一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构

1.本发明属于能源存储工程领域，尤其涉及一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构。


背景技术：

2.压缩空气储能技术以一种利用高压压缩空气储能电能的新型储能技术，可以有效解决太阳能、风能等清洁能源的间歇性和波动性缺陷，助力全球“双碳”目标的实现。
3.大规模压缩空气储能技术推广应用的瓶颈是如何建设高效、经济的压缩空气储气装置。人工岩穴储气库因其选址灵活性为压缩空气储能技术的广泛应用提供了可能。然而，人工岩穴储气库建造需要满足工程安全性、密封可靠性和经济合理性等基本要求，其核心仍然是密封可靠性和经济合理性。
4.由于人工岩穴储气库都深埋于地下坚硬的岩层中，其硐室安全性通过实施一定的工程措施都可以得到保障。人工岩穴储气库的高压气体密封性可以通过各种措施实现。密封措施不同，其工程造价差异性巨大。
5.现有技术条件下，人工岩穴储气库可以采用钢板、橡胶板、玻璃钢或聚合物等建造密封层。
6.中国发明专利公开号cn115110995a提出了一种基于钢板密封的储气库密封结构，属于新型能源技术领域。并具体公开了该地下硐库设置于原始地层岩体内，地下硐库密封结构由外向内包括依次嵌套的注浆层、衬砌层、内侧钢筋、缓冲层和钢密封层，注浆层、衬砌层、内侧钢筋、缓冲层和钢密封层对中。该施工方法包括：在原始地层岩体内开挖容置空间；于容置空间内形成地下硐库密封结构。
7.中国发明专利公开号cn110371568a和cn105905512a采用多层玻璃钢建造密封层结构以保证储气库气密性。
8.中国发明专利公开号cn115324647a提出在岩穴结构内壁设置环氧树脂密封层的密封方案，通过混凝土分缝将整体浇筑的混凝土预制衬砌层划分成块，利用接缝处预留的相对可运动量尽可能地释放混凝土的拉应力，减少了因温度荷载导致的混凝土拉伸裂缝的产生；内衬凸起与内衬层连接成整体，内衬凸起形状恰能与混凝土凹槽匹配，降低了内衬层的应力集中现象；内衬凸起卡进混凝土预制衬砌层形成的自锁结构，可以保证二者在交变荷载作用下的协同变形，避免二者间粘接力的破坏；环氧树脂密封层采用双酚a型环氧树脂基体并复掺5％质量分数的氧化铝以及5％质量分数的氮化硼纳米片，提高了环氧树脂的热传导性和氢气密封能力。
9.但是，上述方案从本质上都属于刚性密封方案。作为刚性密封层方案，其最大的不足之处在于：密封结构层分担了大部分储气压力，且在地下压缩空气储能储气库的内部温度变化、循环加卸载等复杂环境都会造成刚性密封层（钢板、玻璃钢和环氧树脂）的性能下降，导致密封结构层之间出现脱空现象，进而导致密封结构失效产生大量漏气的风险。此外，钢衬密封和玻璃钢密封结构层方案还存在造价高、施工难度大等不足。
10.在储气库充放气循环的复杂环境下，为了满足岩穴储气库的长期气密性要求，解决现有技术条件下密封结构长期运行存在的不足，同时降低施工难度以及密封工程的建造成本，本发明提出一种具有自适应变形的柔性密封层结构。


技术实现要素：

11.本发明要解决的技术问题是，针对现有储气库密封结构层在循环压力作用下存在的变形适应不足，以及成本较高等问题，提供一种分片式预应力混凝土衬砌结合整体柔性密封层的地下储气库密封结构体系。
12.为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，该密封结构包括密封结构本体，所述密封结构本体的密封结构层从外到内包括地层围岩、喷混凝土层和混凝土预制衬砌层和柔性密封层所述地层围岩的内表面开设多个锚杆钻孔；所述混凝土预制衬砌层由多块混凝土预制构件相互拼接而成，相邻两块所述混凝土预制构件之间安装楔形块，所述楔形块采用锚杆锚固在围岩的锚杆钻孔中；所述混凝土预制衬砌层与柔性密封层之间设有过渡层，所述过渡层的外表面与混凝土预制构件的内表面贴合，所述过渡层的内表面与柔性密封层贴合。
13.由此，本发明通过对混凝土预制衬砌层设计为混凝土预制构件，相邻混凝土预制构件之间形成预留缝，在相邻混凝土预制构件之间的分缝空间内安装锚杆，避免混凝土预制构件在高内压的作用下产生过高的拉应力而出现过宽的裂缝。且通过在混凝土预制构件的内表面二次浇筑一层过渡层，限制高内压作用下混凝土预制构件中的裂缝扩展到过渡层的内表面，为储气库内柔性聚合物喷涂密封层提供无裂缝附着基层，以保证柔性聚合物喷涂密封层因高内压产生的变形而不开裂破坏，从而确保柔性密封层的长期有效性。本技术传力路径清晰，结构受力明确，密封结构整体失效风险低，相对于钢衬和玻璃钢密封结构，工程造价可大幅度降低。
14.进一步，所述混凝土预制衬砌层与喷混凝土层之间设有滑动层，所述滑动层与混凝土预制构件的外表面贴合。设置滑动层可有效降低混凝土预制构件与喷混凝土层之间的约束摩擦力，进一步降低混凝土预制构件开裂宽度。
15.进一步，所述楔形块与滑动层之间存在空隙。楔形块外侧预留一定的变形适应空隙空间，以确保楔形块在运行期能发相应的跟随变形，降低混凝土预制构件预应力损失，同时也能保证混凝土预制构件和喷混凝土层之间始终保持接触而不分离。
16.进一步，所述混凝土预制构件为弧形钢筋混凝土预制构件，所述混凝土预制衬砌层的横截面整体呈圆环状。
17.再进一步，整个密封层为一体式结构，且横截面整体呈圆环状。
18.再进一步，所述柔性密封层为柔性聚合物喷涂密封层。柔性密封层采用柔性聚合物喷涂工艺，所述柔性聚合物优选为双组份聚脲。从而大幅度降低密封层施工难度和施工周期。
19.再进一步，所述过渡层为柔性聚合物混凝土或柔性聚合物砂浆预制片。
20.更进一步，所述锚杆为弹簧锚杆，所述弹簧锚杆的弹簧段对楔形块施加预紧力。弹簧锚杆采用楔形块锚头。安装完成后对弹簧锚杆进行预拉伸，在锚杆的弹簧段形成预紧力。
楔形块在预紧力向外移动，从而对楔形块两侧的混凝土预制构件形成一定的预应力。该预应力可以抵消或部分抵消储气库内的气体压力在混凝土预制构件中形成的拉应力，从而最大程度降低混凝土预制构件的开裂风险和裂缝宽度。
21.更进一步，相邻所述过渡层之间安装钢槽，所述钢槽的底部与楔形块连接。所述钢槽优选为u型钢槽更进一步，所述钢槽与柔性密封层之间设有波纹钢片，所述波纹钢片与柔性密封层贴合，所述钢槽内填充石英砂。
22.由此，u型钢槽将柔性密封层通过柔性波纹钢片传来的巨大内压传递给高强度的混凝土预制构件。u型钢槽和波纹钢片之间通过填充密实石英砂将波纹钢片传递来的压力传递给u型钢槽的底边。柔性聚合物喷涂密封层直接喷涂波纹钢片表面，局部形成柔性波纹密封层，以适应分缝出可能出现的张拉大变形而不开裂。
23.本发明的一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构具有以下优点：本发明提出的自适应变形密封结构具有混凝土结构层和柔性密封层变形适应能力强，柔性密封层应力低，在储气库正常运行压力条件下不开裂的优点，尤其适用于软岩地层中大变形高压地下储气库的建设。
附图说明
24.图1为本发明的密封结构横断面图；图2为本发明的分缝构造详图。
25.图中标记说明：1、地层围岩；2、喷混凝土层；3、滑动层；4、混凝土预制构件；5、过渡层；6、柔性密封层；8、锚杆；9、石英砂；10、波纹钢片；11、钢槽；12、楔形块；13、空隙；14、锚杆钻孔；20、密封结构本体；21、混凝土预制衬砌层。
具体实施方式
26.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。
27.如图1所示，本实施例的一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，包括密封结构本体20，所述密封结构本体20的密封结构层从外到内包括地层围岩1、喷混凝土层2、滑动层3、混凝土预制衬砌层21、过渡层5和柔性密封层6。
28.如图1和图2所示，所述混凝土预制衬砌层21由多块混凝土预制构件4相互拼接而成，所述混凝土预制构件4为弧形钢筋混凝土预制构件，所述混凝土预制衬砌层21的横截面整体呈圆环状。相邻两块所述混凝土预制构件4之间形成梯形宽缝，梯形宽缝内安装楔形块12，所述楔形块12采用锚杆8锚固在地层围岩1的锚杆钻孔14中。通过对混凝土预制衬砌层21设计为混凝土预制构件4，混凝土预制构件4之间形成预留梯形宽缝，避免混凝土预制构件4在高内压的作用下产生过高的拉应力而出现过宽的裂缝。具体地，在混凝土预制构件4之间的梯形宽缝内安装弹簧锚杆，弹簧锚杆采用楔形块锚头。安装完成后对弹簧锚杆进行预拉伸，在锚杆的弹簧段形成预紧力。楔形块12在预紧力向外移动，从而对楔形块12两侧的混凝土预制构件4形成一定的预应力。该预应力可以抵消或部分抵消储气库内的气体压力在混凝土预制构件4中形成的拉应力，从而最大程度降低混凝土预制构件4的开裂风险和裂
缝宽度。
29.如图1和图2所示，所述混凝土预制衬砌层21与喷混凝土层2之间设有滑动层3，所述滑动层3用于降低混凝土预制构件4与喷混凝土层2之间的约束摩擦力，进一步降低混凝土预制构件4开裂宽度。所述滑动层3与混凝土预制构件4的外表面贴合。具体地，所述楔形块12与滑动层3之间存在空隙13，所述空隙13为楔形块12后期变形提供冗余。楔形块12外侧预留一定的变形适应空隙空间，以确保楔形块12在运行期能发相应的跟随变形，降低混凝土预制构件4预应力损失，同时也能保证混凝土预制构件4和喷混凝土层2之间始终保持接触而不分离。
30.如图1所示，所述混凝土预制衬砌层21的内表面分别设置过渡层5和柔性密封层6，所述过渡层5为柔性聚合物混凝土或柔性聚合物砂浆预制片。所述柔性密封层6为柔性聚合物喷涂密封层，所述柔性聚合物优选为双组份聚脲。通过在混凝土预制构件4内表面二次浇筑一层低弹性模量高抗拉的柔性混凝土层，限制高内压作用下混凝土预制构件4中的裂缝扩展到柔性混凝土层层的内表面，为储气库内柔性聚合物喷涂密封层提供无裂缝附着基层，以保证柔性聚合物喷涂密封层因高内压产生的变形而不开裂破坏，从而确保密封层的长期有效性。
31.如图1和图2所示，所述过渡层5的外表面与混凝土预制构件4的内表面贴合，所述过渡层5的内表面与柔性密封层6贴合，整个密封层6为一体式结构，且横截面整体呈圆环状，相邻所述过渡层5之间安装钢槽11，所述钢槽11的底部与楔形块12连接。所述钢槽11与柔性密封层6之间设有波纹钢片10，所述波纹钢片10与柔性密封层6贴合，所述钢槽11内填充密实石英砂9。优选地，柔性聚合物喷涂密封层直接喷涂波纹钢片10表面，局部形成柔性波纹密封层，以适应分缝出可能出现的张拉大变形而不开裂。具体地，所述钢槽11安装在相邻所述过渡层5之间的宽缝中，所述钢槽11最好为u型钢槽，u型钢槽可将密封层通过柔性波纹钢片传来的巨大内压传递给高强度的混凝土预制构件。u型钢槽和波纹钢片之间通过填充密实石英砂将波纹钢片传递来的压力传递给u型钢槽的底边。
32.本技术针对现有技术中密封结构层分担了大部分储气压力，钢筋混凝土结构层开裂不可避免，限制裂缝配筋量多，造价高。此外，钢筋混凝土开裂后裂缝宽度大，采用喷涂柔性密封薄层方案不可避免出现薄层挤压破坏现象，影响长期密封性。同时，在地下压缩空气储能储气库的内部温度变化、循环加卸载等复杂环境都会造成刚性密封层（钢板、玻璃钢和环氧树脂）的性能下降等难题，提出一种具有自适应变形的新型柔性密封层结构，能够防止密封结构层之间出现脱空现象，进而避免密封结构失效产生大量漏气的风险。本设计难点是如何有效解决钢筋混凝土结构层开裂引起的柔性密封层结构破坏。通过采用本发明的低弹性模量抗裂柔性复合材料结构层来解决钢筋混凝土结构层开裂引起的密封薄层开裂渗漏问题，具有混凝土结构层和柔性密封层变形适应能力强，柔性密封层应力低，在储气库正常运行压力条件下不开裂的优点，尤其适用于软岩地层中大变形高压地下储气库的建设。
33.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，包括密封结构本体（20），其特征在于，所述密封结构本体（20）的密封结构层从外到内包括地层围岩（1）、喷混凝土层（2）和混凝土预制衬砌层（21）和柔性密封层（6）所述地层围岩（1）的内表面开设多个锚杆钻孔（14）；所述混凝土预制衬砌层（21）由多块混凝土预制构件（4）相互拼接而成，相邻两块所述混凝土预制构件（4）之间安装楔形块（12），所述楔形块（12）采用锚杆（8）锚固在围岩（1）的锚杆钻孔（14）中；所述混凝土预制衬砌层（21）与柔性密封层（6）之间设有过渡层（5），所述过渡层（5）的外表面与混凝土预制构件（4）的内表面贴合，所述过渡层（5）的内表面与柔性密封层（6）贴合。2.根据权利要求1所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述混凝土预制衬砌层（21）与喷混凝土层（2）之间设有滑动层（3），所述滑动层（3）与混凝土预制构件（4）的外表面贴合。3.根据权利要求2所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述楔形块（12）与滑动层（3）之间存在空隙（13）。4.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述混凝土预制构件（4）为弧形钢筋混凝土预制构件，所述混凝土预制衬砌层（21）的横截面整体呈圆环状。5.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，整个密封层（6）为一体式结构，且横截面整体呈圆环状。6.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述柔性密封层（6）为柔性聚合物喷涂密封层。7.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述过渡层（5）为柔性聚合物混凝土或柔性聚合物砂浆预制片。8.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述锚杆（8）为弹簧锚杆，所述弹簧锚杆的弹簧段对楔形块（12）施加预紧力。9.根据权利要求1-3中任一项所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，相邻所述过渡层（5）之间安装钢槽（11），所述钢槽（11）的底部与楔形块（12）连接。10.根据权利要求9所述的人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，其特征在于，所述钢槽（11）与柔性密封层（6）之间设有波纹钢片（10），所述波纹钢片（10）与柔性密封层（6）贴合，所述钢槽（11）内填充石英砂（9）。

技术总结
本发明提供了一种人工岩穴储气库的自适应变形密封结构，该密封结构包括密封结构本体，密封结构本体的密封结构层从外到内包括地层围岩、喷混凝土层、混凝土预制衬砌层、过渡层和柔性密封层；混凝土预制衬砌层由多块混凝土预制构件相互拼接而成，相邻两块混凝土预制构件之间安装楔形块，楔形块采用锚杆锚固在围岩的锚杆钻孔中；混凝土预制衬砌层的内表面设有柔性密封层，柔性密封层与过渡层的内表面贴合。本发明的混凝土结构层和柔性密封层变形适应能力强，混凝土预制衬砌层拉应力低，柔性结构层不承担拉应力，在储气库正常运行压力条件下柔性结构层不开裂的优点，尤其适用于软岩地层中大变形高压地下储气库的建设。层中大变形高压地下储气库的建设。层中大变形高压地下储气库的建设。


技术研发人员：蒋中明 黄湘宜 张新敏 肖喆臻 刘琛智 廖峻慧 石兆丰 杨雪
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/7/21