中國儲能網(wǎng)訊：本文亮點：（1）提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設計的基本理念，即整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定和密封穩(wěn)定。（2）提出CAES人工儲氣庫選址的三個基本流程，即場址識別，規(guī)劃比選站點初選，推薦站點綜合評估。
摘 要 抽水蓄能和新型儲能是實現(xiàn)碳達峰碳中和，支撐以新能源為主體新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎裝備。壓縮空氣儲能(compressed air energy storage, CAES)是一種利用壓縮空氣作為介質(zhì)來儲存能量和發(fā)電的技術(shù)，是目前除抽水蓄能以外規(guī)模最大的物理儲能方式，而硬巖淺埋型人工儲氣洞庫選址靈活，具有規(guī)?；?、商業(yè)化的發(fā)展?jié)摿ΑＣ鎸ξ覈笾行蛪嚎s空氣儲能電站開發(fā)建設形勢和要求，結(jié)合國內(nèi)外相關研究和工程實踐經(jīng)驗，本文提出了硬巖條件下淺埋人工儲氣洞庫整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定和密封層穩(wěn)定的工程設計基本理念，總結(jié)提煉了洞庫選址及地質(zhì)勘探要求、埋深設計、儲氣庫布置、結(jié)構(gòu)設計、密封系統(tǒng)設計等方法，為壓縮空氣儲能電站淺埋人工儲氣洞庫設計提供借鑒和參考。
關鍵詞 壓縮空氣儲能；淺埋人工儲氣洞庫；穩(wěn)定性；設計理念；基本方法
實現(xiàn)碳達峰碳中和，努力構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系，是黨中央、國務院作出的重大決策部署。抽水蓄能和新型儲能是支撐新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎裝備，對推動能源綠色轉(zhuǎn)型、保障能源安全、促進能源高質(zhì)量發(fā)展、支撐應對氣候變化目標實現(xiàn)具有重要意義。壓縮空氣儲能(compressed air energy storage, CAES)是一種利用壓縮空氣作為介質(zhì)來儲存能量和發(fā)電的技術(shù)，具備建設工期短、受地形條件限制小等優(yōu)勢，是目前除抽水蓄能以外規(guī)模最大的物理儲能方式。膨脹機額定功率大于100 MW的大型CAES電站由于儲能所需的空間容積可達幾十萬方級，一般采用地下儲氣庫，包括鹽巖溶腔、廢棄礦洞和人工儲氣洞庫等不同形式。目前全球范圍內(nèi)投入商業(yè)運行的大型CAES電站(如德國Huntorf電站與美國McIntosh電站)均利用鹽巖溶腔作為儲氣庫。近年來，隨著我國CAES技術(shù)由示范應用階段逐步向規(guī)?；?、商業(yè)化階段發(fā)展，人工地下儲氣庫建造技術(shù)得到了實踐和應用，采用淺埋人工儲氣洞的壓縮空氣儲能電站單位千瓦靜態(tài)投資已與建設條件較復雜的大型抽水蓄能電站基本相當，并優(yōu)于中小型抽水蓄能電站。
人工儲氣洞庫埋深越大，建造技術(shù)難度越大，造價越高。國內(nèi)外CAES地下儲氣庫已有的研究成果表明，人工地下儲氣庫選址靈活，硬巖巖層的人工儲氣洞庫可以淺埋。選擇硬巖(巖石單軸飽和抗壓強度大于30 MPa)巖層條件、采用淺埋、提高裝機規(guī)模和增大電站運行壓力區(qū)間的方式可以改善人工儲氣洞庫一次性投資經(jīng)濟指標，降低電站的建設成本。
本文主要探討大中型CAES電站硬巖條件下淺埋人工儲氣洞庫布置及洞室結(jié)構(gòu)設計的主要原則、地質(zhì)勘查要求、設計方法和要求等基本理念，為大中型CAES電站淺埋人工儲氣洞庫設計提供借鑒和參考。
1 基本設計理念
CAES淺埋人工儲氣洞庫的設計理論源于廣泛應用于壓縮天然氣儲存(compressed natural gas, CNG)的地下大型襯砌洞室(lined rock caverns, LRC)技術(shù)(典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1)。LRC技術(shù)的主要原理：①巖洞內(nèi)的高氣壓荷載由圍巖承擔；②由于CNG洞室大多數(shù)情況內(nèi)部氣壓高于圍巖原始地應力，巖體可能沿天然裂隙發(fā)生劈裂導致氣體泄漏，因此必須保持內(nèi)襯的完整和氣密性；③由于洞室的埋深相對較淺，圍巖必須滿足一定穩(wěn)定條件，以限制高內(nèi)壓引起的整體性隆起變形。
圖1 LRC技術(shù)典型結(jié)構(gòu)示意圖
CAES人工儲氣洞庫通常由一個或數(shù)個儲氣庫及連接巷道組成，儲氣洞庫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和密封性能直接影響電站運行的安全性和可靠性。它的承壓和密封系統(tǒng)由保證氣體被約束在洞庫內(nèi)的密封層、將壓力傳導至圍巖并均化圍巖局部應變的襯砌層、與襯砌層協(xié)同作用承受主要內(nèi)壓荷載的圍巖體組成。CAES人工儲氣洞庫與CNG儲氣洞庫相同，需要設置專門的密封結(jié)構(gòu)層防止高壓氣體泄漏，在頻繁往復變化的溫度和壓力作用下，其圍巖及密封層結(jié)構(gòu)疲勞損傷效應較CNG儲氣洞庫強。
本文借鑒LRC設計理論，結(jié)合國內(nèi)外相關研究和實踐經(jīng)驗，提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設計的基本理念，即整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定和密封層穩(wěn)定。
（1）整體穩(wěn)定：主要指洞庫內(nèi)部高壓氣體作用下上覆巖體的抗抬穩(wěn)定性，是硬巖淺埋方案的首要穩(wěn)定準則，一般以洞庫的最小設計埋深控制；應結(jié)合上覆巖層物理力學特性、結(jié)構(gòu)面性狀、水文地質(zhì)條件及地應力等，充分利用巖體自然賦存的強度條件，并結(jié)合工程規(guī)模和建筑物級別考慮合理的設計安全裕度。
（2）局部穩(wěn)定：主要指圍巖-襯砌-密封層承壓系統(tǒng)的局部薄弱部位在復雜環(huán)境和受力條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；應結(jié)合地質(zhì)勘察工作，充分考慮地質(zhì)缺陷、端部半球形封頭等結(jié)構(gòu)薄弱部位，優(yōu)選合理的洞室布置方案，研究復合結(jié)構(gòu)的受力響應，關注最高內(nèi)壓下密封層與外圍結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，充分考慮密封層、襯砌層和圍巖不同的材料特性和優(yōu)勢，進行結(jié)構(gòu)設計，防止出現(xiàn)局部應力突變或變形失穩(wěn)導致的局部穩(wěn)定問題。
（3）循環(huán)穩(wěn)定：與CNG不同，CAES人工儲氣洞庫還需重視循環(huán)加卸載下的結(jié)構(gòu)和材料性能的穩(wěn)定可靠，主要包括隨著運行期高頻高幅循環(huán)加卸載，避免或控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展、襯砌結(jié)構(gòu)損傷累加和密封層材料疲勞效應，保證儲氣洞庫的長期運行安全；當圍巖強度不足時，應尤其注意密封層的屈曲或疲勞失效。
（4）密封層穩(wěn)定：密封性能的安全可靠，是儲氣洞庫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎，也是淺埋方案可以成立的重要前提，除了循環(huán)穩(wěn)定中提到的密封材料的疲勞問題，還應考慮檢修工況密封層獨自承受外壓下的變形穩(wěn)定，以及密封層材料在地下復雜環(huán)境的性能下降、耐久性等問題。
在CAES淺埋人工儲氣洞庫(試驗)項目實踐、理論分析、數(shù)值模擬研究等成果的基礎上，我國淺埋人工儲氣洞庫的設計體系正在逐步發(fā)展成熟的過程中。設計內(nèi)容主要包括儲氣洞庫選址、儲氣庫布置選擇(埋深設計、平/立面布置型式、斷面型式及主要尺寸等)、結(jié)構(gòu)設計(圍巖穩(wěn)定分析、開挖支護設計、襯砌及密封設計等)、灌漿防滲設計和安全監(jiān)測設計等。如圖2所示，整體穩(wěn)定通常由埋深控制，是儲氣洞庫選址階段的關鍵性比選因素，局部穩(wěn)定一般通過儲氣庫布置比選和細部結(jié)構(gòu)設計來解決，循環(huán)穩(wěn)定和密封層穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)設計、密封材料選擇和安全監(jiān)測設計時關注的重點。
圖2 人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設計基本理念
2 國內(nèi)外試驗庫及類似工程實踐
2.1 瑞典LRC高壓儲氣試驗庫
瑞典自20世紀80年代初開始，在發(fā)展壓縮天然氣儲存CNG的過程中，對LRC內(nèi)襯巖洞儲氣庫開展了大量研究、試驗工作。
位于瑞典中部的Grangesberg試驗庫(1989—1993年)由三個內(nèi)襯巖洞試驗室和一套隧道系統(tǒng)組成，如圖3(a)所示，三個內(nèi)襯巖洞(直立圓柱體，頂部與底部均為半球形，高9米、直徑4.4米)建于埋深50米的花崗巖中。其中的2號巖洞(內(nèi)襯6 mm碳鋼+瀝青滑動層+0.6 m混凝土襯砌)進行52 MPa的壓力測試，循環(huán)荷載超過200次，巖壁最大徑向變形為5.65 mm，混凝土襯砌發(fā)生了拉伸斷裂，但儲氣庫仍正常工作。3號巖洞(內(nèi)襯0.5 mm不銹鋼+0.3 m鋼筋混凝土襯砌)最大壓力約28 MPa，循環(huán)荷載91次，巖壁最大徑向變形為3.2 mm，但鋼筋混凝土襯砌仍然保持良好狀態(tài)。
Skallen天然氣示范電站(1998—2002年)的人工儲氣洞庫建于埋深115 m的片麻巖中[垂直剖面如圖3(b)所示]，高51 m，直徑35 m，儲氣容量40000 m3。設計壓力范圍為2～20 MPa，壓力測試階段進行最高22 MPa循環(huán)加載，最終僅產(chǎn)生5～6 mm的最大徑向位移，鋼襯密封性能良好。測試完成后，該電站投入瑞典天然氣管網(wǎng)商業(yè)運營，自2004年至今已20年。
圖3 瑞典LRC儲氣試驗庫布置示意：(a) Grangesberg試驗庫布局；(b) Skallen儲氣洞庫和隧道布置(垂直剖面)
2.2 韓國CAES地下試驗庫
2011年韓國地球科學和礦產(chǎn)資源研究所(KIGAM)在韓國某礦區(qū)開展了一項CAES的人工儲氣試驗庫試點測試，埋深100 m，圍巖為石灰?guī)r，洞庫內(nèi)徑5 m，設計最大內(nèi)壓5 MPa，密封及襯砌系統(tǒng)由6 mm鋼襯和0.5 m混凝土襯砌組成，如圖4所示。該研究團隊基于試驗庫的成果，開展了大量數(shù)值仿真模擬計算，他們強調(diào)了在熱力學和地質(zhì)力學耦合仿真分析中，按照實際施工時序和運行加卸載過程分步開展數(shù)值模擬的重要性；通過研究石灰?guī)r地層中淺埋地下儲氣試驗庫受力特性，論證了硬巖地層中建設人工儲氣洞庫的可行性。
圖4 韓國CAES地下試驗庫
2.3 湖南平江CAES地下試驗庫
中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司和長沙理工大學聯(lián)合建造了我國第一個淺埋襯砌巖穴地下儲氣試驗庫(試驗庫系統(tǒng)示意圖見圖5)。該試驗庫圍巖主要由花崗巖和花崗片麻巖組成，試驗庫埋深約110 m，長5 m，內(nèi)徑2.9 m，設置混凝土襯砌和密封層，設計最大壓力10.0 MPa。該試驗進行了循環(huán)加卸載，實測數(shù)據(jù)分析成果表明：當淺埋人工儲氣洞庫建造在圍巖質(zhì)量好的巖層中時，圍巖變形量小，變形影響范圍有限，洞室結(jié)構(gòu)安全性好，驗證了在花崗巖地層中建設淺埋人工儲氣洞庫的可行性。
圖5 湖南平江試驗庫系統(tǒng)示意圖
2.4 水電工程氣墊式調(diào)壓室和壓力管道
CAES儲氣庫的工作狀態(tài)與水電領域的氣墊式調(diào)壓室和壓力管道有類似之處(表1)。我國現(xiàn)行的水電工程設計規(guī)范對不襯砌(或非密封襯砌)的氣墊式調(diào)壓室和壓力管道的埋深均有三大基本準則的要求，即埋深必須滿足大于挪威準則經(jīng)驗公式，如式(1)計算的最小上覆巖體厚度、洞內(nèi)最大設計氣(水)壓小于圍巖最小地應力、圍巖滲透水力梯度滿足滲透穩(wěn)定要求。在此前提下，不必復核上覆巖體的抗抬穩(wěn)定。
式中，H0為氣墊式調(diào)壓室設計最大靜水頭，F(xiàn)為經(jīng)驗系數(shù)(一般取1.3～1.5)，圖片、圖片分別為水的重度和巖體重度，圖片為地形邊坡平均傾角。
表1 不同技術(shù)領域地下結(jié)構(gòu)技術(shù)特征對比
①：為目前統(tǒng)計的國內(nèi)硬巖條件下CAES地下儲氣庫前期設計的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
水電工程的地下高壓洞室，以及CAES地下鹽穴儲氣庫，由于埋深較大，通常能夠滿足挪威準則的要求，CAES人工儲氣洞庫深埋的工程代價卻可能成為制約項目決策的關鍵性因素。以最大設計內(nèi)壓10 MPa為例，據(jù)挪威準則估算的地下儲氣洞庫的最小埋深要達到500～550 m。儲存介質(zhì)為水或汽水混合體時，高內(nèi)壓地下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要解決的關鍵問題包括上覆巖體抬動、沿巖體裂隙的劈裂和滲透失穩(wěn)破壞。CAES儲氣庫中氣體儲存介質(zhì)不存在滲透失穩(wěn)問題，穩(wěn)定有效的密封層可以避免高壓氣體泄漏導致的巖體劈裂。充分利用上覆巖體自重及強度解決高內(nèi)壓作用下的上抬穩(wěn)定問題，儲氣洞室即可具備淺埋條件。國內(nèi)外大量LRC的實踐也證明了，高內(nèi)壓地下儲氣洞庫在硬巖條件下可以淺埋，密封層穩(wěn)定是其重要前提。事實上，在水電工程的地下高壓洞室設計中，當不具備深埋條件或者深埋方案工程代價過高時，淺埋的鋼罩式氣墊式調(diào)壓室和壓力鋼管也是常選擇的方案。
2.5 初步認識
綜合國內(nèi)外地下高壓儲氣試驗庫和水電領域地下高壓洞室工程等實踐，可以得出以下初步認識：
（1）LRC技術(shù)實踐表明，硬巖淺埋條件下高內(nèi)壓地下儲氣庫是可行的。CAES運行過程中地下儲氣庫的最大內(nèi)壓，要遠小于壓縮天然氣地下儲罐，但其內(nèi)壓循環(huán)加卸載頻率要高得多。CAES地下儲氣庫的研究分析需關注高頻循環(huán)荷載帶來的不利影響。
（2）我國目前CAES地下儲氣洞庫工程的密封層多采用鋼襯，實際工程前期設計采用的鋼襯厚度范圍與抽水蓄能壓力鋼管基本相當(見表1)，但對比壓縮天然氣地下儲罐的鋼襯厚度普遍偏厚，工程投資也相對更高。柔性薄鋼襯方案在CAES地下儲氣洞庫的適應性，值得進一步研究和實踐驗證。
3 選址及地質(zhì)勘探要求
3.1 儲氣庫洞庫選址
CAES從功率、充放電時長、循環(huán)次數(shù)及壽命、響應時間等特性與技術(shù)成熟的抽水蓄能電站具有很多相似性，其站點選址影響因素及流程也基本相同，需重點考慮區(qū)域地質(zhì)和地震、地層巖性、巖體力學特性等地質(zhì)條件以及土地所有權(quán)、環(huán)境保護、交通條件等因素的影響。本文借鑒我國抽水蓄能電站選址相關規(guī)程、規(guī)范及經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)外相關研究，提出人工儲氣洞庫CAES選址流程，即場址識別、場址初選、場址評估。
（1）場址識別
根據(jù)行政區(qū)域經(jīng)濟社會概況、能源資源概況、電力系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃以及儲能電站功能定位，確定CAES需求規(guī)模及電站區(qū)域規(guī)劃選址范圍。結(jié)合地形圖、遙感影像、區(qū)域地質(zhì)資料，篩選CAES建設有利地質(zhì)區(qū)塊及初擬站點。
（2）場址初選
通過資料收集和現(xiàn)場查勘，對各初擬站點的基本地質(zhì)條件、環(huán)境影響、工程布置及施工交通等建設條件進行普查，篩選出排序靠前站點并進行場址概念設計、成本估算等，綜合分析選擇若干普查站點作為規(guī)劃比選站點。
（3）場址評估
對規(guī)劃比選站點按照規(guī)劃階段的深度要求開展勘察設計工作，初步查明站點工程地質(zhì)條件，復核環(huán)境保護區(qū)、居民生活區(qū)、場地產(chǎn)權(quán)等限制性邊界條件，驗證場地工程建設可行性，并進行工程投資匡算。
3.2 地質(zhì)勘察
從工程技術(shù)角度，人工儲氣洞庫的工程地質(zhì)條件是CAES選址的控制性條件之一，其中儲氣庫水文地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)面展布、性狀及上覆巖體、圍巖物理力學特性等更是儲氣庫設計的重要輸入條件，因此查明儲氣庫工程地質(zhì)條件至關重要。
CAES儲氣洞庫工程地質(zhì)勘查國內(nèi)外尚無可執(zhí)行明確規(guī)范，但人工開挖儲氣洞庫地質(zhì)勘查內(nèi)容、要求及關注的工程地質(zhì)問題與大型地下洞室工程是基本一致的。我國大型地下洞室勘察積累了豐富的工程經(jīng)驗，已形成較完善體系；國內(nèi)外基于CNG的發(fā)展，LRC的勘察、設計也取得了顯著進展，結(jié)合上述地下工程勘察經(jīng)驗，并根據(jù)CAES人工儲氣庫的埋深、結(jié)構(gòu)設計程序提出其主要地質(zhì)勘察內(nèi)容：區(qū)域地質(zhì)和地震；庫址區(qū)地形地貌及特征；庫址區(qū)地層巖性及分布范圍、巖體結(jié)構(gòu)、礦物和化學特征；庫址區(qū)構(gòu)造分布范圍、性狀規(guī)模及組合關系；庫址區(qū)水文地質(zhì)條件，特別是地下水類型、埋藏條件、水化學成分和巖體滲透性；庫址區(qū)巖體、結(jié)構(gòu)面物理力學性質(zhì)，巖體熱物理性質(zhì)；庫址區(qū)巖體地應力量級及方向；有害氣體和放射性物質(zhì)賦存；人工骨料儲量及質(zhì)量。
地下儲氣庫是CAES電站的重要組成部分，對于人工淺埋儲氣庫其工程地質(zhì)條件要求更高，為更直觀、更準確地查明儲氣庫工程地質(zhì)條件，地質(zhì)勘查應采用鉆探手段，宜優(yōu)先開展永臨結(jié)合的洞探工作，獲取原位試驗測試成果，同時地質(zhì)勘察工作應與設計工作深度相適應，逐步深入進行，逐步反饋地質(zhì)勘查成果。此外，與其他地下工程相比，CAES淺埋型儲氣庫埋深較淺且圍巖承載高洞室內(nèi)壓(高于原位巖體應力)，洞室抗抬穩(wěn)定分析是設計重點，因此各階段勘察工作均需重視洞室上覆巖體和圍巖物理力學特性試驗工作、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及性狀統(tǒng)計工作，為復核儲氣庫上抬穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)設計提供地質(zhì)依據(jù)。
4 設計方法及要求
4.1 埋深設計
埋深設計是人工地下儲氣洞庫設計流程中的重要環(huán)節(jié)，一般來說，埋深越大，施工難度越大、施工工期越長、經(jīng)濟性越差。在設計初期地勘深度受限的情況下，可采用理論解析法，根據(jù)上覆巖層分布估算最小埋深，為庫址選擇提供依據(jù)；隨著勘查設計階段的推進，應結(jié)合地勘資料、洞庫群布置、洞室體型及斷面設計等，采用數(shù)值模擬等方法對上覆巖體的抗抬穩(wěn)定性進行復核。
設計最小埋深基于不同的假定估算方法各異，在實際工程中可結(jié)合工程特點、地質(zhì)情況和勘查設計深度選用，本文列舉其中兩種：Mohr-Coulomb強度準則算法及剛性錐極限平衡模型算法。
（1）基于Mohr-Coulomb強度準則的極限平衡算法
Mohr-Coulomb強度準則認為材料的破壞為剪切破壞，材料破壞包絡面上法向應力σ與抗剪強度τ呈線性關系，不考慮第二主應力的影響。它的優(yōu)點是表達式簡單、物理意義明確、參數(shù)取值相對容易獲取，低圍壓條件下，Mohr-Coulomb強度準則被廣泛應用。
以圓形斷面的隧道式單洞為例，CAES人工儲氣洞庫在內(nèi)壓作用下的極限平衡剪切破壞型式如圖6所示，假設上覆巖體以豎直向剪切模式發(fā)生破壞，相應的設計埋深安全系數(shù)計算公式如式(2)。該公式中僅考慮了剪切面上的內(nèi)摩擦力，將黏聚力作為安全儲備。
圖6 受力簡圖1
針對CNG領域常用的大罐式(見4.2節(jié))洞庫，也有學者提出了類似計算公式。不同行業(yè)的設計體系中，對于巖體的黏聚力和摩擦力、排水系統(tǒng)的設置、地下水影響的考慮不同，安全評價體系也有所區(qū)別，選用時應系統(tǒng)考慮，避免簡單套用、誤用。
（2）剛性錐極限平衡模型算法
美國能源部對LRC的技術(shù)審查中采取的剛性錐極限平衡模型算法可供參考，其中擴散角θ可取30°～45°，軟質(zhì)巖、裂隙發(fā)育或風化巖體取低值。仍以圓截面的隧道式單洞為例(圖7)，該破壞模式為拉剪破壞，計算公式如式(3)，不考慮假定破壞面上的摩阻力，僅計入假定上抬范圍內(nèi)的巖土體自重。
圖7 受力簡圖2
不論采用何種計算假定和模型，巖體相關計算參數(shù)均需綜合考慮地勘深度和工程特點，控制安全系數(shù)應考慮工程規(guī)模和建筑物級別，根據(jù)計算假定和模型綜合取值，并留有一定的安全裕度；并應根據(jù)水文地質(zhì)條件、防滲排水系統(tǒng)的設計和電站運行，考慮地下水對工程的不利影響；CAES地下儲氣庫的上抬力由一定功率的設備提供，最大上抬壓力的放大系數(shù)對埋深和結(jié)構(gòu)計算影響較大，建議謹慎取值，避免不必要的設計冗余；當?shù)叵聝鈳煲远鄠€洞室系統(tǒng)布置時，應充分考慮“群洞效應”以及不同的破壞模式對上抬穩(wěn)定的不利影響。
4.2 儲氣庫布置
洞庫群布置包括軸線選擇、洞室體型及斷面、洞室間距等，主要考慮的因素包括：地形地質(zhì)條件、用地條件(與地面廠區(qū)的距離等)、施工交通與進度、運行維護條件等，根據(jù)工程的建設條件不同，控制因素有所區(qū)別。應通過優(yōu)選洞庫布置方案，盡量規(guī)避可能引起局部穩(wěn)定問題的地質(zhì)缺陷。
（1）軸線選擇。洞庫群軸線的選擇，主要取決于地質(zhì)條件，應結(jié)合圍巖構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、最大主應力方向、巖石強度應力比等因素，并考慮用地條件等綜合分析確定，可考慮與最大主應力大角度相交以抵抗高內(nèi)壓。
（2）洞室體型及斷面。目前CAES領域多采用隧道式洞室，一般由一系列(近)水平隧洞并通過連接巷道組合而成，多采用圓形斷面。儲氣洞室斷面形式和尺寸應結(jié)合工藝要求、地質(zhì)、施工及技術(shù)經(jīng)濟條件綜合考慮，在滿足安全穩(wěn)定的前提下，確定最優(yōu)經(jīng)濟斷面。
（3）洞室間距。地下儲氣洞室的間距應綜合考慮地質(zhì)條件、儲氣洞室與連接巷道的布置，在滿足洞室建設及運行期使用功能的前提下，儲氣洞室之間的合理間距應能使洞室圍巖保持穩(wěn)定，其次應經(jīng)濟合理。洞室間距越大對圍巖穩(wěn)定越有利，但會導致用地范圍的增加和投資的增大。淺埋人工儲氣洞庫的間距一般用安全凈距要求控制，目前我國CAES工程設計取值一般在3～5倍洞徑。
（4）洞線布置。對于隧道式洞室，其洞線布置通常也需要擬定不同的方案，結(jié)合工程地質(zhì)條件、運行檢修的成本及難度、施工條件、施工工期和經(jīng)濟性等，綜合比選確定。常見的洞線平面布置基本形式包括平行線形、矩形、環(huán)形、蛇形和套環(huán)形等(圖8)。弧形的連接洞段，需要注意洞線轉(zhuǎn)彎半徑應滿足結(jié)構(gòu)與施工的最小轉(zhuǎn)彎半徑要求；采用環(huán)形布置可以減少端部悶頭等結(jié)構(gòu)薄弱部位，對局部穩(wěn)定有利；“T”形洞段存在局部應力集中，建議盡量避免；對于儲氣規(guī)模較大的工程，也可考慮采用空間立體分層布置型式；當多個洞室系統(tǒng)布置時，應考慮“群洞效應”，在埋深設計中取最不利破壞模式進行復核。
圖8 儲氣洞室洞線布置形式示意：(a) 平行線形；(b) 蛇形；(c) 套環(huán)形；(d) 環(huán)形；(e) 矩形；(f) 空間立體形(垂向剖面)
4.3 結(jié)構(gòu)設計
CAES電站的儲能和發(fā)電過程中，伴隨著氣壓和溫度的變化，儲氣洞室結(jié)構(gòu)面臨復雜的物理場環(huán)境和受力情況。可采用理論解析法與數(shù)值模擬法相結(jié)合的方式，開展多維度計算分析來指導設計。主要關注的指標包括圍巖應力、變形、塑性區(qū)分布范圍及變化趨勢，襯砌及密封層的應力、應變，地面隆起變形等。相應可以作為基本結(jié)構(gòu)設計參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整的指標包括：埋深、洞室間距、斷面尺寸、襯砌厚度、材料強度等?？蓞⒖家韵聝煞矫嬉?。
（1）局部穩(wěn)定：在初期加壓和正常運行工況，CAES的人工儲氣洞庫承擔荷載的主體是圍巖，但密封層和襯砌層需要將高內(nèi)壓傳遞出去，并保持相互之間的協(xié)調(diào)變形，在此過程中密封層和襯砌層也會承壓和發(fā)生變形，均需滿足自身力學強度的要求?？山Y(jié)合工藝要求和布置，根據(jù)最大運行氣壓、襯砌和圍巖力學性質(zhì)、地應力條件和埋深等情況進行分析計算，針對地質(zhì)缺陷部位優(yōu)化細部結(jié)構(gòu)設計，避免局部應力突變或變形失穩(wěn)。
（2）循環(huán)穩(wěn)定：考慮建造和運行過程時序的熱力學耦合數(shù)值模擬可以反映循環(huán)加卸載對襯砌-圍巖結(jié)構(gòu)應力、變形及損傷的變化過程。有研究表明，襯砌裂縫開度越大，襯砌性能弱化程度越高，在圍巖強度不高或采用柔性密封材料的情況下，可能增大密封層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞的風險。建議結(jié)合圍巖劣化特性研究開展數(shù)值仿真分析，通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，控制或避免在充放氣循環(huán)中圍巖塑性區(qū)的進一步擴大以及襯砌結(jié)構(gòu)的損傷累加，并考慮密封材料疲勞效應的不利影響。
4.4 密封材料選擇及要求
目前，噴涂式高分子柔性密封材料仍處于研究階段，CAES地下儲氣庫多選用鋼襯密封，其密封系統(tǒng)設計除了常規(guī)的密封塞、密封門之外，設計關注的密封層穩(wěn)定一般包括密封材料強度、密封層變形和耐久性。
（1）材料強度：當密封層采用鋼襯時，一般選擇Mises準則作為復雜應力條件下的密封層強度準則；高內(nèi)壓加載過程中圍巖最大一次性變形下，密封層隨著圍巖變形時所受環(huán)向拉應變不應超過其變形極限。
（2）變形穩(wěn)定性：檢修期密封層可能存在單獨承受外水壓力的情況，計算中應考慮最不利工況，復核密封層的屈曲穩(wěn)定。
（3）耐久性：CAES人工儲氣洞庫處于地下復雜環(huán)境，在長期運行過程中還需重點關注地下水、溫度和壓力循環(huán)作用等引起的耐久性問題。密封結(jié)構(gòu)的正常使用壽命應充分考慮材料疲勞劣化和熱老化對耐久性的不利影響；密封系統(tǒng)的設計使用年限應不小于洞室的運營年限。
另外，當密封層采用高強鋼時，不宜開孔，回填及接縫灌漿建議采用埋管；監(jiān)測設計建議關注圍巖變形、結(jié)構(gòu)的應力應變、氣體滲漏、外部滲透壓力、脫空變形、溫度等方面，同時，應重視封堵體的監(jiān)測。
5 結(jié) 論
大中型CAES淺埋人工儲氣洞庫的地質(zhì)勘查和結(jié)構(gòu)設計，與壓縮天然氣儲存和水電工程地下高壓洞室技術(shù)領域有共通之處，也有獨有的技術(shù)特點，本文系統(tǒng)總結(jié)提出了其基本理念和設計方法，為設計提供借鑒和參考。
（1）借鑒LRC設計理論，結(jié)合CAES技術(shù)特點，本文提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設計的基本理念，即整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定和密封層穩(wěn)定。
（2）LRC技術(shù)實踐表明，硬巖淺埋條件下高內(nèi)壓地下儲氣庫是可行的。我國目前開展前期設計的CAES人工地下儲氣洞庫工程的密封層多采用鋼襯，設計鋼襯厚度普遍偏厚，工程投資也相對更高。柔性薄鋼襯方案的可行性，值得進一步研究和實踐驗證。
（3）結(jié)合抽水蓄能電站選址經(jīng)驗及國內(nèi)外相關研究，本文提出CAES人工儲氣庫選址的三個基本流程，即場址識別、規(guī)劃比選站點初選、推薦站點綜合評估；提出CAES人工開挖儲氣庫主要地質(zhì)勘察內(nèi)容，并指出地質(zhì)勘查應采用鉆探手段，宜優(yōu)先開展永臨結(jié)合的洞探工作。針對淺埋儲氣庫埋深關鍵設計，應重視上覆巖體物理力學參數(shù)試驗工作，查明是否存在影響整體穩(wěn)定的不利結(jié)構(gòu)面組合，為儲氣庫設計提供切實、可靠的地質(zhì)依據(jù)。
（4）我國的淺埋人工儲氣洞庫的設計實踐正在逐步發(fā)展成熟的過程中，為了保證工程長期安全運行，推進CAES的規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展，還需研究如何合理確定工程規(guī)模、人工儲氣洞庫的建筑物級別，并進一步研究相應的穩(wěn)定安全控制標準體系，為工程勘察設計提供可靠依據(jù)。
