一种基于裂缝宽度的柔性密封压缩空气储能洞室衬层显式设计方法：从限制到可控开裂

《Journal of Energy Storage》：A crack-width-based explicit design method for flexible sealed compressed air energy storage cavern linings: From limitation to controlled cracking

　　秦世康|夏采楚|周树伟|陈晓翔中国上海同济大学土木工程学院，200092摘要传统柔性密封压缩空气储能系统洞室衬层的加固设计遵循裂缝限制理念，导致加固比例过高且需要繁琐的迭代计算。本研究提出一种基于裂缝宽度的明确加固设计方法，将设计思路从裂缝限制转变为可控开裂。通过开展丁基橡胶密封层的嵌入失效试验，量化了裂缝宽度与密封层厚度之间的耦合效应。研究结果表明，毫米级裂缝在不会导致密封层失效的情况下是可以安全承受的，由此确定了允许裂缝宽度的设计安全范围。通过将水利隧道规范中的裂缝宽度公式与弹塑性数值模拟相结合，找到了加固应力与加固比例之间的稳定线性关系。进而推导出明确的解析解，可直接根据设定的目标裂缝宽度确定所需的加固比例，无需再进行迭代计算。以某压缩空气储能系统洞室为案例研究，在该案例的特定工程条件下（λ=0.39，围岩变形模量E=6 GPa），当目标裂缝宽度为1.0毫米时，加固比例可从7.82%降至2.02%，降幅达74%，同时仍能保持结构完整性和密封性能。所提出的方法为柔性密封压缩空气储能系统洞室衬层的设计提供了高效且经济可行的框架，使裂缝控制从被动的验证任务转变为主动的设计参数。引言压缩空气储能技术因其大规模储能、长寿命以及相对较低的成本等优点，已成为构建新型电力系统及支持可再生能源整合的关键技术[1][2][3][4]。在压缩空气储能系统中，利用地下洞室储存高压空气是实现大规模储能的核心要素。其中，具有衬层结构的人工洞室由于选址灵活且密封性能可靠，已成为当前工程应用和研究的重点[5][6][7]。目前，地下气体储存洞室的密封方法主要分为两类：钢衬密封和柔性密封[8][9][10][11][12][13]。虽然钢衬密封技术较为成熟，但其刚性结构使得几乎所有内部压力载荷都由衬层承担，因此在高内部压力下（通常大于10 MPa）需要使用极厚的钢板。这不仅会导致成本上升，还对围岩的地质条件提出了严格要求，限制了其经济可行性和适应性[14][15]。相比之下，柔性密封（通常采用类似橡胶的材料）由于其弹性模量较低，能够将部分内部压力传递给围岩，充分发挥岩体的承载能力。这样就形成了“衬层-围岩”协同承载体系，显著减轻了衬层的负担，同时也具有更高的经济效益[16][17][18]。因此，柔性密封已成为高内部压力压缩空气储能系统洞室更具前景的技术路线。然而，目前柔性密封压缩空气储能系统洞室衬层的实际设计面临着显著的加固难题。在设计方法方面，这一过程仍然主要遵循传统的被动式强度设计、裂缝验证及迭代调整模式。具体而言，首先根据承载能力或经验确定加固措施，然后代入规范公式验证裂缝宽度。如果未达到严格标准，则需反复调整加固措施并重新验证。这种流程既繁琐又低效，且高度依赖设计经验[19][20]。在设计标准方面，通常要求裂缝宽度不超过0.3毫米的严格裂缝控制标准，这一要求直接源自《水利隧道设计规范》等规范，这些规范侧重于混凝土自身的不透水性和耐久性以实现裂缝限制。然而，这种方法完全忽视了柔性密封压缩空气储能系统洞室的本质变化：气密性是由独立的内部柔性密封层来保证的。在这种新体系中，衬层的主要功能转变为传递荷载、维持洞室形状稳定以及为密封层提供平整的基底。这使得基于混凝土不透水性的传统严格裂缝限制理念不仅过于保守，而且与系统实际的承载和密封逻辑不符。在高压力作用下，衬层出现可控开裂并不会直接导致气体泄漏[22][23][24]。方法与标准之间的这种双重不匹配，正是造成当前困境的根本原因。大量研究表明，在高内部压力的压缩空气储能系统洞室中，衬层开裂是一种不可避免的机械现象。即使在围岩条件良好的情况下，10 MPa的内部压力也会导致衬层出现约1毫米的裂缝[23][25]。如果按照传统的裂缝限制标准（≤0.3毫米）进行设计，加固比例往往超过7%[26][27]。这不仅会导致大量的材料浪费和成本上升，还会因为加固过密而给混凝土浇筑和压实带来困难，严重制约工程的可行性。高内部压力下的严格裂缝限制会导致加固比例大幅上升，进而引发繁琐的迭代计算和更高的施工难度。这已成为阻碍压缩空气储能技术大规模应用的瓶颈。需要认识到，柔性密封压缩空气储能系统洞室实际上是一个三层系统：内层密封层负责保证气密性，衬层主要起到传递荷载和提供平整基底的作用，而围岩则是主要的承载体。如果按照传统的水利隧道规范，以严格的裂缝限制标准（≤0.3毫米）来设计衬层，那么它就会像一个“紧箍圈”，阻碍压力向围岩传递，无法发挥围岩的承载能力，从而导致过度加固。近年来，一些学者意识到了这一矛盾，提出了“裂缝控制”或“允许开裂”等定性设计概念[28][29][30]，认为适当放宽裂缝宽度限制有助于释放变形，发挥围岩的承载潜力。此外，断裂力学领域的最新进展也为岩石体及岩-混凝土结构中的多裂缝扩展和界面裂缝行为提供了更深入的认识，这些知识对于理解压缩空气储能系统洞室在循环热机械作用下的长期完整性具有重要意义。例如，沈等人[31]运用新的扩展准则和DIC技术研究了带交叉裂缝的红砂岩的断裂机制。马等人[32]对存在局部气体泄漏的压缩空气储能系统衬层洞室进行了双裂缝气-力耦合分析。黄等人[33]提出了脆性岩-混凝土复合材料中界面裂缝萌生的新的应力-能量准则。黄等人[34]还建立了多层预应力压缩空气储能系统衬层的多目标优化模型。这些研究探讨了涉及多裂缝相互作用和界面开裂的复杂破坏模式，但并未提供直接的定量衬层加固设计方法。从根本上讲，还有两个关键的科学问题亟待解决：1）安全阈值问题：在柔性密封系统中，衬层的裂缝宽度可以在多大程度上得到放宽，同时仍能确保密封层的机械安全和气密性？这一阈值介于“衬层开裂”与“密封安全”之间，必须通过实验方法明确界定。2）计算方法问题：在确定安全阈值之后，如何构建一种计算模型，以目标裂缝宽度作为直接输入参数，并直接输出加固比例，从而彻底摒弃依赖迭代计算的低效设计模式？允许可控开裂会带来三种风险——密封层嵌入失效、加固构件断裂以及围岩塑性区扩大——这些风险都需要进行定量控制，具体内容将在后续章节中阐述。为弥补这些不足，推动设计理念从裂缝限制向可控开裂转变，本研究聚焦于高内部压力柔性密封压缩空气储能系统洞室衬层的设计。本研究以单裂缝扩展和密封层嵌入失效这一基本场景为基础，确定允许裂缝宽度的安全范围，并推导出明确的加固计算方法。本研究旨在实现两方面的根本转变：在设计理念上，从基于混凝土完全不透水的严格裂缝限制，转变为基于密封层安全的允许更大裂缝；在设计方法上，从依赖迭代计算的被动模式，转变为直接的解析解求解。围绕这些目标，本研究的具体安排如下。首先，通过自行设计的柔性密封层嵌入失效试验，揭示了密封层厚度、裂缝宽度与最终承载能力之间的定量关系，从而确定了允许裂缝宽度的机械安全边界，并构建了三维设计安全范围。其次，通过将水利隧道裂缝理论与考虑整个施工过程的弹塑性数值模拟相结合，建立了钢应力与加固比例之间的定量关系。随后，创新性地推导出一种解析公式，该公式以目标裂缝宽度作为输入，直接输出加固比例，从而形成了从安全阈值确定到加固计算的全流程。最后，以内蒙古阿拉善地区某压缩空气储能系统洞室为案例，验证了该方法的工程适用性及其显著的经济效益。所提出的明确设计方法可作为基础，未来的工作还将通过纳入多裂缝和界面断裂准则来进一步完善这一方法。本文的研究成果不仅为高内部压力压缩空气储能系统洞室中的加固难题提供了无需迭代的定量工程解决方案，还从根本上改变了其衬层设计的逻辑框架，将可控开裂的理念转化为实用的明确设计体系，为柔性密封压缩空气储能技术的工程应用和推广提供了重要的理论支持和实践指导。章节节选为可控开裂建立安全基础：柔性密封层的嵌入失效试验基于允许裂缝宽度的明确计算方法建立在这样一个核心工程理念之上：在采用柔性密封系统的压缩空气储能系统洞室中，衬层裂缝宽度的控制目标不应再遵循传统的严格防渗漏型裂缝限制标准，而应取决于存在裂缝时内部柔性密封层的机械安全边界。换言之，衬层的允许裂缝宽度应当是明确计算方法：从裂缝宽度输入到加固比例输出在确定了允许裂缝宽度的机械安全边界之后，本节旨在开发一种衬层加固计算方法，该方法直接以目标裂缝宽度作为设计输入，明确输出加固比例。该方法的目的是将压缩空气储能系统洞室衬层的设计，从传统的先假设加固措施、再迭代验证裂缝的被动模式，转变为直接以目标裂缝宽度为依据的主动设计理念。工程应用与对比分析为系统验证基于允许裂缝宽度的明确衬层加固计算方法在实际工程中的适用性及其显著优势，本节以内蒙古阿拉善地区某规划中的压缩空气储能电站的地下气体储存洞室作为工程背景。对该衬层结构进行了详细的加固设计和分析，并与传统设计方法进行了系统性对比。结论本研究提出了一种基于裂缝宽度的柔性密封压缩空气储能系统洞室衬层明确加固设计方法，实现了从传统裂缝限制向可控开裂的过渡。主要结论如下：(1) 根据密封层的安全性，定量确定了允许的裂缝宽度。对丁基橡胶密封层的嵌入失效试验表明，厚度为3–4毫米的密封层能够在10 MPa的内部压力作用下保持完好。致谢作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知利益冲突或个人关系。感谢中国国家重点研发计划（项目编号2024YFE0105800、2023YFC3805700）、中国国家自然科学基金（项目编号52278408、U23B20145、52278402）、中国中央高校基本科研业务费（项目编号22120260057）以及福州市科技计划项目（2024-Y-010）的资助。