地下水封式石油储备库是目前国内外主要发展的石油储备方式,其相对地面储备库具有占地面积小、运营成本低、安全性高、适合战备等优点。地下水封洞库多设计为高边墙、大跨度且不施作衬砌的地下洞室,由于水封洞库工程的特殊性,洞室只有长期处于动态的水封环境下才能保证其具有良好的储油性能。在国外虽然类似的工程已经存在一定的成功案例,然而由于种种原因,在某些洞库建设的核心技术上,尚无有效的学习途径,导致我国相关工程建设仍处于摸索阶段。为了填补我国在地下水封能源储备洞库工程中的空白,实现伟大的中国梦,鉴于地下水封洞库的特殊工程性质,开展针对性的工程地质实践和优化设计应用研究具有重要的工程意义和战略价值。本论文结合国家石油储备三期工程拟建的某地下水封洞库项目(设计库容为300万m3),针对地下水封洞库的特殊工程性质,在洞库区现场系统地开展了工程地质、水文地质调查与测绘、工程钻探、工程物探、相关原位测试和水文地质试验,在实验室内实施了大量的室内岩体物理力学试验,最终明确了本地下水封洞库区的工程地质特征、水文地质特征:库址区主要建库岩体为二叠纪中期二长花岗岩、闪长岩和白垩纪晚期花岗斑岩,发育4条断层、9条破碎带,并存在明显的岩性接触带,库址区主要有4组优势节理面,最大主应力方向为NW308°;洞库区地下水类型主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水,岩体的渗透系数一般为10-5～10-3m/d,渗透系数随深度的变化呈现四种类型;综合判定,库址区岩体等级以Ⅲ级、Ⅱ级为主。基于洞库区工程地质条件、水文地质条件特征分析研究和洞库岩体空间分布特征研究的基础上,从地下洞室群围岩稳定性的角度出发,采用定性(工程地质分析)和定量(块体理论和数值分析)的方法,从水封洞库工程主洞室平面布置范围、埋置深度、主轴线方向、洞室断面形状和洞室间距等多方面研究了地下水封洞库工程的空间布置优化设计,最终形成该地下水封洞库工程的空间布置优化设计方案:在充分分析洞库工程地质、水文地质条件的基础上,确定主洞室顶板标高为-100m、主轴线方向为NW300°、断面形式为直墙圆拱形、洞室间距为1.5～2.0倍洞跨。本研究确定的地下水封洞库工程地质、水文地质条件分析方法、工程岩体分级方法和地下水封洞库工程空间布置优化设计方案,有力的支撑了拟建国家石油储备洞库工程的建设,对该地下水封洞库工程的建设和安全运营具有重要意义,同时,本文中建立的调查、研究方法亦能够对我国正在大力实施的地下水封能源(油、气)洞库工程的设计、建设提供有力指导和工程借鉴。