CN116398181B - 一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层。波形钢衬筒截面包括多个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波和向外凸出的外波间隔排列；每个内波和外波对应的大圆心角相等，且波形均为圆弧面；波形钢衬筒通过环向的变形膨胀将内压传递至外部围岩，自身仅起到密封作用；波形钢衬筒平均半径的适用范围为3m~10m。回填混凝土衬砌层采用素混凝土，在波形钢衬筒施工后进行回填。相比现有圆形衬砌结构，本发明具有钢材用量少，施工速度快等优点。
Description
技术领域
本发明属于新能源储能技术领域，具体涉及压缩空气储能电站的高压地下储气库设计技术。
背景技术
近年来，以风电、光伏发电为代表的新能源装机容量快速增加，而风能和太阳能存在间歇性强、波动性大的问题，发电侧出力的随机性、波动性和不可控性逐渐增强，亟需配套建设大规模储能系统来提升电网的新能源消纳能力和电力品质。压缩空气储能电站可以通过压缩机耗能和膨胀机做功，实现电能与高压空气的势能之间的转化，是一种实用的大规模储能技术。为了将高压气体安全储存起来，建设大容量的地下洞库是一种较优的选择，具有安全性好、容积大、占用地面少等显著优点。
目前国内外在建的人工地下洞室一般采用圆形钢材内衬，具有较好的承压能力和密封性。但其主要弊端在于，圆形钢衬的环向刚度大，在材料弹性范围内的允许变形能力小，使得其难以与外侧的混凝土和围岩变形协调，无法充分利用围岩的承载能力。
发明内容
为了克服现有圆形钢衬技术存在的缺点与不足，本发明提供一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，可以提高钢衬的环向弹性变形能力，将内部压力更多传递到围岩，提高围岩承载比，降低钢衬所需厚度，节省工程造价。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层；所述波形钢衬筒截面包括N个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波和向外凸出的外波间隔排列，内波和外波的数量满足下式：，，式中/>为内波的数量，/>为外波的数量。
所述波形钢衬筒为基础圆形钢衬筒的变形，设基础圆的半径为R。所述内波和外波的波形均为圆弧面，则外波的圆心到基础圆圆心的距离为R 1；内波的圆心到基础圆圆心的距离为R 2；R 1和R 2满足下式：，/>，式中，△是所述内波圆心的外扩值和所述外波圆心的内缩值，用以表征波形的凸起或凹陷程度。为保证内波和外波相接的整体平顺性，△的取值范围为0.05R~0.1R。
进一步地，所述每个内波和外波对应的波形钢衬筒基础圆的圆心角相等，设为θ，满足以下公式：，式中，θ取值为9°到18°之间。
进一步地，设外波的圆弧半径为r 1，圆心角为α；内波的圆弧半径为r 2，圆心角为β，则r 1、r 2、α和β满足以下公式：，/>，，/>，/>，式中，L为波形钢衬筒基础圆的圆心角/>对应的弦长。
进一步地，所述波形钢衬筒通过环向的变形膨胀将内压传递至外部围岩，自身仅起到密封作用，厚度可设置为取10mm~15mm。
进一步地，所述波形钢衬筒的内波和外波采用辊压成型。
作为优选，所述波形钢衬筒内侧设置有加劲环，加劲环间距L为所述波形钢衬筒的基础圆半径R的4~10倍，即：L=(4~10)R。
进一步地，所述回填混凝土衬砌层采用素混凝土，混凝土强度在C30以上，主要起到向围岩传递内压的作用。
进一步地，所述回填混凝土施工在所述波形钢衬筒安装后进行，平均厚度为0.8m~1m。
进一步地，所述喷混凝土层，采用钢纤维混凝土，厚度为8cm~20cm，主要用于储气洞开挖后的初期支护。
进一步地，所述一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，适用围岩的弹性模量E m满足下式：E m≥10GPa。
进一步地，所述围岩开挖后，采用锚杆加强支护，所述锚杆在所述喷射混凝土层内侧露出10cm~20cm，用于加强与所述回填混凝土衬砌层的固定连接。
进一步地，所述一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，适用的波形钢衬筒基础圆半径范围为3m~10m。
本发明的有益效果是：
（1）本发明巧妙地利用了波形钢衬筒在环向的变形能力，可以尽量将内压传递至围岩承担，大大降低了钢材的用量，节省造价。
（2）本发明波形钢衬筒在洞外整体成型，洞内焊接工作量小，配合回填素混凝土；相比传统钢筋混凝土衬砌方式，可显著缩短工期。
附图说明
图1为本发明的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构的典型断面示意图。
图2为本发明的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构的波形钢衬筒局部示意图。
图3为本发明的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构的三维示意图。
图4为本发明的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构的波形设计图。
图中：1为围岩、2为锚杆、3为喷混凝土层、4为回填混凝土衬砌层、5 为波形钢衬筒、501为外波、502为内波、6为加劲环。
具体实施方式
下面结合附图与实施案例对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，由内向外依次为波形钢衬筒5、回填混凝土衬砌层4、喷混凝土层3。
在本实施例中，所述适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，设置在微风化的石灰岩围岩中，围岩弹性模量为10.5GPa，储气洞为平硐类型，开挖直径为12m。
所述波形钢衬筒5截面包括30个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波502和向外凸出的外波501间隔排列，内波502和外波501的数量均为15个。 所述波形钢衬筒5的基础圆半径为5m，厚度为10mm。
所述每个内波502和外波501对应的大圆心角θ为12°；内波502和外波501的波形均为圆弧面，外波501的圆心角为125°，内波502的圆心角为116°。
所述外波501的圆弧半径为0.590m，圆心所在的大圆半径为4.7m；所述内波502的圆弧半径为0.617m，圆心所在的大圆半径为5.3m；所述外波501和内波502的圆心外扩和内缩均为0.3m，均采用对应半径的辊压制作成型。所述波形钢衬筒5内部设置有加劲环6，间距为30m。
所述回填混凝土衬砌层4采用C30素混凝土，平均厚度为0.9m。
所述喷混凝土层3采用钢纤维混凝土，厚度为10cm。所述围岩1采用锚杆2加强支护，所述锚杆2在所述喷混凝土层3内侧露出10cm，用于加强与所述回填混凝土衬砌层4的固定连接。
根据计算，本实施例的衬砌结构可以承受最大约18MPa级别的内部气压，保证钢衬筒应力安全和围岩稳定。
以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。
Claims (6)
1.一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，由内向外依次为波形钢衬筒、回填混凝土衬砌层、喷混凝土层和围岩；其作用原理在于，通过设置好的波形结构，提高钢衬的环向变形能力，使钢衬-混凝土-围岩复合衬砌结构的变形相互协调，将更多的内压荷载传递至围岩，提高围岩承载比例，降低钢衬用量；
所述波形钢衬筒为基础圆形钢衬筒的变形，其横截面包括N个环向布置的波形，其中向内凹陷的内波和向外突出的外波间隔排列，内波和外波的数量满足下式：
10≤N1＝N2≤20
式中N1为外波的数量，N2为内波的数量；
所述内波和外波的波形均为圆弧面，则外波的圆心到基础圆圆心的距离为R1；内波的圆心到基础圆圆心的距离为R2；R1和R2满足下式：
R1＝R-Δ
R2＝R+Δ
式中，R为基础圆的半径，△是所述内波圆心相对于基础圆的外扩值和所述外波圆心的相对于基础圆的内缩值，用以表征波形的凸起或凹陷程度；为保证内波和外波相接的整体平顺性，△的取值范围为0.05R～0.1R；
波形钢衬筒的内波和外波均采用辊压成型；所述波形钢衬筒的厚度设置为10mm～15mm，主要起到密封作用；
所述回填混凝土衬砌层采用素混凝土，混凝土强度在C30以上；回填混凝土施工在所述波形钢衬筒安装后进行，平均厚度为0.8m～1m；
所述喷混凝土层，采用钢纤维混凝土，厚度为8cm～20cm，主要用于储气洞开挖后的初期支护；
所述围岩应满足弹性模量Em不低于10GPa。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，每个内波和外波对应的波形钢衬筒后基础圆的圆心角相等，设为θ，满足以下公式：
式中，θ取值为9°到18°之间。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，外波的圆弧半径为r1，圆心角为α；内波的圆弧半径为r2，圆心角为β，则r1、r2、α和β满足以下公式：
式中，L为波形钢衬筒基础圆的圆心角对应的弦长。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，波形钢衬筒基础圆半径适用范围为3m～10m。
5.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，其特征在于，波形钢衬筒内侧设置有加劲环，加劲环间距L为所述波形钢衬筒的基础圆半径R的4～10倍，即：
L＝(4～10)R。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高压地下储气洞的波形衬砌结构，围岩开挖后，采用锚杆加强支护，所述锚杆在所述喷混凝土层内侧露出10cm～20cm，用于加强与所述回填混凝土衬砌层的固定连接。
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