循环载荷下，采用新型复合内衬的压缩空气储能 cavern 的长期机械性能

《Journal of Energy Storage》：Long-term mechanical behavior of compressed air energy storage cavern with a novel composite lining under cyclic loading

　　**摘要**
在岩石条件较差的地下压缩空气能量存储（CAES）洞穴中，传统的钢筋混凝土衬里由于变形能力不足而容易开裂。这种开裂会导致柔性密封层被夹入裂缝中，从而引发其机械失效，并进而丧失密封完整性。为了解决这一问题，本文提出了一种复合衬里结构，该结构由内层的高强度工程地质聚合物复合材料（EGC）和外层的纤维增强聚合物（FRP）钢筋混凝土背衬层组成。这种设计利用了复合衬里的高变形能力、裂缝控制性能和耐久性，使得CAES技术能够应用于岩石质量较差的地区。通过材料力学试验，研究了EGC在循环载荷下的力学性能，并考察了厚度对其性能的影响。基于试验结果，在ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性（CDP）框架内建立了EGC的循环本构模型。随后建立了一个带有复合衬里的地下CAES洞穴的二维有限元模型，系统模拟了衬里和周围岩石在单循环和10,000次循环载荷下的长期力学响应，并分析了EGC层厚度和内压幅度比的影响。结果表明，在IV类岩石条件下，单次气体储存循环后EGC层的最大拉应力为3.97 MPa，仍处于其抗裂强度以下；经过10,000次循环后，最大拉应力增加到4.47 MPa。尽管EGC层在此应力下发生了开裂，但裂缝宽度远低于规范限值。FRP筋的拉应力始终远低于其抗拉强度，周围岩石的变形也基本保持稳定。增加EGC层厚度可以降低其最大拉应力并减少周围岩石的变形。较高的内压幅度比有利于周围岩石的稳定性。总体而言，所提出的复合衬里在长期循环载荷下表现出良好的稳定性和安全性。

**引言**
压缩空气能量存储（CAES）是一种关键的大规模储能技术，在可再生能源集成和电网调峰中发挥着重要作用。地下洞穴是CAES系统的核心存储单元，其长期稳定性直接关系到项目的安全性。在各种地下CAES洞穴中，人工开挖的洞穴因其选址灵活性和工程可控性而受到广泛关注。其主要结构系统包括密封层、衬里和周围岩体[1]、[2]。衬里用于传递内部压力，密封层则确保系统的气密性。传统上，人们通常使用钢板作为密封材料；然而，在实际应用中存在诸多挑战。对于地下氢储存而言，钢板可能会因氢脆而导致材料性能下降[3]、[4]、[5]；此外，潮湿的地下环境还会增加腐蚀风险，且安装过程复杂，对焊缝质量要求严格。相比之下，柔性密封层（如橡胶膜）具有高变形能力，能够适应不同的周围岩体条件，避免了氢脆和腐蚀带来的问题，因此成为更具优势的选择[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。

然而，柔性密封层的服役性能在很大程度上依赖于衬里提供的连续且完整的支撑。在岩石条件良好的情况下，传统钢筋混凝土衬里能够有效传递内部压力，此时衬里基本保持完整且无明显开裂。但在岩石条件较差的情况下，衬里需要发生较大的环向变形才能有效传递压力。传统钢筋的极限应变较低，限制了其变形能力；此外，普通混凝土在这种变形下容易产生宽裂缝，这些裂缝可能导致柔性密封层被夹入其中（图1），从而严重威胁洞穴的气密性、结构安全和长期运行的稳定性[11]、[12]。因此，为了满足安全要求并在岩石条件较差的环境中扩大CAES洞穴的应用范围，有必要开发具有优异变形能力和可控最大裂缝宽度的新型衬里结构。

**纤维增强聚合物（FRP）筋**具有高强度、轻质和耐腐蚀的优点。现有研究表明，FRP筋的极限应变约为1.4%–2.17%[13]、[14]、[15]，这比传统钢筋的屈服应变高出140多倍，为解决CAES衬里变形能力不足的问题提供了潜在解决方案（通过用FRP筋替代钢筋）。此外，工程地质聚合物复合材料（EGC）在拉伸变形能力、裂缝控制性能和环境友好性方面优于普通混凝土[16]、[17]、[18]、[19]。EGC以粉煤灰、粒化高炉矿渣和 meta-氧化铝等工业固体废物为原料，通过碱激活聚缩合反应形成胶凝剂；短聚vinyl alcohol纤维、聚乙烯（PE）纤维等材料被用作增强材料。通过优化前驱体比例和活化剂浓度，EGC可实现抗压强度超过80 MPa、拉伸延展性大于6%，平均裂缝宽度约为100 μm[20]、[21]、[22]。为此，本文提出了一种适用于岩石条件较差的CAES洞穴的复合衬里系统（图2所示），该系统用FRP筋替代了传统钢筋，并在柔性密封层和混凝土背衬层之间加入了EGC层，旨在同时提高变形兼容性、裂缝宽度控制和长期耐久性。

目前关于地下气体储存洞穴力学行为的研究主要集中在静态内压作用下的响应[2]、[23]、[24]、[25]。尽管这些研究初步明确了周围岩体和衬里结构的载荷传递机制，但未能真实反映实际运行中高频、大幅度压力循环引起的材料损伤和性能下降。因此，现有方法往往高估了衬里-周围岩体系统的长期承载能力和安全裕度。为填补这一空白，本研究进行了材料力学试验，以表征EGC在循环载荷下的力学行为，并探讨了厚度对其拉伸性能的影响。基于试验结果，在ABAQUS中建立了适合数值分析的塑性损伤本构模型，并使用ABAQUS软件开发了CAES地下洞穴的二维有限元分析（FEA）模型，系统模拟了复合衬里洞穴在单调载荷和10,000次循环载荷下的长期力学响应。分析重点关注EGC层厚度和内压幅度比等关键参数对衬里应力分布、裂缝损伤演变及周围岩石变形特性的影响，为岩石条件较差环境下的CAES洞穴设计和应用提供了理论依据。

**材料与制备**
本研究用于制备EGC的原材料包括粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、石英砂、氢氧化钠、硅酸钠、硼砂和高性能PE纤维。按照日本土木工程师学会（JSCE）的建议[26]，拉伸试样被制作成狗骨头形状（图3(a)所示）。为确保数据可靠性，每种加载条件下制备了三个试样。

**混凝土损伤塑性（CDP）模型**
本研究采用ABAQUS中的CDP模型来描述普通混凝土和EGC的非线性力学响应。该模型利用拉伸和压缩损伤变量来表征材料刚度和强度的退化。据此，受损材料的弹性模量可表示为公式（1）：
$$E_d = (1 - \delta) \cdot E_0$$
ABAQUS中定义CDP模型所需的参数是根据单轴拉伸和压缩应力-应变试验确定的。

**带有复合衬里的洞穴的力学响应**
现有研究[11]表明，在岩石条件较差的情况下，即使使用高强度钢筋和高钢筋比，普通钢筋混凝土（RC）衬里也容易发生钢筋屈服，并产生较大裂缝，从而影响洞穴的安全运行。因此，本研究重点研究了带有FRP-EGC复合衬里的CAES洞穴在循环载荷下的力学响应。

**结论与讨论**
通过实验测试研究了EGC的力学性能，并对地下洞穴进行了有限元分析（FEA），以探讨EGC层厚度和内压幅度比对洞穴各组件的影响。根据研究结果，可得出以下结论：
(1) 本研究制备的EGC在水胶比0.27、粉煤灰替代比30%和纤维体积分数2%的条件下表现出最佳力学性能。

**作者贡献声明**
李月圆：撰写原始稿件、软件开发和数据整理；
周春恒：撰写、修订与监督；
夏财初：资金筹集；
张志华：监督。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益关系或个人关系。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金企业创新与发展联合基金重点项目（项目编号U23B20145）、国家重点研发计划（项目编号2024YFE0105800）以及国家自然科学基金（项目编号52278402）的支持。

**作者信息**
李月圆 | 周春恒 | 夏财初 | 张志华
中国宁波大学土木工程系，宁波，315211