压气储能地下内衬储气库结构荷载分担解析解及影响因素分析

与传统无内压地下工程不同,压气储能(CAES)内衬储气库承担交变温压循环膨胀荷载,作为其设计、建造基础的围岩-支护-密封结构协同受力机制、变形特征及荷载分担机制等理论体系尚未建立,亟待开展相关研究。首先,基于多层厚壁圆筒理论建立储气库在高内压荷载下的受力模型,给出其应力和变形的解析解。然后,在设定计算方案下,分析储气库半径、最大储气内压、钢衬厚度等敏感参数对储气库力学响应和荷载分担占比的影响,揭示各结构径向受压、位移较小、环向受拉为主的现象;明确围岩变形模量是影响储气库力学响应最显著因素,储气库半径、最大储气内压、混凝土衬砌厚度和地应力次之,混凝土衬砌强度影响较小但强度提高有加剧开裂的可能,钢衬厚度几乎没有影响;阐明围岩是荷载承担主体,混凝土衬砌次之,钢衬几乎不承担荷载。其次,讨论了储气库充放气过程受力特征,发现其环向存在拉压转变的现象,受拉潜在开裂区随内压增大而扩大。最后,提出钢衬屈服临界内压和混凝土衬砌开裂临界内压的概念,并揭示围岩变形模量和地应力是控制钢衬和混凝土衬砌性能劣化甚至开裂的关键。相关成果为压气储能内衬储气库的设计及建造提供理论支撑。