被称为“水跃值”。水跃现象是地下水封油库储油机理的主要组成部分。水跃现象的产生与裂隙对地下水的吸附力以及因水位降而产生的水-气界面的表面张力等因素有密切关系。对此国内外学者开展了研究工作。
1940年国外学者艾连别格尔通过室内渗透槽模型试验提出水跃值的经验公式。随后，奥沃多夫在经验公式的基础上考虑了滤水管和地层情况的影响，对艾连别格尔公式作了修正，给出了修正经验公式。恰尔钠衣以及特罗菲明科等学者通过试验也给出了水跃值的计算公式。随后，阿布拉莫夫归纳以上影响“水跃”值的因素，通过总结在室内渗透槽试验所得成果，提出了新的经验公式。
国内学者，清华大学黄万里（1955）利用伯努里定理推导出当出水量最大时的理论水跃值公式。张子文（1989）给出简便计算公式。
徐绍利和张杰坤（1986）进行了窄缝槽模拟试验，通过考虑不同因素对水跃值的影响，分别模拟了垂直排水和水平排水，建立了水跃值h和钻孔水位降深S之间的回归方程，并研究了其相关关系，对裂隙岩石中水跃现象进行了研究。
徐至进（1993）在“井周流场、水跃值与井内水位降深的关系”中，从井固流场与地下水向集水井幅射流的涌水量方程入手，阐明井结构，井周泥浆堵塞和井内水位降深的关系。证明了水跃值是井周泥浆堵塞降深与井周三维流或紊流引起的二次项降深简称“井损”之代数和，并得出了水跃值不同组成部分随井内降深变化而变化的规律。
朱大力和李秋枫（1995）结合兰新线乌鞘岭隧道渗水问题，根据实测数据对计算水跃值公式进行修正，提出了水跃值的经验公式。
高秋惠和肖红等（2002）根据现场对比试验，认为井的结构、机械、水位降低值影响水跃值，最后确定了不同的水跃值计算公式。
牛志刚和赵保生等（2003）结合豫西某矿区的抽水试验，介绍几种计算水跃值的方法，阐明水跃值对计算渗透系数的影响。
郭增玉和陈昌禄（2004）根据抽水试验数据总结黄土潜水井水跃值的变化规律并在总结了水位降深随抽水时间的变化关系的基础上，建立了经验公式。
吴庆华和高业新等（2008）考虑了在水位变化强烈区域和井中大气压变化对抽水试验的影响，研究了华北东部平原深层抽水井的水跃规律。
康婷和郭增玉等（2008）根据现场抽水试验资料，总结了不同抽水量下水跃值随抽水时间的变化规律，得出在地质条件、井结构相同的条件下，水泵的吸水能力是影响水跃值大小及变化规律的主要因素。
由水跃现象的研究现状可以看出，以往研究水跃值的储水介质主要为土体。而以裂隙岩石为储水介质分析水跃现象的研究较少。为此，通过单裂隙窄缝槽模型试验研究裂隙岩体水跃值变化规律，为保证洞库水密条件下洞室的合理埋深提供理论依据。
1.2.7 水油驱替的研究现状
一般认为，在地下油库运营或储油过程中，不可避免地遇到洞室中油品高度超过水位高度，导致油品会顺岩体裂隙进行渗透运移，造成对周围岩石的污染和油品的泄露。研究岩石裂隙中水驱油机理及特征就变得尤为重要。在相关方面我国学者作了大量研究，取得了一些重要成果。
高永利和何秋轩（1997）对砾岩细长喉道中水驱油特征的研究表明：水的指进现象突出、细长喉道中油水以大量的段塞交替运移、油滴经过细小喉道时发生小孔分散现象等水驱油成果，并和三元复合体系驱进行对比，得出三元复合体系驱不失为一条较大幅度提高砾岩油藏采收率的有效途径。
李劲峰、曲志浩和孔令荣等（1999）利用真实砂岩微观模型研究了鄯善油田三间房组油层微观水驱油特征。试验表明，鄯善油田三间房组油层驱油效率差异不大，驱油效率随压力的升高而增高。并指出由于三间房组的油层与水亲和性大于与油的亲和性，对水驱油过程是有利的这一定性结论。
周娟等人于2000阐述了使用一维玻璃微模型研究了强水湿条件下裂缝油藏水驱油渗流机理。得出裂隙特性对水驱油渗透机理有显著影响，渗流规律为随裂隙方向与主流线夹角增加，水驱突破实践增加，剩余油减少，且裂缝与基质孔道连通性越好，水压越大，水驱油跃容易等试验成果。
曲志浩和孔令荣（2002）通过真实砂岩微观孔隙模型试验，研究了不同区域低渗透油田的微观水驱油特征。研究表明贾敏效应是不可忽视的作用力。同时表明低渗透油田水驱油效率低，水的自吸驱油现象比较明显等成果。该成果对改善注水开发低渗油层有一定理论意义。
谭承军（2002）在探讨了塔河油田奥陶系碳酸盐岩油藏具有三重介质基础上对水驱油机理进行了研究。研究表明：高孔低渗特征的岩块系统主要靠自吸排油方式水驱油；在驱替压力和重力作用下，高孔高渗特征的洞穴系统近乎均匀推进水驱油，低孔高渗特征的裂缝系统发生指进和突进水驱油等水驱油理论成果。
陈新平和王胜利（2004）对中原油田文岩芯试验资料的分析、研究表明深层低渗油藏由于渗透率低，启动压力梯度大，流体渗流表现为非达西流特征。水驱油结果表明：油水两相渗流束缚水饱和度高，流动范围窄，垂直于流动方向裂缝的储层采收率最高等试验成果。该成果为同类型油藏分析剩余油分布规律、制定合理的提高采收率方案提供依据。
周立果（2005）通过分析塔河油田碳酸盐岩岩溶缝洞型油藏的地质特征以及油藏试采动态、单井出水特征、生产测井等动态资料，探讨了该油藏在裂缝溶洞型碳酸盐岩油藏开采特征、缝洞孔复合型碳酸盐岩油藏开采特征、三重介质条件下的水驱油机理。
任晓娟和曲志浩（2005）通过岩芯试验和真实砂岩模型试验，取得了以下成果：在丰水期，弱亲油储层与亲水、弱亲水的中性特低渗储层的微观水驱油效率无显著的差别；在贫水期，其微观水驱油效率明显低于亲水性储层。同时得出孔隙结构是决定特低渗储层微观水驱油效率的主要因素的结论。
J.Cruz-Hemandez对多孔裂缝介质中的水驱油机理也作了相关研究，通过水驱油试验，用水饱和度得出油的采收率，并发展了一个理论模型。
郑忠文（2007）通过对试验测定的不同渗透率级别的低渗透砂岩样品的单相及两相渗流特性试验资料的分析、研究，取得了低渗油藏单相流体渗流特性以及初始水力梯度等成果。
张国辉、任晓娟和张宁生（2007）通过在室内对微裂缝的天然岩芯进行水驱油，研究认为微裂缝对低渗储层注水开发有很重要的影响。同时表明：微裂缝增大了油水的渗流通道，对改善储层的渗透性有重要作用。还对比无微裂缝岩与有微裂纹岩的水驱油效率，表明二者相差不大等试验成果。
高永利、邵燕和张志国等（2008）针对特低渗超低渗油层渗流特点，选取西峰油田岩芯，通过室内水驱油试验研究，分析了低渗透油层驱油效率与储层渗透率的关系，驱油效率与注水倍数的关系，以及驱油效率与驱替压力梯度的关系。研究结果表明：低渗透油层在渗透率较低的范围内，随渗透率的降低，驱油效率则急剧降低；随注水倍数的增加，各含水阶段驱油效率增加的幅度不同，消耗的注水量也不同；随着驱替压力梯度的提高，驱油效率均呈上升趋势。
徐波和孙卫（2008）通过对鄂尔多斯盆地姬塬油田砂岩储层微裂缝及水驱油机制综合研究，得出微裂缝能够降低注水压力，起到连通基质孔隙、提高储层的渗流能力的重要作用的定性结论。
以上研究主要侧重于岩块孔隙以及微裂隙的水驱油微观特征及规律。而针对水封油库中进入裂隙中的油品能否通过水压驱替改变水跃，能否使进入裂隙中的油品重新被挤回到洞室，从而防止油气泄漏和对围岩的污染方面研究甚少。这方面的研究对水封油库的水封机理研究以及洞库漏油风险评价和补救措施的合理性具有重要的意义。
1.2.8 地下水水流及溶质运移模拟研究现状
自20世纪70年代，地下水数值模拟逐渐成为地下水模拟的主要方法之一。地下水模拟主要有水流模拟、运移模拟、反应模拟、反应运移模拟。模型建立的步骤包括水文地质条件分析、建立水文地质概念模型和数学模型、确定模拟期和预报期、水文地质条件识别、地下水资源评价和水位预报。目前，在世界范围内被广泛应用的地下水模拟软件有Visual MODFLOW、地下水模拟系统（GMS）、Visual Groundwater、MODFLOW等，计算方法主要为有限元法和有限差分方法，江思珉、朱国荣结合两者提出了快速自适应组合网格方法（FAC），薛禹群等将多尺度有限元法用于地下水模拟。
Visual MODFLOW是综合已有的MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和PEST等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟。Visual MODFLOW最大的特点是易学易用、菜单结构合理、界面友好、功能强大，成为许多地下水模拟专业人员选择的对象。该软件已被广泛应用于水资源评价模拟、路基排水模拟、边坡稳定性模拟等领域、河流衰减量计算。丁元芳和卞玉梅等分别对沈阳市李官堡水源地和双阳河谷水源地进行了水流数值模拟和预测。林国庆等利用Visual Modflow软件建立准三维地下水水流模型对地下水库的地下水系统进行了模拟并分析了橡胶坝渗漏补给的动态变化规律。朱斌等应用该软件提供的墙体边界（wall）模拟了断层影响下的地下水流，黎明等渗流-管流耦合模型”对新疆渭干河流域进行地下水资源评价。
20世纪90年代，水流和溶质模型的联合应用迅速发展起来，国内外学者进行了大量研究和应用。地下水中溶质运移模型的基本方程为对流-弥散方程，以多孔介质中的物质运输理论为基础，遵循质量守恒定律而建立的偏微分方程。目前其解法常用的有限差分格式为MacCormack格式、特征型的Garlerkin格式和混合的E.-L.格式等，王惠芸等基于有限分析方法基础上构造了一种优化数值算法，朱长军等采用混合有限分析法对污染物在地下水中的运移进行了数值模拟研究，Saaltik对数值方法进行了探讨，比较了直接代入法（DSA）和连续迭代法（SIA）的优劣及适用条件。Yeh和Tripathi建立并验证了二维有限元水文地球化学运移模型HYDROGEOCHEM，用于模拟多组分反应性溶质运移，此模型设计可用于非均质、各向异性、稳定流和不稳定流情况下的饱和-非饱和的介质；同时，它能模拟络合、溶解-沉淀、吸附-解吸、离子交换、氧化-还原以及酸碱反应等化学过程。Laura KK.Lautz 利用MODFLOW和MT3D对地表水与地下水在潜流带的混合进行了模拟。杨玉建等初步分析了土壤水盐运动的机理模型，总结了对流-弥散方程建立的一般思路及数值解法的局限性：李韵珠等以土壤水和溶质运移的动力学原理为基础，采用数值模拟方法，研究了在浅层地下水和蒸发条件下含有黏土层土壤的水和Cl-的运移状况。张丛志综述了土壤多组分反应性溶质运移领域的运移模型、数值模拟、可应用的计算软件，并提出了目前尚存的问题。
而石油类在地下水环境中的运移又有其特殊性，除了一般溶质的对流、机械弥散和分子扩散作用外，还存在吸附-解吸、生物降解等作用。郑两米等通过大量的实验来测定溶解油的吸附等温线和突破曲线，并由此确定阻滞系数，把地下水中反应性石油污染物运移的物理过程和化学过程有机地结合起来。裴桂红等建立地下石油污染的数学模型，给出其Galerkin有限元离散格式。
韩曼利用当前国际上广泛应用的Visual MODFLOW软件的MODFLOW和MT3D模块建立了地下水封石油洞库的水流和水质数值模型，分析了洞库周围的渗流场和地下水中溶质的运移特征。