在循环热机械条件下，用于压缩空气储能的衬砌岩洞中围岩稳定性的评估

《Journal of Energy Storage》：Stability evaluation of surrounding rock in lined rock caverns under cyclic thermal-mechanical conditions for compressed air energy storage

针对压缩空气储能（CAES） lined rock cavern（LRC）的长期稳定性问题，本研究提出考虑平均主应力影响的疲劳力学模型，通过100次热力耦合模拟揭示温度“升降-再降-再升”循环规律及围岩主应力演化特征，发现围岩承载能力随循环次数衰减，控制衬层裂缝可优化应力传递。研究结果为LRC设计运营稳定性评估提供理论依据。

　　

贾文杰|王哲超|张武|李明辉

东北大学智能深部金属采矿与装备国家重点实验室，沈阳，110819，中国

摘要

衬砌岩洞（LRC）作为压缩空气储能（CAES）的关键设施，具有巨大的大规模潜力，然而其在循环载荷下的长期稳定性评估是一个重大挑战。为了解决这个问题，应用了一个考虑平均主应力对地质材料屈服影响的疲劳力学模型，以更好地捕捉其循环退化过程。经过100个操作周期的热机械耦合模拟显示，洞内温度呈现出“上升-下降-再下降-上升”的周期模式，在大约30个周期后趋于稳定。同时，周围岩石中的最大主应力也随之上升并在类似周期后稳定，这增加了储存过程中洞顶的拉伸破坏风险，尤其是在较弱的岩石中。此外，岩石的承压能力会随着循环次数的增加而逐渐下降。值得注意的是，控制混凝土衬砌的开裂可以增强应力向岩石的传递，从而提高系统的稳定性，而过度开裂可能会使岩石过载。本研究为设计和运营稳定的地下CAES系统提供了一个预测框架和实用指南。

引言

在“碳中和”的战略目标下，全球能源结构正在逐步转型，风能和太阳能等可再生能源正朝着高质量发展方向迈进。建立以可再生能源为主导的新电力系统已成为当前的一项关键任务。然而，可再生能源发电的间歇性和可变性使得电网难以实时吸收电力，导致电力资源的严重浪费。作为大规模、长时储能技术，压缩空气储能系统可以在电力过剩时期将电能转化为高压空气势能并储存在地下洞穴中，在电力短缺时释放出来用于发电。压缩空气储能系统有助于高效整合可再生能源，并支持新电力系统的建立。

CAES技术的发展对于通过削峰填谷来调节电网以及缓解与可再生能源整合相关的问题至关重要[1]、[2]。与传统未衬砌的岩洞相比，LRC具有更大的选址灵活性，因为它们不受严格的水文地质条件或大埋深要求的限制。这一优势在全球范围内引起了广泛的研究兴趣[3]、[4]、[5]、[6]。由于CAES固有的循环注气和生产操作，洞内温度和应力的实时变化会显著影响洞的稳定性。因此，研究循环热机械载荷下的应力和位移演变对于CAES洞的设计和运营阶段的稳定性评估至关重要。

在运营过程中，LRC承受着较高的内部气体压力，需要详细分析周围岩体在这种条件下的力学响应。结合数值模拟和实验方法的研究已经探讨了高压下储存洞的破坏模式，表明岩石裂纹的扩展主要与高内部压力引起的拉伸应力有关[7]。此外，还采用了缩比物理模型测试来研究高压下周围岩石中裂纹的起始和后续扩展方向[8]。对隧道型气体储存洞中应力和变形的数值分析建立了最大主应力、最大洞体应变与关键设计参数（如埋深和洞体体积）之间的相关性[9]、[10]。然而，这些先前的研究主要关注了高内部压力的影响，很大程度上忽略了循环注气-生产载荷的影响。

注气和生产过程涉及温度和压力的连续变化，导致洞内结构的应力重新分布复杂化。先前的研究表明，在单次注气-生产周期内，密封层和混凝土衬砌内的压力和温度呈现出特征性的“上升-下降-再下降-上升”变化趋势，其中温度波动主要局限于衬砌结构[11]、[12]、[13]、[14]。单周期内的拉伸应力演变遵循“减小-增加-再增加-减小”的模式，而径向应力和位移则呈现出一致的“增加-稳定-减小-稳定”趋势[15]、[16]、[17]。尽管这些研究成功识别了单周期内的变化趋势，但重要的是要认识到CAES洞在其整个运营寿命期间会经历多次循环注气和生产。多次循环载荷可能导致洞内各组件的累积疲劳损伤，因此需要在长期循环载荷条件下进行更全面的分析[18]、[19]、[20]。对循环载荷下衬砌洞内压力变化的分析显示，最大压缩应力和洞体位移随循环次数的增加而增加，而最大拉伸应力则呈现出相反的减小趋势[21]。对循环载荷下温度和压力变化的研究强调了由于节理和裂隙的存在而在节理硬岩体中产生的显著波动[22]。通过引入一个损伤因子来降低周围岩石的强度，进一步揭示了循环注气-生产操作期间衬砌洞的疲劳力学行为[23]、[24]、[25]。然而，这些研究没有考虑疲劳模型中的内部变量，特别是平均主应力，这对地质材料的屈服行为有显著影响。因此，需要一个更合适的本构模型来考虑这一效应。

本文提出了三个主要贡献：首先，本研究中使用的非线性运动硬化模型考虑了平均主应力对地质材料屈服行为的影响，使其更适合描述其疲劳特性；其次，对CAES衬砌岩洞在注气-生产周期内的热机械特性进行了全面分析；第三，提出了一种综合分析和评估方法用于运营稳定性评估。总体目标是为未来地下CAES衬砌岩洞项目的设计、建设和运营管理提供可靠的参考。

部分摘录

运营稳定性评估方法

LRC通常由一个圆形截面的隧道组成，主要包括钢衬砌、缓冲层、混凝土衬砌、周围岩石和排水系统。钢衬砌主要起到密封作用；由于其极低的渗透系数，它可以有效防止高压气体的泄漏。混凝土衬砌主要将气体压力传递给周围岩石，而缓冲层则用于减少

LRC静态稳定性分析模型

为了简化建模过程，将LRC理想化为一个圆形截面的隧道型结构，如图4所示。洞体被设计为轴向长度为50米的隧道型结构。为了最小化轴向方向的边界效应，数值模型的轴向长度也被设置为50米。建立的三维模型水平尺寸为250米，垂直高度为300米，LRC位于150米的埋深处。

循环注气-生产操作期间的温度分布

LRC的钢衬砌、混凝土衬砌和周围岩石中的应力和位移变化受两个主要因素的影响：压缩空气的内部压力以及通过这些结构部件的对流热传递和热传导引起的热应力。因此，全面分析LRC内的温度演变对于理解系统的热机械行为至关重要。有限元模拟

应力传递特性

钢衬砌、混凝土衬砌和周围岩石构成了衬砌岩洞系统的三个主要结构组成部分。在这些组成部分中，周围岩石作为最终的承重介质，承受了大部分内部气体压力。因此，最佳设计的目标是最大化传递给周围岩石并由其承受的内部压力比例。混凝土衬砌的主要破坏机制是

结论

本研究全面探讨了在压缩空气储能（CAES）运营过程中受到循环载荷影响的衬砌岩洞（LRC）的长期热机械稳定性。核心创新在于应用了一个疲劳力学模型，该模型明确考虑了平均主应力对地质材料屈服的影响，从而更真实地反映了周围岩石的循环强度退化过程。

CRediT作者贡献声明

王哲超：写作——审稿与编辑、软件、方法论。贾文杰：写作——初稿撰写、验证、软件、数据整理。张武：写作——审稿与编辑、软件。李明辉：写作——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。