据储能界了解到，实现碳达峰碳中和，努力构建清洁低碳、安全高效能源体系，是党中央、国务院作出的重大决策部署。抽水蓄能和新型储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备，对推动能源绿色转型、保障能源安全、促进能源高质量发展、支撑应对气候变化目标实现具有重要意义[1]。
压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)是一种利用压缩空气作为介质来储存能量和发电的技术，具备建设工期短、受地形条件限制小等优势，是目前除抽水蓄能以外规模最大的物理储能方式。膨胀机额定功率大于100 MW的大型CAES电站由于储能所需的空间容积可达几十万方级，一般采用地下储气库，包括盐岩溶腔、废弃矿洞和人工储气洞库[2]等不同形式。
近年来，随着我国CAES技术由示范应用阶段逐步向规模化、商业化阶段发展，人工地下储气库建造技术得到了实践和应用，采用浅埋人工储气洞的压缩空气储能电站单位千瓦静态投资已与建设条件较复杂的大型抽水蓄能电站基本相当，并优于中小型抽水蓄能电站。人工储气洞库埋深越大，建造技术难度越大，造价越高。国内外CAES地下储气库已有的研究成果[4-10]表明，人工地下储气库选址灵活，硬岩岩层的人工储气洞库可以浅埋。选择硬岩(岩石单轴饱和抗压强度大于30 MPa)岩层条件、采用浅埋、提高装机规模和增大电站运行压力区间的方式可以改善人工储气洞库一次性投资经济指标，降低电站的建设成本。
本文主要探讨大中型CAES电站硬岩条件下浅埋人工储气洞库布置及洞室结构设计的主要原则、地质勘查要求、设计方法和要求等基本理念，为大中型CAES电站浅埋人工储气洞库设计提供借鉴和参考。
1 基本设计理念
CAES浅埋人工储气洞库的设计理论源于广泛应用于压缩天然气储存(compressed natural gas CNG)的地下大型衬砌洞室(lined rock caverns,LRC)技术(典型结构示意图如图1)。
LRC技术的主要原理：①岩洞内的高气压荷载由围岩承担；②由于CNG洞室大多数情况内部气压高于围岩原始地应力，岩体可能沿天然裂隙发生劈裂导致气体泄漏，因此必须保持内衬的完整和气密性；③由于洞室的埋深相对较浅，围岩必须满足一定稳定条件，以限制高内压引起的整体性隆起变形[11]。
CAES人工储气洞库通常由一个或数个储气库及连接巷道组成，储气洞库的结构稳定和密封性能直接影响电站运行的安全性和可靠性。它的承压和密封系统由保证气体被约束在洞库内的密封层、将压力传导至围岩并均化围岩局部应变的衬砌层、与衬砌层协同作用承受主要内压荷载的围岩体组成。
CAES人工储气洞库与CNG储气洞库相同，需要设置专门的密封结构层防止高压气体泄漏，在频繁往复变化的温度和压力作用下，其围岩及密封层结构疲劳损伤效应较CNG储气洞库强。本文借鉴LRC设计理论，结合国内外相关研究和实践经验[11-15]，提出CAES人工储气洞库的布置及洞室结构设计的基本理念，即整体稳定、局部稳定、循环稳定和密封层稳定。
（1）整体稳定：主要指洞库内部高压气体作用下上覆岩体的抗抬稳定性，是硬岩浅埋方案的首要稳定准则，一般以洞库的最小设计埋深控制；应结合上覆岩层物理力学特性、结构面性状、水文地质条件及地应力等，充分利用岩体自然赋存的强度条件，并结合工程规模和建筑物级别考虑合理的设计安全裕度。
（2）局部稳定：主要指围岩-衬砌-密封层承压系统的局部薄弱部位在复杂环境和受力条件下的结构稳定性；应结合地质勘察工作，充分考虑地质缺陷、端部半球形封头等结构薄弱部位，优选合理的洞室布置方案，研究复合结构的受力响应，关注最高内压下密封层与外围结构的变形协调，充分考虑密封层、衬砌层和围岩不同的材料特性和优势，进行结构设计，防止出现局部应力突变或变形失稳导致的局部稳定问题。
（3）循环稳定：与CNG不同，CAES人工储气洞库还需重视循环加卸载下的结构和材料性能的稳定可靠，主要包括随着运行期高频高幅循环加卸载，避免或控制围岩塑性区发展、衬砌结构损伤累加和密封层材料疲劳效应，保证储气洞库的长期运行安全；当围岩强度不足时，应尤其注意密封层的屈曲或疲劳失效[4]。
（4）密封层稳定：密封性能的安全可靠，是储气洞库结构稳定的基础，也是浅埋方案可以成立的重要前提，除了循环稳定中提到的密封材料的疲劳问题，还应考虑检修工况密封层独自承受外压下的变形稳定，以及密封层材料在地下复杂环境的性能下降、耐久性等问题。
在CAES浅埋人工储气洞库(试验)项目实践、理论分析、数值模拟研究等成果的基础上，我国浅埋人工储气洞库的设计体系正在逐步发展成熟的过程中。设计内容主要包括储气洞库选址、储气库布置选择(埋深设计、平/立面布置型式、断面型式及主要尺寸等)、结构设计(围岩稳定分析、开挖支护设计、衬砌及密封设计等)、灌浆防渗设计和安全监测设计等。如图2所示，整体稳定通常由埋深控制，是储气洞库选址阶段的关键性比选因素，局部稳定一般通过储气库布置比选和细部结构设计来解决，循环稳定和密封层稳定是结构设计、密封材料选择和安全监测设计时关注的重点。
2 国内外试验库及类似工程实践
2.1 瑞典LRC高压储气试验库
瑞典自20世纪80年代初开始，在发展压缩天然气储存CNG的过程中，对LRC内衬岩洞储气库开展了大量研究、试验工作。
位于瑞典中部的Grangesberg试验库[11](1989—1993年)由三个内衬岩洞试验室和一套隧道系统组成，如图3(a)所示，三个内衬岩洞(直立圆柱体，顶部与底部均为半球形，高9米、直径4.4米)建于埋深50米的花岗岩中。其中的2号岩洞(内衬6 mm碳钢+沥青滑动层+0.6 m混凝土衬砌)进行52 MPa的压力测试，循环荷载超过200次，岩壁最大径向变形为5.65 mm，混凝土衬砌发生了拉伸断裂，但储气库仍正常工作。3号岩洞(内衬0.5 mm不锈钢+0.3 m钢筋混凝土衬砌)最大压力约28 MPa，循环荷载91次，岩壁最大径向变形为3.2 mm，但钢筋混凝土衬砌仍然保持良好状态。
Skallen天然气示范电站(1998—2002年)的人工储气洞库建于埋深115 m的片麻岩中[垂直剖面如图3(b)所示]，高51 m，直径35 m，储气容量40000 m3[13]。设计压力范围为2～20 MPa，压力测试阶段进行最高22 MPa循环加载，最终仅产生5～6 mm的最大径向位移，钢衬密封性能良好。测试完成后，该电站投入瑞典天然气管网商业运营，自2004年至今已20年。
2.2 韩国CAES地下试验库
2011年韩国地球科学和矿产资源研究所(KIGAM)在韩国某矿区开展了一项CAES的人工储气试验库[5-6]试点测试，埋深100 m，围岩为石灰岩，洞库内径5 m，设计最大内压5 MPa，密封及衬砌系统由6 mm钢衬和0.5 m混凝土衬砌组成，如图4所示。该研究团队基于试验库的成果，开展了大量数值仿真模拟计算[5-7]，他们强调了在热力学和地质力学耦合仿真分析中，按照实际施工时序和运行加卸载过程分步开展数值模拟的重要性；通过研究石灰岩地层中浅埋地下储气试验库受力特性，论证了硬岩地层中建设人工储气洞库的可行性。
2.3 湖南平江CAES地下试验库
中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司和长沙理工大学联合建造了我国第一个浅埋衬砌岩穴地下储气试验库[10,18](试验库系统示意图见图5)。该试验库围岩主要由花岗岩和花岗片麻岩组成，试验库埋深约110 m，长5 m，内径2.9 m，设置混凝土衬砌和密封层，设计最大压力10.0 MPa。该试验进行了循环加卸载，实测数据分析成果表明：当浅埋人工储气洞库建造在围岩质量好的岩层中时，围岩变形量小，变形影响范围有限，洞室结构安全性好，验证了在花岗岩地层中建设浅埋人工储气洞库的可行性。
2.4 水电工程气垫式调压室和压力管道
CAES储气库的工作状态与水电领域的气垫式调压室和压力管道有类似之处(表1)。我国现行的水电工程设计规范[16-17]对不衬砌(或非密封衬砌)的气垫式调压室和压力管道的埋深均有三大基本准则的要求，即埋深必须满足大于挪威准则经验公式，如式(1)计算的最小上覆岩体厚度、洞内最大设计气(水)压小于围岩最小地应力、围岩渗透水力梯度满足渗透稳定要求。在此前提下，不必复核上覆岩体的抗抬稳定。
式中，H0为气垫式调压室设计最大静水头，F为经验系数(一般取1.3～1.5)，γw、γR分别为水的重度和岩体重度，α为地形边坡平均倾角。
水电工程的地下高压洞室，以及CAES地下盐穴储气库，由于埋深较大，通常能够满足挪威准则的要求，CAES人工储气洞库深埋的工程代价却可能成为制约项目决策的关键性因素。以最大设计内压10 MPa为例，据挪威准则估算的地下储气洞库的最小埋深要达到500～550 m。储存介质为水或汽水混合体时，高内压地下结构整体稳定要解决的关键问题包括上覆岩体抬动、沿岩体裂隙的劈裂和渗透失稳破坏。CAES储气库中气体储存介质不存在渗透失稳问题，稳定有效的密封层可以避免高压气体泄漏导致的岩体劈裂。充分利用上覆岩体自重及强度解决高内压作用下的上抬稳定问题，储气洞室即可具备浅埋条件。国内外大量LRC的实践[5-10]也证明了，高内压地下储气洞库在硬岩条件下可以浅埋，密封层稳定是其重要前提。事实上，在水电工程的地下高压洞室设计中，当不具备深埋条件或者深埋方案工程代价过高时，浅埋的钢罩式气垫式调压室和压力钢管也是常选择的方案。
2.5 初步认识
综合国内外地下高压储气试验库和水电领域地下高压洞室工程等实践，可以得出以下初步认识：
（1）LRC技术实践表明，硬岩浅埋条件下高内压地下储气库是可行的。CAES运行过程中地下储气库的最大内压，要远小于压缩天然气地下储罐，但其内压循环加卸载频率要高得多。CAES地下储气库的研究分析需关注高频循环荷载带来的不利影响。
（2）我国目前CAES地下储气洞库工程的密封层多采用钢衬，实际工程前期设计采用的钢衬厚度范围与抽水蓄能压力钢管基本相当(见表1)，但对比压缩天然气地下储罐的钢衬厚度普遍偏厚，工程投资也相对更高。柔性薄钢衬方案在CAES地下储气洞库的适应性，值得进一步研究和实践验证。
3 选址及地质勘探要求
3.1 储气库洞库选址
CAES从功率、充放电时长、循环次数及寿命、响应时间等特性与技术成熟的抽水蓄能电站具有很多相似性，其站点选址影响因素及流程也基本相同，需重点考虑区域地质和地震、地层岩性、岩体力学特性等地质条件以及土地所有权、环境保护、交通条件等因素的影响。本文借鉴我国抽水蓄能电站选址相关规程、规范及经验，结合国内外相关研究，提出人工储气洞库CAES选址流程，即场址识别、场址初选、场址评估[19-21]。
（1）场址识别
根据行政区域经济社会概况、能源资源概况、电力系统现状和发展规划以及储能电站功能定位，确定CAES需求规模及电站区域规划选址范围。结合地形图、遥感影像、区域地质资料，筛选CAES建设有利地质区块及初拟站点。
（2）场址初选
通过资料收集和现场查勘，对各初拟站点的基本地质条件、环境影响、工程布置及施工交通等建设条件进行普查，筛选出排序靠前站点并进行场址概念设计、成本估算等，综合分析选择若干普查站点作为规划比选站点。
（3）场址评估
对规划比选站点按照规划阶段的深度要求开展勘察设计工作，初步查明站点工程地质条件，复核环境保护区、居民生活区、场地产权等限制性边界条件，验证场地工程建设可行性，并进行工程投资匡算。
3.2 地质勘察
从工程技术角度，人工储气洞库的工程地质条件是CAES选址的控制性条件之一，其中储气库水文地质条件，结构面展布、性状及上覆岩体、围岩物理力学特性等更是储气库设计的重要输入条件，因此查明储气库工程地质条件至关重要[15,22]。
CAES储气洞库工程地质勘查国内外尚无可执行明确规范，但人工开挖储气洞库地质勘查内容、要求及关注的工程地质问题与大型地下洞室工程是基本一致的。我国大型地下洞室勘察积累了丰富的工程经验，已形成较完善体系；国内外基于CNG的发展，LRC的勘察、设计也取得了显著进展[11-12,23]，结合上述地下工程勘察经验，并根据CAES人工储气库埋深、结构设计程序提出其主要地质勘察内容：区域地质和地震；库址区地形地貌及特征；库址区地层岩性及分布范围、岩体结构、矿物和化学特征；库址区构造分布范围、性状规模及组合关系；库址区水文地质条件，特别是地下水类型、埋藏条件、水化学成分和岩体渗透性；库址区岩体、结构面物理力学性质，岩体热物理性质；库址区岩体地应力量级及方向；有害气体和放射性物质赋存；人工骨料储量及质量。
地下储气库是CAES电站的重要组成部分，对于人工浅埋储气库其工程地质条件要求更高，为更直观、更准确地查明储气库工程地质条件，地质勘查应采用钻探手段，宜优先开展永临结合的洞探工作，获取原位试验测试成果，同时地质勘察工作应与设计工作深度相适应，逐步深入进行，逐步反馈地质勘查成果。此外，与其他地下工程相比，CAES浅埋型储气库埋深较浅且围岩承载高洞室内压(高于原位岩体应力)，洞室抗抬稳定分析是设计重点，因此各阶段勘察工作均需重视洞室上覆岩体和围岩物理力学特性试验工作、优势结构面及性状统计工作，为复核储气库上抬稳定及衬砌结构设计提供地质依据。
4 设计方法及要求
4.1 埋深设计
埋深设计是人工地下储气洞库设计流程中的重要环节，一般来说，埋深越大，施工难度越大、施工工期越长、经济性越差。在设计初期地勘深度受限的情况下，可采用理论解析法，根据上覆岩层分布估算最小埋深，为库址选择提供依据；随着勘查设计阶段的推进，应结合地勘资料、洞库群布置、洞室体型及断面设计等，采用数值模拟等方法对上覆岩体的抗抬稳定性进行复核。
设计最小埋深基于不同的假定估算方法各异，在实际工程中可结合工程特点、地质情况和勘查设计深度选用，本文列举其中两种：Mohr-Coulomb强度准则算法及刚性锥极限平衡模型算法。
（1）基于Mohr-Coulomb强度准则的极限平衡算法
Mohr-Coulomb强度准则认为材料的破坏为剪切破坏，材料破坏包络面上法向应力σ与抗剪强度τ呈线性关系，不考虑第二主应力的影响。它的优点是表达式简单、物理意义明确、参数取值相对容易获取，低围压条件下，Mohr-Coulomb强度准则被广泛应用。
以圆形断面的隧道式单洞为例，CAES人工储气洞库在内压作用下的极限平衡剪切破坏型式如图6所示，假设上覆岩体以竖直向剪切模式发生破坏，相应的设计埋深安全系数计算公式如式(2)。该公式中仅考虑了剪切面上的内摩擦力，将黏聚力作为安全储备。
式中，D为储气洞室直径；hi、γi为储气洞室顶拱以上第i层岩体的厚度、重度；k0为上覆岩体的平均侧压力系数；K为抗抬安全系数；P为最大设计运行气压；γ、∅为上覆岩体的平均重度、剪切面上的平均内摩擦角。
针对CNG领域常用的大罐式(见4.2节)洞库，也有学者提出了类似计算公式[24]。不同行业的设计体系中，对于岩体的黏聚力和摩擦力、排水系统的设置、地下水影响的考虑不同，安全评价体系也有所区别，选用时应系统考虑，避免简单套用、误用。
（2）刚性锥极限平衡模型算法
美国能源部对LRC的技术审查中采取的刚性锥极限平衡模型算法可供参考[25]，其中扩散角θ可取30～45，软质岩、裂隙发育或风化岩体取低值。仍以圆截面的隧道式单洞为例(图7)，该破坏模式为拉剪破坏，计算公式如式(3)，不考虑假定破坏面上的摩阻力，仅计入假定上抬范围内的岩土体自重。
式中，G1为压力扩散角范围内上覆全强风化及覆盖层的重力；G2为压力扩散角范围内上覆未风化岩层的重力；z1、z2分别为上覆全强风化及覆盖层、未风化岩层的厚度；γ1、γ2分别为上覆全强风化及覆盖层、未风化岩层的重度；θ1、θ2分别为上覆全强风化及覆盖层、未风化岩层的压力扩散角。
不论采用何种计算假定和模型，岩体相关计算参数均需综合考虑地勘深度和工程特点，控制安全系数应考虑工程规模和建筑物级别，根据计算假定和模型综合取值，并留有一定的安全裕度；并应根据水文地质条件、防渗排水系统的设计和电站运行，考虑地下水对工程的不利影响；CAES地下储气库的上抬力由一定功率的设备提供，最大上抬压力的放大系数对埋深和结构计算影响较大，建议谨慎取值，避免不必要的设计冗余；当地下储气库以多个洞室系统布置时，应充分考虑“群洞效应”以及不同的破坏模式对上抬稳定的不利影响。
4.2 储气库布置
洞库群布置包括轴线选择、洞室体型及断面洞室间距等，主要考虑的因素包括：地形地质条件、用地条件(与地面厂区的距离等)、施工交通与进度、运行维护条件等，根据工程的建设条件不同，控制因素有所区别。应通过优选洞库布置方案，尽量规避可能引起局部稳定问题的地质缺陷。
（1）轴线选择。洞库群轴线的选择，主要取决于地质条件，应结合围岩构造结构面发育特征、最大主应力方向、岩石强度应力比等因素，并考虑用地条件等综合分析确定，可考虑与最大主应力大角度相交以抵抗高内压。
（2）洞室体型及断面。目前CAES领域多采用隧道式洞室，一般由一系列(近)水平隧洞并通过连接巷道组合而成，多采用圆形断面。储气洞室断面形式和尺寸应结合工艺要求、地质、施工及技术经济条件综合考虑，在满足安全稳定的前提下，确定最优经济断面。
（3）洞室间距。地下储气洞室的间距应综合考虑地质条件、储气洞室与连接巷道的布置，在满足洞室建设及运行期使用功能的前提下，储气洞室之间的合理间距应能使洞室围岩保持稳定，其次应经济合理。洞室间距越大对围岩稳定越有利，但会导致用地范围的增加和投资的增大。浅埋人工储气洞库的间距一般用安全净距要求控制，目前我国CAES工程设计取值一般在3～5倍洞径。
（4）洞线布置。对于隧道式洞室，其洞线布置通常也需要拟定不同的方案，结合工程地质条件、运行检修的成本及难度、施工条件、施工工期和经济性等，综合比选确定。常见的洞线平面布置基本形式包括平行线形、矩形、环形、蛇形和套环形等(图8)。弧形的连接洞段，需要注意洞线转弯半径应满足结构与施工的最小转弯半径要求；采用环形布置可以减少端部闷头等结构薄弱部位，对局部稳定有利；“T”形洞段存在局部应力集中，建议尽量避免；对于储气规模较大的工程，也可考虑采用空间立体分层布置型式；当多个洞室系统布置时，应考虑“群洞效应”，在埋深设计中取最不利破坏模式进行复核。
4.3 结构设计
CAES电站的储能和发电过程中，伴随着气压和温度的变化，储气洞室结构面临复杂的物理场环境和受力情况。可采用理论解析法与数值模拟法相结合的方式，开展多维度计算分析来指导设计。主要关注的指标包括围岩应力、变形、塑性区分布范围及变化趋势，衬砌及密封层的应力、应变，地面隆起变形等。相应可以作为基本结构设计参数进行优化调整的指标包括：埋深、洞室间距、断面尺寸、衬砌厚度、材料强度等。可参考以下两方面要求。
（1）局部稳定：在初期加压和正常运行工况，CAES的人工储气洞库承担荷载的主体是围岩，但密封层和衬砌层需要将高内压传递出去，并保持相互之间的协调变形，在此过程中密封层和衬砌层也会承压和发生变形，均需满足自身力学强度的要求。可结合工艺要求和布置，根据最大运行气压、衬砌和围岩力学性质、地应力条件和埋深等情况进行分析计算，针对地质缺陷部位优化细部结构设计，避免局部应力突变或变形失稳。
（2）循环稳定：考虑建造和运行过程时序的热力学耦合数值模拟[5-7]可以反映循环加卸载对衬砌围岩结构应力、变形及损伤的变化过程。有研究表明，衬砌裂缝开度越大，衬砌性能弱化程度越高[26]，在围岩强度不高或采用柔性密封材料的情况下，可能增大密封层结构系统破坏的风险。建议结合围岩劣化特性研究开展数值仿真分析，通过结构设计优化，控制或避免在充放气循环中围岩塑性区的进一步扩大以及衬砌结构的损伤累加，并考虑密封材料疲劳效应的不利影响。
4.4 密封材料选择及要求
目前，喷涂式高分子柔性密封材料仍处于研究阶段，CAES地下储气库多选用钢衬密封，其密封系统设计除了常规的密封塞、密封门之外，设计关注的密封层稳定一般包括密封材料强度、密封层变形和耐久性。
（1）材料强度：当密封层采用钢衬时，一般选择Mises准则作为复杂应力条件下的密封层强度准则；高内压加载过程中围岩最大一次性变形下，密封层随着围岩变形时所受环向拉应变不应超过其变形极限。
（2）变形稳定性：检修期密封层可能存在单独承受外水压力的情况，计算中应考虑最不利工况，复核密封层的屈曲稳定。
（3）耐久性：CAES人工储气洞库处于地下复杂环境，在长期运行过程中还需重点关注地下水、温度和压力循环作用等引起的耐久性问题。密封结构的正常使用寿命应充分考虑材料疲劳劣化和热老化对耐久性的不利影响；密封系统的设计使用年限应不小于洞室的运营年限。另外，当密封层采用高强钢时，不宜开孔，回填及接缝灌浆建议采用埋管；监测设计建议关注围岩变形、结构的应力应变、气体渗漏、外部渗透压力、脱空变形、温度等方面，同时，应重视封堵体的监测。
5 结论
大中型CAES浅埋人工储气洞库的地质勘查和结构设计，与压缩天然气储存和水电工程地下高压洞室技术领域有共通之处，也有独有的技术特点，本文系统总结提出了其基本理念和设计方法，为设计提供借鉴和参考。
（1）借鉴LRC设计理论，结合CAES技术特点，本文提出CAES人工储气洞库的布置及洞室结构设计的基本理念，即整体稳定、局部稳定、循环稳定和密封层稳定。
（2）LRC技术实践表明，硬岩浅埋条件下高内压地下储气库是可行的。我国目前开展前期设计的CAES人工地下储气洞库工程的密封层多采用钢衬，设计钢衬厚度普遍偏厚，工程投资也相对更高。柔性薄钢衬方案的可行性，值得进一步研究和实践验证。
（3）结合抽水蓄能电站选址经验及国内外相关研究，本文提出CAES人工储气库选址的三个基本流程，即场址识别、规划比选站点初选、推荐站点综合评估；提出CAES人工开挖储气库主要地质勘察内容，并指出地质勘查应采用钻探手段，宜优先开展永临结合的洞探工作。针对浅埋储气库埋深关键设计，应重视上覆岩体物理力学参数试验工作，查明是否存在影响整体稳定的不利结构面组合，为储气库设计提供切实、可靠的地质依据。
（4）我国的浅埋人工储气洞库的设计实践正在逐步发展成熟的过程中，为了保证工程长期安全运行，推进CAES的规模化、商业化发展，还需研究如何合理确定工程规模、人工储气洞库的建筑物级别，并进一步研究相应的稳定。
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