摘要：

為了探究壓縮空氣儲(chǔ)能電站中大罐式儲(chǔ)氣洞室埋深和儲(chǔ)氣壓力變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，以山東蘭陵壓縮空氣儲(chǔ)能電站為例，對(duì)大罐式地下儲(chǔ)氣庫(kù)在不同埋深和儲(chǔ)氣壓力下圍巖的塑性區(qū)范圍及位移情況作了計(jì)算分析。結(jié)果表明：隨著埋深H的增大，洞室圍巖的塑性區(qū)范圍逐漸減小，趨于收斂，埋深的變化對(duì)洞室圍巖的位移影響較小，可忽略不計(jì)；隨著儲(chǔ)氣壓力P的增大，洞室圍巖的位移和塑性區(qū)范圍均呈線性增大，儲(chǔ)氣壓力的變化對(duì)變形的影響較大。工程實(shí)踐中應(yīng)主要考慮儲(chǔ)氣壓力對(duì)儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)及圍巖變形的影響，埋深對(duì)結(jié)構(gòu)和圍巖的敏感性相對(duì)較低，設(shè)計(jì)時(shí)選擇一個(gè)合理值即可。研究成果可為后續(xù)項(xiàng)目選址及設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：

壓縮空氣儲(chǔ)能； 大罐式儲(chǔ)氣洞室； 圍巖穩(wěn)定性； 儲(chǔ)氣壓力； 數(shù)值模擬

中圖法分類號(hào)：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.010

文章編號(hào)：1006-0081（2025）02-0057-04

0 引 言

壓縮空氣儲(chǔ)能電站作為一種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有儲(chǔ)能容量大、周期長(zhǎng)、單位千瓦投資小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是與抽水蓄能技術(shù)互為替代的具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)［1］。工作原理是在用電低谷時(shí)將多余的電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，把空氣壓縮進(jìn)容腔中儲(chǔ)存起來(lái)，待用電高峰時(shí)，釋放壓力進(jìn)而發(fā)電［2］。由于需要穩(wěn)定儲(chǔ)存高達(dá)數(shù)兆帕的高壓空氣以及巨大的儲(chǔ)存容積，成規(guī)模的壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)普遍采用地下洞室，常見的洞室形式有含水巖層、巖鹽容腔和人工開采洞室等。王富強(qiáng)等學(xué)者對(duì)國(guó)儲(chǔ)氣壓力縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況做了綜述［1，3-5］；孫冠華等學(xué)者針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能電站隧道式地下洞庫(kù)、水電洞室、鹽穴等地下工程問題和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析［2，6-9］，但就大罐式的地下洞庫(kù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)研究較少，僅有水電行業(yè)的地下洞庫(kù)研究作為參考［10-12］。

地下儲(chǔ)氣洞室主要通過(guò)向圍巖傳遞荷載，最終依靠洞室周圍巖體承受內(nèi)部氣體的高壓，如果上覆巖體的強(qiáng)度和重度不足以約束高壓造成的向上壓力，周圍巖體就會(huì)產(chǎn)生裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，本文針對(duì)埋深和儲(chǔ)氣壓力對(duì)地下儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，為壓縮空氣儲(chǔ)能人工洞室方案的制定提供參考。

1 工程概況及計(jì)算模型

1.1 工程概況

山東蘭陵壓縮空氣儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量規(guī)模為300 MW/400 MWh，擬采用地下大罐式人工洞庫(kù)方案。壓縮空氣儲(chǔ)能電站密封洞庫(kù)地下工程主要包括儲(chǔ)氣洞庫(kù)、交通隧洞、連接管道、排水系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，地下密封洞室擬建規(guī)模10萬(wàn)～45萬(wàn)m3，承受儲(chǔ)氣壓力10～18 MPa。大罐式密封洞庫(kù)埋設(shè)于弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖層中，共計(jì)2個(gè)洞庫(kù)對(duì)稱分布于山體下，最小埋深約150 m，凈空直徑為40 m；大罐式洞庫(kù)單個(gè)高度（H0）為62 m，2個(gè)密封洞庫(kù)的間距為200 m。大罐式洞庫(kù)布置如圖1所示。

1.2 材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，項(xiàng)目站址以弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖石為主，弱風(fēng)化層巖石厚度為30 m，弱風(fēng)化層下方是微風(fēng)化層。計(jì)算中強(qiáng)度和剛度參數(shù)均保守取值，選取地質(zhì)勘探資料中巖體參數(shù)的較小值，巖體密度取平均值。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和勘察報(bào)告中實(shí)測(cè)的彈性模量和變形模量關(guān)系，彈性模量取值為變形模量的1.5倍。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，剪脹角取值為內(nèi)摩擦角的一半，側(cè)壓力系數(shù)取值0.5。計(jì)算采用的材料參數(shù)見表1。

鋼筋混凝土襯砌厚度為0.4 m，混凝土密度2 500 kg/m3，楊氏模量29 GPa，泊松比0.25，抗壓強(qiáng)度25 MPa，抗拉強(qiáng)度1.5 MPa；鋼筋密度8 000 kg/m3，楊氏模量200 GPa，泊松比0.25，抗拉/抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值360 MPa。

1.3 邊界條件及計(jì)算模型

大罐式儲(chǔ)氣罐體由上下半球及中間圓柱組成，模型是一個(gè)典型的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故選取罐體和巖體的 1/4進(jìn)行建模，如圖2所示。其中，上下球半徑為20 m，中間圓柱長(zhǎng)度隨著洞室總高度變化。為消除模型邊界對(duì)數(shù)值結(jié)果的影響，根據(jù)圣維南原理，洞室邊界與模型邊界的距離宜取3～5倍洞室直徑。因此，模型的z方向總長(zhǎng)度400 m，x，y方向長(zhǎng)度均為150 m。邊界條件設(shè)置：側(cè)面邊界法向固定，對(duì)稱的側(cè)面施加對(duì)稱約束，底部邊界x，y和z三個(gè)方向固定位移，上表面處于自由狀態(tài)。荷載方面，先對(duì)計(jì)算模型施加重力荷載，進(jìn)而在襯砌施加之后，在襯砌內(nèi)表面施加法向壓力以模擬罐體儲(chǔ)氣后的受壓情況。

基于上述數(shù)值計(jì)算模型，不考慮二次襯砌的配筋，具體討論埋深H和儲(chǔ)氣壓力P對(duì)大罐式儲(chǔ)氣洞庫(kù)方案中圍巖變形和圍巖塑性損傷的影響?？紤]儲(chǔ)氣罐的施工過(guò)程和實(shí)際運(yùn)行情況，數(shù)值模擬主要分為以下4個(gè)步驟：① 初始地應(yīng)力平衡；② 待開挖巖體折減模擬開挖；③ 混凝土襯砌施加至應(yīng)力平衡；④ 施加內(nèi)部壓力模擬壓氣儲(chǔ)能過(guò)程。

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 埋深對(duì)圍巖的影響分析

為討論埋深H對(duì)大罐式儲(chǔ)氣罐及圍巖穩(wěn)定性的影響，選定儲(chǔ)氣壓力為10 MPa，埋深從75～250 m變化，每間隔25 m設(shè)置一種工況進(jìn)行模擬。為對(duì)開挖后巖體的注漿提供參考，計(jì)算各個(gè)工況下的塑性區(qū)范圍，得到不同埋深下大罐式儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)周邊圍巖的塑性區(qū)分布（圖3）和儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖塑性區(qū)范圍隨埋深H的變化曲線（圖4）。由圖3～4可知，隨著埋深的增大，儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖塑性區(qū)逐漸減小，曲線的斜率逐漸降低。當(dāng)洞室埋深較淺時(shí)，土體會(huì)形成貫通的塑性區(qū)，對(duì)巖體的擾動(dòng)較大；當(dāng)埋深逐漸增加時(shí)，巖石條件逐漸變好，巖體整體性更強(qiáng)，因而塑性區(qū)范圍逐漸減??；當(dāng)深度達(dá)到175 m時(shí)塑性區(qū)消失。

由儲(chǔ)氣罐圍巖位移隨埋深H的變化曲線（圖5）可知，曲線基本保持水平，說(shuō)明埋深對(duì)儲(chǔ)氣罐圍巖位移影響很小，大罐式儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)對(duì)埋深不敏感。不同埋深下得到的儲(chǔ)氣罐最大圍巖位移均為罐體中部洞墻部分的水平位移，最大值不超過(guò)10 mm，滿足工程對(duì)位移變形的要求。

2.2 儲(chǔ)氣壓力對(duì)圍巖的影響

為討論儲(chǔ)氣壓力對(duì)大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)穩(wěn)定性的影響，選定罐體埋深為100 m，最大儲(chǔ)氣壓力10～20 MPa，每間隔2 MPa設(shè)置一種工況進(jìn)行模擬。不同儲(chǔ)氣壓力條件下，大罐式儲(chǔ)氣洞室周邊圍巖塑性區(qū)分布情況如圖6所示。

大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖塑性區(qū)范圍隨儲(chǔ)氣壓力的變化曲線如圖7所示。隨著儲(chǔ)氣壓力的增大，大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖塑性區(qū)范圍呈線性增大，曲線的斜率基本保持不變。當(dāng)儲(chǔ)氣壓力達(dá)到18 MPa時(shí)，塑性區(qū)范圍達(dá)到20 m左右并穩(wěn)定，未出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，說(shuō)明由于巖體受到內(nèi)部氣壓時(shí)有整體變形的協(xié)調(diào)性，大罐式儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)在面對(duì)高壓時(shí)有著更強(qiáng)的適應(yīng)性。

由大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖位移隨儲(chǔ)氣壓力的變化曲線（圖8）可知，隨著儲(chǔ)氣壓力的增大，大罐式儲(chǔ)氣庫(kù)圍巖位移呈線性增大，曲線的斜率基本保持不變。當(dāng)儲(chǔ)氣壓力達(dá)到20 MPa時(shí)，儲(chǔ)氣庫(kù)頂部圍巖豎向位移、底部圍巖豎向位移和洞墻右側(cè)圍巖水平位移不超過(guò) 2 cm，仍滿足工程對(duì)變形的要求。

3 結(jié) 論

在壓縮空氣儲(chǔ)能人工洞室選址及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，罐體的埋深和儲(chǔ)氣壓力是決定儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)和圍巖響應(yīng)最關(guān)鍵的因素。本文以山東蘭陵壓縮空氣儲(chǔ)能電站大罐式地下儲(chǔ)氣庫(kù)為例，針對(duì)不同埋深和儲(chǔ)氣壓力下圍巖塑性區(qū)范圍及位移情況做了計(jì)算分析。結(jié)果表明：隨著埋深的增大，洞室圍巖的塑性區(qū)體積逐漸降低，趨于收斂，埋深的變化對(duì)洞室圍巖的位移影響很小，可忽略不計(jì)；隨著儲(chǔ)氣壓力的增大，洞室圍巖的位移和塑性區(qū)范圍均呈線性增大，儲(chǔ)氣壓力的變化對(duì)圍巖變形的影響較大。工程實(shí)踐中應(yīng)主要考慮儲(chǔ)氣壓力對(duì)儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)及圍巖變形的影響，其他參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)和圍巖的敏感性相對(duì)較低，設(shè)計(jì)時(shí)選擇一個(gè)合理值即可。研究成果可為后續(xù)項(xiàng)目選址及設(shè)計(jì)提供參考。

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（編輯：高小雲(yún)）

Stability analysis of surrounding rock in large tank gas storage cave

REN Zedong

（China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China）

Abstract： To investigate the impact of changes in the burial depth and gas storage pressure of the large tank gas storage chamber on the surrounding rock in a compressed air energy storage power station，we conducted calculations and analyses of the plastic zone range and displacement of the surrounding rock for the large tank underground gas storage reservoir in Lanling，Shandong under different burial depths and gas storage pressures.The results showed that as the burial depth H increased，the plastic zone volume of the surrounding rock of the tunnel gradually decreased and tended to converge.The change in burial depth had a little effect on the displacement of the surrounding rock of the tunnel and could be ignored.With the increase of storage pressure P，the displacement and plastic zone volume of the surrounding rock of the tunnel increased linearly，and the change in storage pressure had a significant impact on the deformation of the model.In engineering practice，the main consideration should be the influence of internal pressure on the deformation of gas storage structures and surrounding rocks.The sensitivity of burial depth to the structure and surrounding rocks was relatively low，and a reasonable value could be selected during design.The research result can provide a reference for subsequent project site selection and engineering practice.

Key words：

compressed air energy storage； large tank gas storage caves； stability of surrounding rock； gas storage pressure； numerical simulation