中國儲能網(wǎng)訊：本文亮點(diǎn)：（1）提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)基本流程，即場址識別，規(guī)劃比選站點(diǎn)初選，推薦站點(diǎn)綜合評估。
摘 要 抽水蓄能和新型儲能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(chǔ)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)模化、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(shè)形勢和要求，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、儲氣庫布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方法，為壓縮空氣儲能電站淺埋人工儲氣洞庫設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
關(guān)鍵詞 壓縮空氣儲能；淺埋人工儲氣洞庫；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)理念；基本方法
實(shí)現(xiàn)碳達(dá)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(wù)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(chǔ)裝備，對推動能源綠色轉(zhuǎn)型、保障能源安全、促進(jìn)能源高質(zhì)量發(fā)展、支撐應(yīng)對氣候變化目標(biāo)實(shí)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(shè)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(jī)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(dá)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(yùn)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(yīng)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(shí)踐和應(yīng)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(shè)條件較復(fù)雜的大型抽水蓄能電站基本相當(dāng)，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(jià)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(qiáng)度大于30 MPa)巖層條件、采用淺埋、提高裝機(jī)規(guī)模和增大電站運(yùn)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(jì)指標(biāo)，降低電站的建設(shè)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(shè)計(jì)的主要原則、地質(zhì)勘查要求、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
1 基本設(shè)計(jì)理念
CAES淺埋人工儲氣洞庫的設(shè)計(jì)理論源于廣泛應(yīng)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(dān)；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(yīng)力，巖體可能沿天然裂隙發(fā)生劈裂導(dǎo)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(gè)或數(shù)個(gè)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(yùn)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(dǎo)至圍巖并均化圍巖局部應(yīng)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(shè)置專門的密封結(jié)構(gòu)層防止高壓氣體泄漏，在頻繁往復(fù)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(yīng)較CNG儲氣洞庫強(qiáng)。
本文借鑒LRC設(shè)計(jì)理論，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǔn)則，一般以洞庫的最小設(shè)計(jì)埋深控制；應(yīng)結(jié)合上覆巖層物理力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)面性狀、水文地質(zhì)條件及地應(yīng)力等，充分利用巖體自然賦存的強(qiáng)度條件，并結(jié)合工程規(guī)模和建筑物級別考慮合理的設(shè)計(jì)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(fù)雜環(huán)境和受力條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；應(yīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)的受力響應(yīng)，關(guān)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(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)局部應(yīng)力突變或變形失穩(wěn)導(dǎo)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(yùn)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(yīng)，保證儲氣洞庫的長期運(yùn)行安全；當(dāng)圍巖強(qiáng)度不足時(shí)，應(yīng)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(chǔ)，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(yīng)考慮檢修工況密封層獨(dú)自承受外壓下的變形穩(wěn)定，以及密封層材料在地下復(fù)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(yàn))項(xiàng)目實(shí)踐、理論分析、數(shù)值模擬研究等成果的基礎(chǔ)上，我國淺埋人工儲氣洞庫的設(shè)計(jì)體系正在逐步發(fā)展成熟的過程中。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括儲氣洞庫選址、儲氣庫布置選擇(埋深設(shè)計(jì)、平/立面布置型式、斷面型式及主要尺寸等)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圍巖穩(wěn)定分析、開挖支護(hù)設(shè)計(jì)、襯砌及密封設(shè)計(jì)等)、灌漿防滲設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測設(shè)計(jì)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(guān)鍵性比選因素，局部穩(wěn)定一般通過儲氣庫布置比選和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來解決，循環(huán)穩(wěn)定和密封層穩(wěn)定是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封材料選擇和安全監(jiān)測設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)注的重點(diǎn)。
圖2 人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理念
2 國內(nèi)外試驗(yàn)庫及類似工程實(shí)踐
2.1 瑞典LRC高壓儲氣試驗(yàn)庫
瑞典自20世紀(jì)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(yàn)工作。
位于瑞典中部的Grangesberg試驗(yàn)庫(1989—1993年)由三個(gè)內(nèi)襯巖洞試驗(yàn)室和一套隧道系統(tǒng)組成，如圖3(a)所示，三個(gè)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(jìn)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(shè)計(jì)壓力范圍為2～20 MPa，壓力測試階段進(jìn)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(yùn)營，自2004年至今已20年。
圖3 瑞典LRC儲氣試驗(yàn)庫布置示意：(a) Grangesberg試驗(yàn)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(yàn)庫
2011年韓國地球科學(xué)和礦產(chǎn)資源研究所(KIGAM)在韓國某礦區(qū)開展了一項(xiàng)CAES的人工儲氣試驗(yàn)庫試點(diǎn)測試，埋深100 m，圍巖為石灰?guī)r，洞庫內(nèi)徑5 m，設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)基于試驗(yàn)庫的成果，開展了大量數(shù)值仿真模擬計(jì)算，他們強(qiáng)調(diào)了在熱力學(xué)和地質(zhì)力學(xué)耦合仿真分析中，按照實(shí)際施工時(shí)序和運(yùn)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(yàn)庫受力特性，論證了硬巖地層中建設(shè)人工儲氣洞庫的可行性。
圖4 韓國CAES地下試驗(yàn)庫
2.3 湖南平江CAES地下試驗(yàn)庫
中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司和長沙理工大學(xué)聯(lián)合建造了我國第一個(gè)淺埋襯砌巖穴地下儲氣試驗(yàn)庫(試驗(yàn)庫系統(tǒng)示意圖見圖5)。該試驗(yàn)庫圍巖主要由花崗巖和花崗片麻巖組成，試驗(yàn)庫埋深約110 m，長5 m，內(nèi)徑2.9 m，設(shè)置混凝土襯砌和密封層，設(shè)計(jì)最大壓力10.0 MPa。該試驗(yàn)進(jìn)行了循環(huán)加卸載，實(shí)測數(shù)據(jù)分析成果表明：當(dāng)淺埋人工儲氣洞庫建造在圍巖質(zhì)量好的巖層中時(shí)，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(yàn)證了在花崗巖地層中建設(shè)淺埋人工儲氣洞庫的可行性。
圖5 湖南平江試驗(yàn)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(lǐng)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(shè)計(jì)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(zhǔn)則的要求，即埋深必須滿足大于挪威準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)公式，如式(1)計(jì)算的最小上覆巖體厚度、洞內(nèi)最大設(shè)計(jì)氣(水)壓小于圍巖最小地應(yīng)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(fù)核上覆巖體的抗抬穩(wěn)定。
式中，H0為氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)最大靜水頭，F(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)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(lǐng)域地下結(jié)構(gòu)技術(shù)特征對比
①：為目前統(tǒng)計(jì)的國內(nèi)硬巖條件下CAES地下儲氣庫前期設(shè)計(jì)的統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)則的要求，CAES人工儲氣洞庫深埋的工程代價(jià)卻可能成為制約項(xiàng)目決策的關(guān)鍵性因素。以最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓10 MPa為例，據(jù)挪威準(zhǔn)則估算的地下儲氣洞庫的最小埋深要達(dá)到500～550 m。儲存介質(zhì)為水或汽水混合體時(shí)，高內(nèi)壓地下結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要解決的關(guān)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(dǎo)致的巖體劈裂。充分利用上覆巖體自重及強(qiáng)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(shí)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(shí)上，在水電工程的地下高壓洞室設(shè)計(jì)中，當(dāng)不具備深埋條件或者深埋方案工程代價(jià)過高時(shí)，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(rèn)識
綜合國內(nèi)外地下高壓儲氣試驗(yàn)庫和水電領(lǐng)域地下高壓洞室工程等實(shí)踐，可以得出以下初步認(rèn)識：
（1）LRC技術(shù)實(shí)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(yùn)行過程中地下儲氣庫的最大內(nèi)壓，要遠(yuǎn)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(guān)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(shí)際工程前期設(shè)計(jì)采用的鋼襯厚度范圍與抽水蓄能壓力鋼管基本相當(dāng)(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(yīng)性，值得進(jìn)一步研究和實(shí)踐驗(yàn)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(shí)長、循環(huán)次數(shù)及壽命、響應(yīng)時(shí)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(diǎn)選址影響因素及流程也基本相同，需重點(diǎn)考慮區(qū)域地質(zhì)和地震、地層巖性、巖體力學(xué)特性等地質(zhì)條件以及土地所有權(quán)、環(huán)境保護(hù)、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(guān)規(guī)程、規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)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(jì)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(shè)有利地質(zhì)區(qū)塊及初擬站點(diǎn)。
（2）場址初選
通過資料收集和現(xiàn)場查勘，對各初擬站點(diǎn)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(shè)條件進(jìn)行普查，篩選出排序靠前站點(diǎn)并進(jìn)行場址概念設(shè)計(jì)、成本估算等，綜合分析選擇若干普查站點(diǎn)作為規(guī)劃比選站點(diǎn)。
（3）場址評估
對規(guī)劃比選站點(diǎn)按照規(guī)劃階段的深度要求開展勘察設(shè)計(jì)工作，初步查明站點(diǎn)工程地質(zhì)條件，復(fù)核環(huán)境保護(hù)區(qū)、居民生活區(qū)、場地產(chǎn)權(quán)等限制性邊界條件，驗(yàn)證場地工程建設(shè)可行性，并進(jìn)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(xué)特性等更是儲氣庫設(shè)計(jì)的重要輸入條件，因此查明儲氣庫工程地質(zhì)條件至關(guān)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(guān)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(yàn)，已形成較完善體系；國內(nèi)外基于CNG的發(fā)展，LRC的勘察、設(shè)計(jì)也取得了顯著進(jìn)展，結(jié)合上述地下工程勘察經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)CAES人工儲氣庫的埋深、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)特征；庫址區(qū)構(gòu)造分布范圍、性狀規(guī)模及組合關(guān)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(xué)成分和巖體滲透性；庫址區(qū)巖體、結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)性質(zhì)，巖體熱物理性質(zhì)；庫址區(qū)巖體地應(yīng)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(zhǔn)確地查明儲氣庫工程地質(zhì)條件，地質(zhì)勘查應(yīng)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(yàn)測試成果，同時(shí)地質(zhì)勘察工作應(yīng)與設(shè)計(jì)工作深度相適應(yīng)，逐步深入進(jìn)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(yīng)力)，洞室抗抬穩(wěn)定分析是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，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(xué)特性試驗(yàn)工作、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面及性狀統(tǒng)計(jì)工作，為復(fù)核儲氣庫上抬穩(wěn)定及襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)。
4 設(shè)計(jì)方法及要求
4.1 埋深設(shè)計(jì)
埋深設(shè)計(jì)是人工地下儲氣洞庫設(shè)計(jì)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(jì)性越差。在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)階段的推進(jìn)，應(yīng)結(jié)合地勘資料、洞庫群布置、洞室體型及斷面設(shè)計(jì)等，采用數(shù)值模擬等方法對上覆巖體的抗抬穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核。
設(shè)計(jì)最小埋深基于不同的假定估算方法各異，在實(shí)際工程中可結(jié)合工程特點(diǎn)、地質(zhì)情況和勘查設(shè)計(jì)深度選用，本文列舉其中兩種：Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則算法及剛性錐極限平衡模型算法。
（1）基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則的極限平衡算法
Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則認(rèn)為材料的破壞為剪切破壞，材料破壞包絡(luò)面上法向應(yīng)力σ與抗剪強(qiáng)度τ呈線性關(guān)系，不考慮第二主應(yīng)力的影響。它的優(yōu)點(diǎn)是表達(dá)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(qiáng)度準(zhǔn)則被廣泛應(yīng)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(shè)上覆巖體以豎直向剪切模式發(fā)生破壞，相應(yīng)的設(shè)計(jì)埋深安全系數(shù)計(jì)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(lǐng)域常用的大罐式(見4.2節(jié))洞庫，也有學(xué)者提出了類似計(jì)算公式。不同行業(yè)的設(shè)計(jì)體系中，對于巖體的黏聚力和摩擦力、排水系統(tǒng)的設(shè)置、地下水影響的考慮不同，安全評價(jià)體系也有所區(qū)別，選用時(shí)應(yīng)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(kuò)散角θ可取30°～45°，軟質(zhì)巖、裂隙發(fā)育或風(fēng)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(jì)算公式如式(3)，不考慮假定破壞面上的摩阻力，僅計(jì)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(jì)算假定和模型，巖體相關(guān)計(jì)算參數(shù)均需綜合考慮地勘深度和工程特點(diǎn)，控制安全系數(shù)應(yīng)考慮工程規(guī)模和建筑物級別，根據(jù)計(jì)算假定和模型綜合取值，并留有一定的安全裕度；并應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件、防滲排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電站運(yùn)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(shè)備提供，最大上抬壓力的放大系數(shù)對埋深和結(jié)構(gòu)計(jì)算影響較大，建議謹(jǐn)慎取值，避免不必要的設(shè)計(jì)冗余；當(dāng)?shù)叵聝鈳煲远鄠€(gè)洞室系統(tǒng)布置時(shí)，應(yīng)充分考慮“群洞效應(yīng)”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(jìn)度、運(yùn)行維護(hù)條件等，根據(jù)工程的建設(shè)條件不同，控制因素有所區(qū)別。應(yīng)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(yīng)結(jié)合圍巖構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征、最大主應(yīng)力方向、巖石強(qiáng)度應(yīng)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(yīng)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(lǐng)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(yīng)結(jié)合工藝要求、地質(zhì)、施工及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)斷面。
（3）洞室間距。地下儲氣洞室的間距應(yīng)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(shè)及運(yùn)行期使用功能的前提下，儲氣洞室之間的合理間距應(yīng)能使洞室圍巖保持穩(wěn)定，其次應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理。洞室間距越大對圍巖穩(wěn)定越有利，但會導(dǎo)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(shè)計(jì)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(yùn)行檢修的成本及難度、施工條件、施工工期和經(jīng)濟(jì)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)?；⌒蔚倪B接洞段，需要注意洞線轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)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(yīng)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(dāng)多個(gè)洞室系統(tǒng)布置時(shí)，應(yīng)考慮“群洞效應(yīng)”，在埋深設(shè)計(jì)中取最不利破壞模式進(jìn)行復(fù)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(shè)計(jì)
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(fù)雜的物理場環(huán)境和受力情況?？刹捎美碚摻馕龇ㄅc數(shù)值模擬法相結(jié)合的方式，開展多維度計(jì)算分析來指導(dǎo)設(shè)計(jì)。主要關(guān)注的指標(biāo)包括圍巖應(yīng)力、變形、塑性區(qū)分布范圍及變化趨勢，襯砌及密封層的應(yīng)力、應(yīng)變，地面隆起變形等。相應(yīng)可以作為基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的指標(biāo)包括：埋深、洞室間距、斷面尺寸、襯砌厚度、材料強(qiáng)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(yùn)行工況，CAES的人工儲氣洞庫承擔(dān)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(xué)強(qiáng)度的要求?？山Y(jié)合工藝要求和布置，根據(jù)最大運(yùn)行氣壓、襯砌和圍巖力學(xué)性質(zhì)、地應(yīng)力條件和埋深等情況進(jìn)行分析計(jì)算，針對地質(zhì)缺陷部位優(yōu)化細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免局部應(yīng)力突變或變形失穩(wěn)。
（2）循環(huán)穩(wěn)定：考慮建造和運(yùn)行過程時(shí)序的熱力學(xué)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(yīng)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(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)。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(shè)計(jì)優(yōu)化，控制或避免在充放氣循環(huán)中圍巖塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)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(yīng)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(shè)計(jì)除了常規(guī)的密封塞、密封門之外，設(shè)計(jì)關(guān)注的密封層穩(wěn)定一般包括密封材料強(qiáng)度、密封層變形和耐久性。
（1）材料強(qiáng)度：當(dāng)密封層采用鋼襯時(shí)，一般選擇Mises準(zhǔn)則作為復(fù)雜應(yīng)力條件下的密封層強(qiáng)度準(zhǔn)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(shí)所受環(huán)向拉應(yīng)變不應(yīng)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(dú)承受外水壓力的情況，計(jì)算中應(yīng)考慮最不利工況，復(fù)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(fù)雜環(huán)境，在長期運(yùn)行過程中還需重點(diǎn)關(guān)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(yīng)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(shè)計(jì)使用年限應(yīng)不小于洞室的運(yùn)營年限。
另外，當(dāng)密封層采用高強(qiáng)鋼時(shí)，不宜開孔，回填及接縫灌漿建議采用埋管；監(jiān)測設(shè)計(jì)建議關(guān)注圍巖變形、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、氣體滲漏、外部滲透壓力、脫空變形、溫度等方面，同時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)，與壓縮天然氣儲存和水電工程地下高壓洞室技術(shù)領(lǐng)域有共通之處，也有獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，本文系統(tǒng)總結(jié)提出了其基本理念和設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。
（1）借鑒LRC設(shè)計(jì)理論，結(jié)合CAES技術(shù)特點(diǎn)，本文提出CAES人工儲氣洞庫的布置及洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)的CAES人工地下儲氣洞庫工程的密封層多采用鋼襯，設(shè)計(jì)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(jìn)一步研究和實(shí)踐驗(yàn)證。
（3）結(jié)合抽水蓄能電站選址經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外相關(guān)研究，本文提出CAES人工儲氣庫選址的三個(gè)基本流程，即場址識別、規(guī)劃比選站點(diǎn)初選、推薦站點(diǎn)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(yīng)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(guān)鍵設(shè)計(jì)，應(yīng)重視上覆巖體物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)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(shè)計(jì)提供切實(shí)、可靠的地質(zhì)依據(jù)。
（4）我國的淺埋人工儲氣洞庫的設(shè)計(jì)實(shí)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(yùn)行，推進(jìn)CAES的規(guī)模化、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(jìn)一步研究相應(yīng)的穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)體系，為工程勘察設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。
