CN110347191B - 智能监测式高压储气库加固模拟试验装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置及其应用方法，该装置包括模拟储气库衬砌壁结构、模拟围岩结构、双头锚固索、拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元和监测控制系统，双头锚固索穿设于模拟储气库衬砌壁结构中，且其两端与模拟储气库衬砌壁结构以及模拟围岩结构固定连接，拉力施加装置设于双头锚固索上，以调控拉力，拉力监测单元设于双头锚固索上，以监测其拉力，应变测量单元粘贴在模拟储气库衬砌壁结构上，以监测其变形，监测控制系统包括现场监控装置和计算机，现场监控装置分别与拉力监测单元、应变测量单元及拉力施加装置连接。该装置可以模拟储气库加固结构，且改善模拟储气库的受力状态，减小模拟储气库的变形。

Description

智能监测式高压储气库加固模拟试验装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及能源地下储存技术领域，具体涉及一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置及其应用方法。

背景技术

地下储气库是用于储存天然气的地质构造和配套设施，主要功能是用气调峰和安全供气、战略储备、提高管线利用系数节省投资、降低输气成本等。按建设储气库的不同地质构造通常分为枯竭油气藏储气库、含水层储气库、盐穴储气库和废弃矿穴储气库等4类。通常来讲，地下洞库的支护设计只考虑模拟围岩结构对储气库向内侧的压力。储气库的衬砌类似于鸡蛋壳结构，考虑模拟围岩结构对储气库向内侧的压力时，具有良好的承载性能。

然而，由于高压储气库中气体处于压缩状态，储气库的墙壁会受到较大的向外扩张的压力，这个压力是在以往的研究中未考虑的问题。如果气体压力过大，地下储气库墙壁会产生较大拉应力，处于极其不利的受力状态，而且混凝土结构通常承受拉力的能力较小，从而会导致储气库墙壁产生裂缝等严重问题。

为了解决储气库存在的上述问题，需要对储气库的支护技术进行研究。而为了研究上述问题，有必要提供一种能够模拟储气库加固结构的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置及其应用方法，该装置可以模拟储气库加固结构，且改善模拟储气库的受力状态，减小模拟储气库的变形。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，包括模拟储气库衬砌壁结构、模拟围岩结构、双头锚固索、拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元和监测控制系统，所述模拟围岩结构设于模拟储气库衬砌壁结构外周部，所述双头锚固索穿设于模拟储气库衬砌壁结构中，且其两端贯穿模拟储气库衬砌壁结构并埋入其外侧的模拟围岩结构中，所述双头锚固索两端经粘结材料与模拟储气库衬砌壁结构以及模拟围岩结构固定连接，所述拉力施加装置设于双头锚固索一端，并固定在模拟储气库衬砌壁结构上，以给双头锚固索施加拉力，并调控双头锚固索拉力的大小，所述拉力监测单元设于双头锚固索上，以监测双头锚固索所受拉力的大小，所述应变测量单元粘贴在模拟储气库衬砌壁结构上，以监测模拟储气库衬砌壁结构的变形，所述监测控制系统包括现场监控装置和计算机，所述现场监控装置的输入端分别与拉力监测单元及应变测量单元电性连接，输出端与拉力施加装置电性连接，以采集、处理、存储双头锚固索所受拉力数据和模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，并传输给计算机，以及接收计算机的命令，调控双头锚固索拉力的大小。

进一步地，所述模拟储气库衬砌壁结构由用于制造储气库衬砌壁的构造物构成，用于模拟储气库衬砌壁，所述模拟围岩结构由与围岩相同材质的构造物构成，用于模拟储气库所处的围岩环境。

进一步地，还配设有围岩加载系统、竖向压力加载系统和高压注气系统，所述围岩加载系统设于模拟围岩结构水平外周部，用于加载水平方向的压力，以模拟围岩对储气库的水平压力，所述竖向压力加载系统设于模拟围岩结构上下部，用于加载竖向的压力，以模拟围岩对储气库的竖向压力；所述模拟储气库衬砌壁结构上开设有进气口，所述进气口与高压注气系统的注气管道连接。

进一步地，包括多个双头锚固索，当双头锚固索沿水平方向设置时，各双头锚固索从上到下水平间隔均布，且各双头锚固索错开一定角度；当双头锚固索沿竖向设置时，各双头锚固索沿模拟储气库衬砌壁结构周向间隔均布。

进一步地，当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力小于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在水平方向变形风险，所述双头锚固索沿水平方向设置；当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力大于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在竖向变形风险，所述双头锚固索沿竖向设置。

进一步地，所述双头锚固索为钢筋或钢绞线，当双头锚固索为钢筋时，所述钢筋分为多段，各段之间采用螺纹连接或安装后焊接。

进一步地，所述拉力施加装置为液压油泵或电动机。

进一步地，包括多个应变测量单元，各应变测量单元粘贴在模拟储气库衬砌壁结构的不同位置上，以监测模拟储气库衬砌壁结构不同位置的变形。

进一步地，所述现场监控装置分别通过导线与拉力监测单元、应变测量单元电性连接，并与计算机通信，所述计算机根据现场监控装置发来的模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，计算出双头锚固索需要施加的拉力，据此向现场监控装置发出命令，通过现场监控装置控制拉力施加装置，调控双头锚固索的拉力，再通过拉力监测单元监测双头锚固索的拉力是否达到设定值，所述拉力始终小于双头锚固索的最大承载力。

本发明还提供了一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置的应用方法，包括以下步骤：

（1）在模拟储气库衬砌壁结构需要加固的位置开孔，开孔穿过模拟储气库衬砌壁结构并深入其外侧的模拟围岩结构中；

（2）在开孔位置安装固定双头锚固索，并安装好拉力施加装置和拉力监测单元；在模拟储气库衬砌壁结构上粘贴好应变测量单元；

（3）将拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元分别与监测控制系统的现场监控装置连接好；

（4）向模拟储气库衬砌壁结构内注入气体，监测控制系统通过应变测量单元实时监测模拟储气库衬砌壁结构的变形，当模拟储气库衬砌壁结构的变形大于允许值时，控制拉力施加装置调控双头锚固索的拉力，直至模拟储气库衬砌壁结构的变形回到允许值之内或拉力达到双头锚固索的最大承载力。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：针对高压储气库的受力特性和应用特性，提出了一种高压储气库加固模拟试验装置，该装置模拟了一种地下高压储气库加固结构，并通过对模拟储气库衬砌壁结构的变形的监测，调控双头锚固索的拉力，从而改善模拟储气库的受力状态，减小模拟储气库的变形，为研究并开发高可靠性的地下高压储气库加固技术提供了可能性，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的正向结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视结构示意图。

图3是本发明实施例的控制原理图。

图4是本发明实施例中拉力施加装置的结构示意图。

图中，1-1、双头锚固索，1-2、粘结材料，2、拉力施加装置，2-1、液压油泵的缸体，2-2、液压油泵的活塞，2-3、液压油出入口A，2-4、液压油出入口B，3、拉力监测单元，4、应变测量单元，5、模拟储气库衬砌壁结构，6、模拟围岩结构，7、高压注气系统的注气管道。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，如图1、2所示，包括模拟储气库衬砌壁结构5、模拟围岩结构6、双头锚固索1-1、拉力施加装置2、拉力监测单元3、应变测量单元4和监测控制系统。所述模拟围岩结构6设于模拟储气库衬砌壁结构5外周部，所述双头锚固索1-1穿设于模拟储气库衬砌壁结构5中，且其两端贯穿模拟储气库衬砌壁结构5并埋入其外侧的模拟围岩结构6中，所述双头锚固索1-1两端经水泥砂浆或树脂等粘结材料与模拟储气库衬砌壁结构5以及模拟围岩结构固定连接，所述拉力施加装置2设于双头锚固索1-1一端，并固定在模拟储气库衬砌壁结构5上，以给双头锚固索施加拉力，并调控双头锚固索拉力的大小，所述拉力监测单元3设于双头锚固索1-1上，以监测双头锚固索所受拉力的大小，所述应变测量单元4粘贴在模拟储气库衬砌壁结构5上，以监测模拟储气库衬砌壁结构的变形。所述监测控制系统包括现场监控装置和计算机，所述现场监控装置的输入端分别与拉力监测单元及应变测量单元电性连接，输出端与拉力施加装置电性连接，以采集、处理、存储双头锚固索所受拉力数据和模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，并传输给计算机，以及接收计算机的命令，调控双头锚固索拉力的大小。其控制原理如图3所示。

在本实施例中，所述模拟储气库衬砌壁结构5由用于制造储气库衬砌壁的构造物构成，用于模拟储气库衬砌壁，所述模拟围岩结构6由与围岩相同材质的构造物构成，用于模拟储气库所处的围岩环境。本发明的模拟试验装置还配设有围岩加载系统、竖向压力加载系统和高压注气系统，所述围岩加载系统设于模拟围岩结构水平外周部，用于加载水平方向的压力，以模拟围岩对储气库的水平压力，所述竖向压力加载系统设于模拟围岩结构上下部，用于加载竖向的压力，以模拟围岩对储气库的竖向压力；所述模拟储气库衬砌壁结构上开设有进气口，所述进气口与高压注气系统的注气管道连接。

双头锚固索提供的拉力可以有效控制模拟储气库衬砌壁结构膨胀，并将受到的拉力分散到模拟围岩结构中，可以防止储气库衬砌壁局部受拉破坏。由于储气库存储的是液态或气态物质，因此贯穿储气库的双头锚固索不会对储气量等造成实质性影响。本发明的模拟试验装置是针对高压储气库的受力特性和应用特性专门设计的。当储气库内输入气体、液体或气液混合物时，储气库内部压力逐渐升高，压迫储气库向外侧产生微膨胀，从而在衬砌壁产生拉力，进而引发拉裂纹。本发明通过预埋在模拟储气库衬砌壁结构和模拟围岩结构中的双头锚固索提供补偿压力，防止压力作用下储气库衬砌壁和模拟围岩结构破坏引起的高压气体泄漏。

在本实施例中，该装置包括多个双头锚固索，当双头锚固索沿水平方向设置时，各双头锚固索从上到下水平间隔均布，且各双头锚固索错开一定角度；当双头锚固索沿竖向设置时，各双头锚固索沿高压储气库周向间隔均布。当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力小于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在水平方向变形风险，所述双头锚固索沿水平方向设置；当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力大于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在竖向变形风险，所述双头锚固索沿竖向设置。

所述双头锚固索为钢筋或钢绞线。当双头锚固索为钢筋时，所述钢筋分为多段，各段之间采用螺纹连接或安装后焊接。

在本实施例中，所述拉力监测单元3为拉力传感器。所述拉力监测单元与双头锚固索的连接方式为：所述双头锚固索在连接拉力监测单元的位置分为两段，将两段端头分别与拉力监测单元的两个受拉端连接，以将拉力监测单元连接于双头锚固索上。具体连接方式可以为螺纹连接、焊接、绳扣连接等。

拉力施加装置通过小型锚栓固定在模拟储气库衬砌壁结构上，由于它施加的拉力主要沿双头锚固索传播，因此，它与衬砌壁的连接基本不会损坏模拟储气库衬砌壁结构。所述拉力施加装置与双头锚固索的连接方式为：所述双头锚固索在连接拉力施加装置的位置分为两段，将两个端头分别与拉力施加装置的两个受拉端相连。具体连接方式可以为螺纹连接、焊接、绳扣连接等。所述拉力施加装置2可以为液压油泵或电动机。在本实施例中，拉力施加装置为液压油缸，其实现方式如图4所示，通过向液压油泵的缸体2-1上的两个液压油出入口2-3和2-4注入或释放液压油，控制液压油泵活塞2-2的行程，从而调节拉力。对于拉力施加装置为电动机的实现方式，是通过调节电动机的转动角度来调控拉力。

该装置包括多个应变测量单元4，各应变测量单元4粘贴在模拟储气库衬砌壁结构5的不同位置上，以监测模拟储气库衬砌壁结构不同位置的变形。在本实施例中，所述应变测量单元4为应变传感器。

所述现场监控装置分别通过导线与拉力监测单元、应变测量单元电性连接，并与计算机通信。所述计算机根据现场监控装置发来的模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，计算出双头锚固索需要施加的拉力，据此向现场监控装置发出命令，通过现场监控装置控制拉力施加装置，调控双头锚固索的拉力，再通过拉力监测单元监测双头锚固索的拉力是否达到设定值，所述拉力始终小于双头锚固索的最大承载力。在本实施例中，监控装置和计算机在一起，拉力监测单元、应变测量单元的导线通过一个钻孔引出，与设于模拟储气库外的监控装置相连。

本发明还提供了上述地下高压储气库加固装置的应用方法，包括以下步骤：

（1）在模拟储气库衬砌壁结构需要加固的位置开孔，开孔穿过模拟储气库衬砌壁结构并深入其外侧的模拟围岩结构中；

（2）在开孔位置安装固定双头锚固索，并安装好拉力施加装置和拉力监测单元；在模拟储气库衬砌壁结构上粘贴好应变测量单元；

（3）将拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元分别与监测控制系统的现场监控装置连接好；

（4）向模拟储气库衬砌壁结构内注入气体，监测控制系统通过应变测量单元实时监测模拟储气库衬砌壁结构的变形，当模拟储气库衬砌壁结构的变形大于允许值时，控制拉力施加装置调控双头锚固索的拉力，直至模拟储气库衬砌壁结构的变形回到允许值之内或拉力达到双头锚固索的最大承载力。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，其特征在于，包括模拟储气库衬砌壁结构、模拟围岩结构、双头锚固索、拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元和监测控制系统，所述模拟围岩结构设于模拟储气库衬砌壁结构外周部，所述双头锚固索穿设于模拟储气库衬砌壁结构中，且其两端贯穿模拟储气库衬砌壁结构并埋入其外侧的模拟围岩结构中，所述双头锚固索两端经粘结材料与模拟储气库衬砌壁结构以及模拟围岩结构固定连接，所述拉力施加装置设于双头锚固索一端，并固定在模拟储气库衬砌壁结构上，以给双头锚固索施加拉力，并调控双头锚固索拉力的大小，所述拉力监测单元设于双头锚固索上，以监测双头锚固索所受拉力的大小，所述应变测量单元粘贴在模拟储气库衬砌壁结构上，以监测模拟储气库衬砌壁结构的变形，所述监测控制系统包括现场监控装置和计算机，所述现场监控装置的输入端分别与拉力监测单元及应变测量单元电性连接，输出端与拉力施加装置电性连接，以采集、处理、存储双头锚固索所受拉力数据和模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，并传输给计算机，以及接收计算机的命令，调控双头锚固索拉力的大小；

所述模拟储气库衬砌壁结构由用于制造储气库衬砌壁的构造物构成，用于模拟储气库衬砌壁，所述模拟围岩结构由与围岩相同材质的构造物构成，用于模拟储气库所处的围岩环境；

还配设有围岩加载系统、竖向压力加载系统和高压注气系统，所述围岩加载系统设于模拟围岩结构水平外周部，用于加载水平方向的压力，以模拟围岩对储气库的水平压力，所述竖向压力加载系统设于模拟围岩结构上下部，用于加载竖向的压力，以模拟围岩对储气库的竖向压力；所述模拟储气库衬砌壁结构上开设有进气口，所述进气口与高压注气系统的注气管道连接；

包括多个双头锚固索，当双头锚固索沿水平方向设置时，各双头锚固索从上到下水平间隔均布，且各双头锚固索错开一定角度；当双头锚固索沿竖向设置时，各双头锚固索沿模拟储气库衬砌壁结构周向间隔均布；

所述现场监控装置分别通过导线与拉力监测单元、应变测量单元电性连接，并与计算机通信，所述计算机根据现场监控装置发来的模拟储气库衬砌壁结构的变形数据，计算出双头锚固索需要施加的拉力，据此向现场监控装置发出命令，通过现场监控装置控制拉力施加装置，调控双头锚固索的拉力，再通过拉力监测单元监测双头锚固索的拉力是否达到设定值，所述拉力始终小于双头锚固索的最大承载力。

2.根据权利要求1所述的智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，其特征在于，当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力小于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在水平方向变形风险，所述双头锚固索沿水平方向设置；当模拟围岩结构对模拟储气库衬砌壁结构施加的水平压力大于竖向压力时，模拟储气库衬砌壁结构主要存在竖向变形风险，所述双头锚固索沿竖向设置。

3.根据权利要求1所述的智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，其特征在于，所述双头锚固索为钢筋或钢绞线，当双头锚固索为钢筋时，所述钢筋分为多段，各段之间采用螺纹连接或安装后焊接。

4.根据权利要求1所述的智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，其特征在于，所述拉力施加装置为液压油泵或电动机。

5.根据权利要求1所述的智能监测式高压储气库加固模拟试验装置，其特征在于，包括多个应变测量单元，各应变测量单元粘贴在模拟储气库衬砌壁结构的不同位置上，以监测模拟储气库衬砌壁结构不同位置的变形。

6.根据权利要求1-5任一项所述的智能监测式高压储气库加固模拟试验装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在模拟储气库衬砌壁结构需要加固的位置开孔，开孔穿过模拟储气库衬砌壁结构并深入其外侧的模拟围岩结构中；

（2）在开孔位置安装固定双头锚固索，并安装好拉力施加装置和拉力监测单元；在模拟储气库衬砌壁结构上粘贴好应变测量单元；

（3）将拉力施加装置、拉力监测单元、应变测量单元分别与监测控制系统的现场监控装置连接好；

（4）向模拟储气库衬砌壁结构内注入气体，监测控制系统通过应变测量单元实时监测模拟储气库衬砌壁结构的变形，当模拟储气库衬砌壁结构的变形大于允许值时，控制拉力施加装置调控双头锚固索的拉力，直至模拟储气库衬砌壁结构的变形回到允许值之内或拉力达到双头锚固索的最大承载力。