一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构的制作方法

本发明属于新能源储能，具体涉及压缩空气储能电站的高压地下储气库设计技术。

背景技术：

1、近年来，以风电、光伏发电为代表的新能源装机容量快速增加，而风能和太阳能存在间歇性强、波动性大的问题，发电侧出力的随机性、波动性和不可控性逐渐增强，亟需配套建设大规模储能系统来提升电网的新能源消纳能力和电力品质。压缩空气储能电站可以通过压缩机耗能和膨胀机做功，实现电能与高压空气的势能之间的转化，是一种实用的大规模储能技术。为了将高压气体安全储存起来，建设大容量的地下洞库是一种较优的选择，具有安全性好、容积大、占用地面少等显著优点。

2、目前国内外在建的人工地下洞室一般采用圆形钢材内衬，具有较好的承压能力和密封性。但其主要弊端在于，圆形钢衬的环向刚度大，在材料弹性范围内的允许变形能力小，使得其难以与外侧的混凝土和围岩变形协调，无法充分利用围岩的承载能力。

技术实现思路

1、为了克服现有圆形钢衬技术存在的缺点与不足，本发明提供一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，可以提高钢衬的环向弹性变形能力，将内部压力更多传递到围岩，提高围岩承载比，降低钢衬所需厚度，节省工程造价。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层；所述波形钢衬筒截面包括 n个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波和向外凸出的外波间隔排列，内波和外波的数量满足下式：，，式中为内波的数量，为外波的数量。

4、所述波形钢衬筒为基础圆形钢衬筒的变形，设基础圆的半径为 r。所述内波和外波的波形均为圆弧面，则外波的圆心到基础圆圆心的距离为 r1；内波的圆心到基础圆圆心的距离为 r2； r1和 r2满足下式：，，式中，△是所述内波圆心的外扩值和所述外波圆心的内缩值，用以表征波形的凸起或凹陷程度。为保证内波和外波相接的整体平顺性，△的取值范围为0.05 r~0.1 r。

5、进一步地，所述每个内波和外波对应的波形钢衬筒基础圆的圆心角相等，设为 θ，满足以下公式：，式中， θ取值为9°到18°之间。

6、进一步地，设外波的圆弧半径为 r1，圆心角为α；内波的圆弧半径为 r2，圆心角为 β，则 r1、 r2、α和 β满足以下公式：，，，，，式中， l为波形钢衬筒基础圆的圆心角对应的弦长。

7、进一步地，所述波形钢衬筒通过环向的变形膨胀将内压传递至外部围岩，自身仅起到密封作用，厚度可设置为取10mm~15mm。

8、进一步地，所述波形钢衬筒的内波和外波采用辊压成型。

9、作为优选，所述波形钢衬筒内侧设置有加劲环，加劲环间距 l为所述波形钢衬筒的基础圆半径 r的4~10倍，即： l=(4~10) r。

10、进一步地，所述回填混凝土衬砌层采用素混凝土，混凝土强度在c30以上，主要起到向围岩传递内压的作用。

11、进一步地，所述回填混凝土施工在所述波形钢衬筒安装后进行，平均厚度为0.8m~1m。

12、进一步地，所述喷混凝土层，采用钢纤维混凝土，厚度为8cm~20cm，主要用于储气洞开挖后的初期支护。

13、进一步地，所述一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，适用围岩的弹性模量 em满足下式： em≥10gpa。

14、进一步地，所述围岩开挖后，采用锚杆加强支护，所述锚杆在所述喷射混凝土层内侧露出10cm~20cm，用于加强与所述回填混凝土衬砌层的固定连接。

15、进一步地，所述一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，适用的波形钢衬筒基础圆半径范围为3m~10m。

16、本发明的有益效果是：

17、（1）本发明巧妙地利用了波形钢衬筒在环向的变形能力，可以尽量将内压传递至围岩承担，大大降低了钢材的用量，节省造价。

18、（2）本发明波形钢衬筒在洞外整体成型，洞内焊接工作量小，配合回填素混凝土；相比传统钢筋混凝土衬砌方式，可显著缩短工期。

技术特征：

1.一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层；

2.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，所述波形钢衬筒为基础圆形钢衬筒的变形，设基础圆半径为r；所述内波和外波的波形均为圆弧面，则外波的圆心到基础圆圆心的距离为r1；内波的圆心到基础圆圆心的距离为r2；r1和r2满足下式：，，式中，△是所述内波圆心的外扩值和所述外波圆心的内缩值，用以表征波形的凸起或凹陷程度，△的取值范围为0.05r~0.1r。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，每个内波和外波对应的波形钢衬筒后基础圆的圆心角相等，设为θ，满足以下公式：，式中，θ取值为9°到18°之间。

4.根据权利要求3所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，外波的圆弧半径为r1，圆心角为α；内波的圆弧半径为r2，圆心角为β，则r1、r2、α和β满足以下公式：，，，，，式中，l为波形钢衬筒基础圆的圆心角对应的弦长。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，波形钢衬筒通过环向的变形膨胀将内压传递至外部围岩，波形钢衬筒的厚度设置为取10mm~15mm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，波形钢衬筒基础圆半径适用范围为3m~10m。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，波形钢衬筒内侧设置有加劲环，加劲环间距l为所述波形钢衬筒的基础圆半径r的4~10倍，即：l=(4~10)r。

8.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，回填混凝土衬砌层采用素混凝土，混凝土强度在c30以上，所述回填混凝土施工在所述波形钢衬筒安装后进行，平均厚度为0.8m~1m。

9.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，适用围岩的弹性模量em满足下式：em≥10gpa，围岩开挖后，采用锚杆加强支护，所述锚杆在所述喷射混凝土层内侧露出10cm~20cm。

技术总结
本发明提供一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层。波形钢衬筒截面包括多个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波和向外凸出的外波间隔排列；每个内波和外波对应的大圆心角相等，且波形均为圆弧面；波形钢衬筒通过环向的变形膨胀将内压传递至外部围岩，自身仅起到密封作用；波形钢衬筒平均半径的适用范围为3m~10m。回填混凝土衬砌层采用素混凝土，在波形钢衬筒施工后进行回填。相比现有圆形衬砌结构，本发明具有钢材用量少，施工速度快等优点。

技术研发人员：陈平志,王鸿振,刘宁,周勇,韩月,张晓艳,马建力,钟大宁
受保护的技术使用者：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13