大罐式儲氣洞室圍巖穩定性分析

摘要：

為了探究壓縮空氣儲能電站中大罐式儲氣洞室埋深和儲氣壓力變化對圍巖穩定性的影響，以山東蘭陵壓縮空氣儲能電站為例，對大罐式地下儲氣庫在不同埋深和儲氣壓力下圍巖的塑性區范圍及位移情況作了計算分析。結果表明：隨著埋深H的增大，洞室圍巖的塑性區范圍逐漸減小，趨于收斂，埋深的變化對洞室圍巖的位移影響較小，可忽略不計；隨著儲氣壓力P的增大，洞室圍巖的位移和塑性區范圍均呈線性增大，儲氣壓力的變化對變形的影響較大。工程實踐中應主要考慮儲氣壓力對儲氣結構及圍巖變形的影響，埋深對結構和圍巖的敏感性相對較低，設計時選擇一個合理值即可。研究成果可為后續項目選址及設計提供參考。

關鍵詞：

壓縮空氣儲能； 大罐式儲氣洞室； 圍巖穩定性； 儲氣壓力； 數值模擬

中圖法分類號：TU457

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.010

文章編號：1006-0081（2025）02-0057-04

0 引 言

壓縮空氣儲能電站作為一種新型儲能系統，具有儲能容量大、周期長、單位千瓦投資小等優點，被認為是與抽水蓄能技術互為替代的具有廣闊發展前景的大規模儲能技術［1］。工作原理是在用電低谷時將多余的電能驅動壓縮機，把空氣壓縮進容腔中儲存起來，待用電高峰時，釋放壓力進而發電［2］。由于需要穩定儲存高達數兆帕的高壓空氣以及巨大的儲存容積，成規模的壓縮空氣儲能系統普遍采用地下洞室，常見的洞室形式有含水巖層、巖鹽容腔和人工開采洞室等。王富強等學者對國儲氣壓力縮空氣儲能技術研究現狀及應用情況做了綜述［1，3-5］；孫冠華等學者針對壓縮空氣儲能電站隧道式地下洞庫、水電洞室、鹽穴等地下工程問題和結構受力特點進行模擬分析［2，6-9］，但就大罐式的地下洞庫結構的受力特點研究較少，僅有水電行業的地下洞庫研究作為參考［10-12］。

地下儲氣洞室主要通過向圍巖傳遞荷載，最終依靠洞室周圍巖體承受內部氣體的高壓，如果上覆巖體的強度和重度不足以約束高壓造成的向上壓力，周圍巖體就會產生裂縫，從而影響結構的穩定性。因此，本文針對埋深和儲氣壓力對地下儲氣結構圍巖穩定性的影響進行分析，為壓縮空氣儲能人工洞室方案的制定提供參考。

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

山東蘭陵壓縮空氣儲能電站裝機容量規模為300 MW/400 MWh，擬采用地下大罐式人工洞庫方案。壓縮空氣儲能電站密封洞庫地下工程主要包括儲氣洞庫、交通隧洞、連接管道、排水系統及監測系統等，地下密封洞室擬建規模10萬～45萬m3，承受儲氣壓力10～18 MPa。大罐式密封洞庫埋設于弱風化、微風化巖層中，共計2個洞庫對稱分布于山體下，最小埋深約150 m，凈空直徑為40 m；大罐式洞庫單個高度（H0）為62 m，2個密封洞庫的間距為200 m。大罐式洞庫布置如圖1所示。

1.2 材料參數

根據地質勘探資料，項目站址以弱風化、微風化巖石為主，弱風化層巖石厚度為30 m，弱風化層下方是微風化層。計算中強度和剛度參數均保守取值，選取地質勘探資料中巖體參數的較小值，巖體密度取平均值。結合工程經驗和勘察報告中實測的彈性模量和變形模量關系，彈性模量取值為變形模量的1.5倍。依據工程經驗，剪脹角取值為內摩擦角的一半，側壓力系數取值0.5。計算采用的材料參數見表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，抗壓強度25 MPa，抗拉強度1.5 MPa；鋼筋密度8 000 kg/m3，楊氏模量200 GPa，泊松比0.25，抗拉/抗壓強度設計值360 MPa。

1.3 邊界條件及計算模型

大罐式儲氣罐體由上下半球及中間圓柱組成，模型是一個典型的軸對稱結構，故選取罐體和巖體的 1/4進行建模，如圖2所示。其中，上下球半徑為20 m，中間圓柱長度隨著洞室總高度變化。為消除模型邊界對數值結果的影響，根據圣維南原理，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方向總長度400 m，x，y方向長度均為150 m。邊界條件設置：側面邊界法向固定，對稱的側面施加對稱約束，底部邊界x，y和z三個方向固定位移，上表面處于自由狀態。荷載方面，先對計算模型施加重力荷載，進而在襯砌施加之后，在襯砌內表面施加法向壓力以模擬罐體儲氣后的受壓情況。

基于上述數值計算模型，不考慮二次襯砌的配筋，具體討論埋深H和儲氣壓力P對大罐式儲氣洞庫方案中圍巖變形和圍巖塑性損傷的影響。考慮儲氣罐的施工過程和實際運行情況，數值模擬主要分為以下4個步驟：① 初始地應力平衡；② 待開挖巖體折減模擬開挖；③ 混凝土襯砌施加至應力平衡；④ 施加內部壓力模擬壓氣儲能過程。

2 計算結果對比分析

2.1 埋深對圍巖的影響分析

為討論埋深H對大罐式儲氣罐及圍巖穩定性的影響，選定儲氣壓力為10 MPa，埋深從75～250 m變化，每間隔25 m設置一種工況進行模擬。為對開挖后巖體的注漿提供參考，計算各個工況下的塑性區范圍，得到不同埋深下大罐式儲氣結構周邊圍巖的塑性區分布（圖3）和儲氣庫圍巖塑性區范圍隨埋深H的變化曲線（圖4）。由圖3～4可知，隨著埋深的增大，儲氣庫圍巖塑性區逐漸減小，曲線的斜率逐漸降低。當洞室埋深較淺時，土體會形成貫通的塑性區，對巖體的擾動較大；當埋深逐漸增加時，巖石條件逐漸變好，巖體整體性更強，因而塑性區范圍逐漸減小；當深度達到175 m時塑性區消失。

由儲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，說明埋深對儲氣罐圍巖位移影響很小，大罐式儲氣結構對埋深不敏感。不同埋深下得到的儲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10 mm，滿足工程對位移變形的要求。

2.2 儲氣壓力對圍巖的影響

為討論儲氣壓力對大罐式儲氣庫穩定性的影響，選定罐體埋深為100 m，最大儲氣壓力10～20 MPa，每間隔2 MPa設置一種工況進行模擬。不同儲氣壓力條件下，大罐式儲氣洞室周邊圍巖塑性區分布情況如圖6所示。

大罐式儲氣庫圍巖塑性區范圍隨儲氣壓力的變化曲線如圖7所示。隨著儲氣壓力的增大，大罐式儲氣庫圍巖塑性區范圍呈線性增大，曲線的斜率基本保持不變。當儲氣壓力達到18 MPa時，塑性區范圍達到20 m左右并穩定，未出現塑性區貫通現象，說明由于巖體受到內部氣壓時有整體變形的協調性，大罐式儲氣結構在面對高壓時有著更強的適應性。

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

3 結 論

在壓縮空氣儲能人工洞室選址及結構設計中，罐體的埋深和儲氣壓力是決定儲氣結構和圍巖響應最關鍵的因素。本文以山東蘭陵壓縮空氣儲能電站大罐式地下儲氣庫為例，針對不同埋深和儲氣壓力下圍巖塑性區范圍及位移情況做了計算分析。結果表明：隨著埋深的增大，洞室圍巖的塑性區體積逐漸降低，趨于收斂，埋深的變化對洞室圍巖的位移影響很小，可忽略不計；隨著儲氣壓力的增大，洞室圍巖的位移和塑性區范圍均呈線性增大，儲氣壓力的變化對圍巖變形的影響較大。工程實踐中應主要考慮儲氣壓力對儲氣結構及圍巖變形的影響，其他參數對結構和圍巖的敏感性相對較低，設計時選擇一個合理值即可。研究成果可為后續項目選址及設計提供參考。

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（編輯：高小雲）

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