高内压洞室轴线确定方法

1.本发明涉及实现“碳达峰、碳中和”双目标的一种地下能源存储技术领域，特别涉及一种高内压洞室轴线确定方法，适用于压缩空气储能洞室，也适用于co2、天然气、氢气等高压储气洞室等应用场景。


背景技术：

2.实现碳达峰目标的首要措施就是减少化石能源的使用，增加风电、光伏电等绿色可再生能源的利用。风电、光伏电这些绿色可再生能源和传统的化石能源相比虽然更加环保，但是由于其具有间歇性和波动性的特点，导致发电的稳定性和持续性相对不足。为解决上述问题，就需要利用大规模储能技术，压缩空气储能就是一种很有推广前景的大规模储能技术。
3.压缩空气储能技术的大规模应用，需要有足够大的储气空间。其中，人工开挖的硬岩洞室具有选址灵活、地质适应强等优点，是压缩空气储能技术储存空间的重要选择。洞室开挖就涉及到了洞室轴线方向选择的问题，对于无高内压作用的一般洞室，主要的控制工况是洞室施工完成时的工况，为了充分发挥围岩的自稳能力、减少支护，洞室纵向轴线一般沿着与最大水平主应力方向呈较小角度的方向布置。例如：《水电站厂房设计规范nb/t35011-2013》中7.1.3条第2款中建议：洞室纵轴线走向应与地应力的最大主应力水平投影方向呈较小夹角(工程中水电站厂房的最大主应力投影方向一般就是最大水平主应力所在的方向)。2017年5月10日公开的申请号为201611016626.7、名称为《高地应力条件下大型洞室轴线选择方法》的专利，该方法同样认为洞室纵轴线应沿着与最大水平应力方向呈小角度的方向布置。此外，在洞室横截面轴线选择上，为了使得洞室横截面受力最小、减少支护，对于无高内压作用的一般洞室，通常将洞室横截面长轴的方向沿着横截面上地应力最大的方向布置。
4.但是对于压缩空气储能这类高内压洞室来说，洞室服役期间要承受高达5-10mpa的气体内压，决定其是否安全的主要控制工况是高内压运行工况而不是洞室施工完成时的工况。高内压运行工况下，较大的围岩压力不仅不会损害洞室的稳定，还可以平衡掉部分空气压力，从而更有利于洞室的稳定，因此，其洞室轴线的选择方法和一般洞室是不同的，但是目前对于这类高内压洞室轴线如何确定还未有相关报道。


技术实现要素：

5.为填补高内压洞室轴线确定方法的空白，本发明提供了一种针对压缩空气储能洞室这类高内压洞室轴线确定的方法。和一般洞室不同，高内压洞室的主要控制工况是高内压运行工况。高内压运行工况下，为了充分发挥围岩的自稳能力，在确定洞室施工、竣工和检修安全的前提下，本方法以地应力中最小水平主应力所在的方向作为参照标准，辅助考虑岩体主要结构面的影响，确定高内压洞室纵向轴线所在的方向为与最小水平主应力所在的方向的夹角不超过25
°
且与岩体主要结构面的走向最大限度接近的方向，高内压洞室横
截面的长轴所在的方向为洞室横截面上地应力最小的方向。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高内压洞室轴线确定方法，通过工程勘察获取拟建高内压洞室所在区域的地应力和岩体主要结构面的分布情况，以地应力中最小水平主应力所在的方向作为参照标准，辅助考虑岩体主要结构面的影响，确定高内压洞室纵向轴线所在的方向为与最小水平主应力所在的方向的夹角不超过25
°
且与岩体主要结构面的走向最大限度接近的方向；根据高内压洞室纵向轴线所在的方向，在高内压洞室横截面上，确定长轴所在的方向应与最小地应力的方向一致。
7.本发明高内压洞室轴线确定方法的原理是：(1)充分利用围岩压力平衡空气内压：在以最小水平主应力方向作为高内压洞室纵向轴线所在的方向的参照标准，将高内压洞室纵向轴线所在的方向定为与最小水平主应力所在的方向的夹角不超过25
°
且与岩体主要结构面的走向最大限度接近的方向，可以使洞室横截面上围岩压力最大，以最大程度地利用围岩压力平衡空气内压；(2)尽量减少岩体主要结构面的张开度：当高内压洞室纵向轴线所在的方向和岩体主要结构面的走向最大限度接近时，在高内压作用下岩体主要结构面将被压密，岩体主要结构面压密后洞室的密封性会更好。此外，对于压缩空气储能洞室来说，由于高内压的作用，即使洞室纵向轴线所在的方向和岩体主要结构面的走向最大限度接近时，在高内压工况下洞室也不会发生围岩沿着结构面滑移破坏的情况。
8.作为优选，上述高内压洞室轴线确定方法具体包括以下步骤：
9.(1)通过工程勘察获取拟建高内压洞室所在区域的地应力和岩体主要结构面的分布情况，即三个主应力的大小、方向以及岩体主要结构面的走向和倾角，其中，三个主应力为最小水平主应力sh、最大水平主应力sh和垂直主应力sv；
10.(2)根据最小水平主应力sh的方向，初步确定高内压洞室纵向轴线所在的方向的范围是与最小水平主应力sh所在的方向的夹角不大于的范围；
11.(3)结合岩体主要结构面的分布情况对高内压洞室纵向轴线的方向进行确定，假设岩体主要结构面走向与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为δ，在的情况下，确定与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为δ的方向即为高内压洞室纵向轴线所在的方向；在的情况下，确定与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为的方向即为高内压洞室纵向轴线所在的方向；
12.(4)根据高内压洞室纵向轴线所在的方向，确定高内压洞室横截面上长轴所在的方向，在高内压洞室横截面上，长轴所在的方向应与最小地应力的方向一致：假设与高内压洞室纵向轴线垂直的横截面为平面a，平面a与水平面的交线为l，最大水平主应力sh和交线l的夹角为α，最小水平主应力sh和交线l的夹角为β，则在平面a上沿交线l方向的地应力σv＝s
h cosα-s
h cosβ，在σv》sv的情况下，sv是横截面上地应力的最小值，因此，横截面的长轴所在的方向沿着sv所在的方向布置，反之，σv是横截面上地应力的最小值，横截面的长轴所在的方向沿着σv所在的方向布置。
13.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
14.1、本发明颠覆了传统无高内压作用洞室轴线确定方法的认知，提供了一种针对压缩空气储能这类高内压洞室轴线确定的有效方法；
15.2、本发明提供的洞室轴线确定方法可以使洞室横截面上的围岩压力最大，充分利用地层中的围岩压力平衡储气洞室内的空气压力，更加有利于洞室结构的稳定；
16.3、本发明提供的洞室轴线确定方法可以尽量减少围岩中结构面的张开度，更加有利于高内压储气洞室的密封。
附图说明
17.图1为实施例中初步确定的高内压洞室纵向轴线所在的方向的范围；
18.图2为实施例中最终确定的高内压洞室纵向轴线所在的方向；
19.图3为实施例中高内压洞室横截面的长轴所在的方向确定过程中的位置关系。
具体实施方式
20.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
21.实施例：一种高内压洞室轴线确定方法，通过工程勘察获取拟建高内压洞室所在区域的地应力和岩体主要结构面的分布情况，以地应力中最小水平主应力所在的方向作为参照标准，辅助考虑岩体主要结构面的影响，确定高内压洞室纵向轴线所在的方向为与最小水平主应力所在的方向的夹角不超过25
°
且与岩体主要结构面的走向最大限度接近的方向；根据高内压洞室纵向轴线所在的方向，在高内压洞室横截面上，确定长轴所在的方向应与最小地应力的方向一致。
22.上述方法具体包括以下步骤：
23.(1)通过工程勘察获取拟建高内压洞室所在区域的地应力和岩体主要结构面(断层、裂隙、节理、层面)的分布情况，即三个主应力的大小、方向以及岩体主要结构面的走向和倾角，其中，三个主应力为最小水平主应力sh、最大水平主应力sh和垂直主应力sv；
24.(2)根据最小水平主应力sh的方向，初步确定高内压洞室纵向轴线所在的方向的范围是与最小水平主应力sh所在的方向的夹角不大于的范围，
25.(3)结合岩体主要结构面的分布情况对高内压洞室纵向轴线的方向进行确定，假设岩体主要结构面走向与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为δ，在的情况下，确定与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为δ的方向即为高内压洞室纵向轴线所在的方向；在的情况下，确定与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为的方向即为高内压洞室纵向轴线所在的方向；
26.(4)根据高内压洞室纵向轴线所在的方向，确定高内压洞室横截面上长轴所在的方向，在高内压洞室横截面上，长轴所在的方向应与最小地应力的方向一致：假设与高内压洞室纵向轴线垂直的横截面为平面a，平面a与水平面的交线为l，最大水平主应力sh和交线l的夹角为α，最小水平主应力sh和交线l的夹角为β，则在平面a上沿交线l方向的地应力σv＝s
h cosα-s
h cosβ，在σv》sv的情况下，sv是横截面上地应力的最小值，因此，横截面的长轴所在的方向沿着sv所在的方向布置，反之，σv是横截面上地应力的最小值，横截面的长轴所在的方向沿着σv所在的方向布置。
27.本实施例中，主要结构面的走向与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为40
°
(即δ的角度为40
°
)，的取值为25
°
，因而步骤(2)中初步确定洞室轴线所在的方向的范围是与最小水平主应力sh所在的方向的夹角不大于25
°
的范围，即图1中最小水平主应力sh所在的方向
±
25
°
的范围。由于因而确定与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为(即25
°
)的方向即为洞室轴线所在的方向，如图2所示。图3为实施例中高内压洞室横截面的长轴所
在的方向确定过程中的位置关系。
28.为了验证本发明高内压洞室轴线确定方法和一般洞室轴线确定方法的不同，特设计四个试验方案进行对比，洞室形式为横截面为圆形的隧道。
29.四个方案采用相同的地应力数据和围岩物理力学参数，如表1和表2所示。四个方案的洞室尺寸相同，围岩的本构模型均采用摩尔-库伦本构模型。其中方案一和方案二的边界条件相同，洞室施工完成后不施加空气内压，用来模拟一般无高内压作用的地下洞室；方案三和方案四的边界条件相同，洞室施工完成后施加10mpa的空气内压，用来模拟高内压洞室。方案一和方案三以最大水平主应力sh所在的方向(ne70
°
)为洞室纵向轴线方向；方案二和方案四以最小水平主应力sh所在的方向为洞室纵向轴线方向(ne160
°
)。计算过程在有限差分软件flac3d中进行。四种试验方案的计算结果如表3所示。由表3可知，方案一洞周最大位移和塑性区面积小于方案二，方案四的洞周最大位移和塑性区面积小于方案三，因此，对于无高内压作用的一般洞室，洞室纵向轴线方向沿着最大水平主应力方向优于最小水平主应力方向，但对于高内压作用的洞室来说，洞室纵向轴线方向沿着最小水平主应力方向优于沿着最大水平主应力方向(即洞室纵向轴线方向与最小水平主应力sh所在的方向的夹角为零)。
30.表1地应力数据
31.地应力类别大小/mpa走向最大水平主应力sh19.50ne70
°
最小水平主应力sh3.25ne160
°
垂向主应力sv6.50铅垂方向
32.表2围岩的物理力学参数
[0033][0034]
表3计算结果
[0035]