关于地下氢储存用双平行衬砌岩洞中，注入和抽出循环作用下上覆岩体抬升破坏模式的研究

《Journal of Energy Storage》：Research on the uplift failure mode of overlying rock mass under injection and withdrawal cycles in dual-parallel lined rock caverns for underground hydrogen storage

双平行LRC系统中覆岩 uplift失败模式及相互作用机制研究。通过模型试验与数值模拟交叉验证，揭示了覆岩在注排循环下的裂缝扩展路径、应力应变演化规律及对数螺旋破坏模式，阐明相邻洞穴间应力传递机制及外拱肩最大变形特征，为地下氢能存储工程稳定性评估提供理论依据。

　　地下氢气储存是实现清洁能源利用的重要手段之一，具有广阔的应用前景。然而，其在实际应用中面临诸多挑战，其中最关键的问题之一是岩体在内部压力作用下的上浮破坏风险。上浮破坏不仅可能导致储存系统结构受损，还可能引发氢气泄漏等安全隐患，从而限制了储气容量的提升。因此，研究岩体在氢气注入和抽取过程中的破坏机制，对于提高地下氢气储存的安全性与效率至关重要。

本研究通过模型试验和数值模拟相结合的方式，对双并行地下氢气储存岩洞系统中岩体的上浮破坏模式进行了深入探讨。试验过程中，采用了与实际地质条件相似的材料进行模拟，以确保试验结果能够真实反映岩体在高压力下的响应行为。试验设计借鉴了大型压缩空气储能系统的布局，构建了一个包含三个相同岩洞的模型，岩洞之间通过巷道连接，用于模拟氢气注入与抽取的全过程。试验模型的埋深设定为135米，岩洞两侧呈半球形，外径为11.25米，中间部分为与半球直径相同的圆柱体，长度则根据实际需求进行调整。

在试验过程中，采用了分层填充和压实的方法，以确保岩体材料的均匀性和模型的完整性。填充材料按照预定的配比进行计算和称重，确保试验模型能够准确模拟实际岩体的物理特性。填充完成后，通过逐步施加压力，观察岩体在不同压力条件下的变形与破坏行为，记录其应力、应变和位移的变化情况。试验过程中，特别关注了岩体在高压力下的裂缝发展路径、上浮破坏线的变化趋势以及相邻岩洞之间的相互影响。

数值模拟方面，研究团队采用与试验相同的注入和抽取条件进行模拟，以实现试验与模拟结果的交叉验证。通过比较岩体在注入和抽取过程中的应力和变形变化，进一步揭示了岩体上浮破坏的机制，并验证了试验结果的可靠性。模拟结果表明，岩体在高压力作用下，其上浮破坏线的斜率逐渐减小，并最终趋于水平，符合对数螺旋模型的特征。这一发现对于理解岩体在高压力下的破坏模式具有重要意义。

此外，研究还发现，由于相邻岩洞之间的相互作用，岩体的径向变形在某一岩洞的外侧区域尤为显著，且呈现出对称分布的特征。当岩洞完全发生上浮破坏时，最大径向变形出现在岩洞的外拱肩位置。地面的上浮位移则在两个岩洞之间的中心区域达到最大值，并随着远离中心区域而逐渐减小。值得注意的是，虽然两个岩洞之间的地面位移变化相对较小，但在它们的外侧区域，位移变化则更为明显，这表明岩洞之间的相互作用对岩体的破坏模式产生了显著影响。

试验与模拟结果在岩体在加载过程中的应力和变形变化趋势上表现出高度一致性，进一步验证了上浮破坏线与对数螺旋曲线之间的对应关系。数值模拟结果与试验结果之间的误差小于15%，表明所采用的数值方法在模拟地下氢气储存岩洞相关问题时具有较高的准确性与适用性。这一结果为今后地下氢气储存系统的优化设计和安全性评估提供了重要的理论依据。

目前，关于地下氢气储存岩洞的上浮破坏机制已有大量研究，但大多数研究主要集中在单个岩洞在高压力下的破坏行为，对于多个岩洞在氢气注入和抽取过程中的相互作用及其对岩体破坏模式的影响研究较少。本研究填补了这一空白，通过系统性的试验与模拟，揭示了岩洞之间的相互作用机制，并进一步明确了多岩洞系统中岩体的上浮破坏模式与影响范围。研究结果不仅有助于提高地下氢气储存系统的安全性和稳定性，也为未来大规模氢气储存项目的规划与实施提供了科学支持。

通过本研究，可以得出以下主要结论：在加载过程中，岩体首先在岩洞的外拱肩区域出现裂缝，随后裂缝逐渐扩展至岩洞的拱顶和外拱肩区域，最终导致岩体的上浮破坏。随着内部压力的增加，岩体的上浮破坏线的斜率逐渐减小，并最终趋于水平，这一现象符合对数螺旋模型的描述。同时，岩体在加载过程中的径向变形呈现出对称分布的特征，且最大径向变形出现在岩洞的外拱肩区域。地面的上浮位移则在两个岩洞之间的中心区域达到最大值，并随着远离中心区域而逐渐减小，表明岩洞之间的相互作用对地面位移的分布具有重要影响。

在卸载过程中，岩体的破坏模式呈现出一定的可逆性，但其恢复能力受到岩体初始破坏程度和地质条件的限制。试验与模拟结果表明，卸载过程中的岩体变形与应力变化趋势与加载过程相似，但其幅度有所减小，这表明岩洞在卸载过程中对岩体的破坏影响相对较小。然而，由于岩体在加载过程中已经发生了部分破坏，卸载过程中的岩体稳定性仍然受到一定程度的影响，特别是在岩洞的外侧区域。

此外，研究还发现，岩体的破坏模式与地质条件密切相关。在不同的岩体强度和弹性模量条件下，岩体的破坏路径和破坏范围会发生相应的变化。因此，在实际工程应用中，需要根据具体的地质条件对岩洞的设计和施工进行优化，以确保其在高压力下的稳定性。研究结果表明，岩洞的埋深、直径和形状对岩体的破坏模式具有显著影响，因此在设计地下氢气储存系统时，应充分考虑这些因素。

通过本研究，不仅加深了对地下氢气储存岩洞上浮破坏机制的理解，也为未来相关工程实践提供了科学依据。研究结果表明，采用合适的数值方法可以有效地模拟岩洞在高压力下的破坏行为，从而为岩洞的设计和施工提供重要的参考。此外，研究还揭示了岩洞之间的相互作用对岩体破坏模式的影响，这对于多岩洞系统的优化设计和安全性评估具有重要意义。

在实际应用中，地下氢气储存系统的安全性和稳定性是至关重要的。因此，研究团队建议在岩洞的设计和施工过程中，应充分考虑岩体的力学特性以及岩洞之间的相互作用。此外，应加强对岩洞在高压力下的破坏模式的研究，特别是在氢气注入和抽取过程中的动态响应。通过不断优化岩洞的设计和施工方案，可以有效提高地下氢气储存系统的安全性和效率，从而推动清洁能源的发展。

本研究的成果不仅具有重要的理论价值，还具有显著的工程应用意义。通过模型试验和数值模拟相结合的方法，研究团队成功揭示了岩洞在高压力下的破坏机制，并验证了所采用的数值方法的可靠性。这些研究成果可以为今后地下氢气储存系统的优化设计、施工方案制定以及安全评估提供重要的参考。此外，研究还强调了岩洞之间的相互作用对岩体破坏模式的影响，这对于多岩洞系统的稳定性分析具有重要意义。

在未来的研究中，可以进一步探索不同地质条件下的岩洞破坏模式，以及不同压力条件下的岩体响应行为。此外，还可以研究岩洞在不同注入和抽取周期下的破坏特性，以期为地下氢气储存系统的长期运行提供科学支持。通过不断深化对岩洞破坏机制的理解，可以为清洁能源的发展提供更加坚实的理论基础和技术保障。

综上所述，地下氢气储存系统的安全性和稳定性是实现其广泛应用的关键。通过本研究，可以更好地理解岩洞在高压力下的破坏机制，并为今后的工程实践提供重要的科学依据。研究结果表明，采用合适的数值方法可以有效地模拟岩洞的破坏行为，从而为岩洞的设计和施工提供参考。此外，研究还揭示了岩洞之间的相互作用对岩体破坏模式的影响，这对于多岩洞系统的稳定性分析具有重要意义。因此，本研究的成果不仅具有重要的理论价值，还具有显著的工程应用意义，为未来地下氢气储存系统的优化和推广提供了有力支持。