盐岩蠕变-疲劳交互损伤模型及深部压气蓄能储气库稳定性分析

Compressed air energy storage (CAES) is a new developed technology which utilizes compressed air to storage electricity. In order to fullfill the electricity need during different seasons and periods, to adjust resource supply, and to keep the quality and stability of which, a large number of underground CAES salt cavern stations are being planned and constructed. Based on the triaxial cyclic loading/ unloading test, the effect of stress level、loading frequency and confining pressure on irreversible deformation and damage property of rock salt is studied. The creep-fatigue coupled damage mechanism is revealed with creep-fatigue damage interaction constitutive model. The constitutive model is then implemented into the three dimentional finite difference software FLAC3D and validated through the numerical triaxial compression and muti-stage triaxial creep tests. Based on actural geologic setting of Jintan salt formation, the entire process of water solution, injection-withdrawal operation for deep CAES salt cavern is simulated utilizing the new proposed constitutive model. The impact of inner operating pressure、the injection and withdrawal velocity，the cavern shape (height radius ratio)，and the embedded depth on the stability, tightness and usability of CAES salt cavern will be analyzed in detail. The prediction method of cavern stability is presented according to the calculated results. This research will provide guidance for design, construction and operational management of the CAES salt cavern.

压缩空气蓄能发电是一种利用压缩空气介质来蓄能发电的新兴技术。为满足我国市场用电季节性与时段性差异需求，有效地调节电力资源供应，保证供电质量和可靠性，我国盐穴地下压气蓄能电站工程正处于规划和大规模建设当中。本项目拟通过盐岩三轴循环加、卸载试验获得加载应力水平、频率、围压等因素对盐岩不可逆变形及损伤特性影响，揭示盐岩蠕变和疲劳耦合作用机理，建立盐岩蠕变-疲劳交互损伤模型；基于FLAC3D二次开发平台实现新模型的软件嵌入，并通过试件数值试验进行对比验证；进一步，利用蠕变-疲劳交互损伤模型，进行压气蓄能储气库水溶建腔、注气排卤及注采运营全过程精细化数值模拟，对比分析不同运营内压、注采速率、溶腔形状（高径比）及埋深下，储库溶腔围岩应力状态、变形收敛特征及损伤破坏规律，建立高频循环内压作用下盐岩压气蓄能储气库稳定性预测方法，为我国压气蓄能电站设计、建造和运营提供科学决策依据。

能源战略储备作为国家安全战略的重要一环，受到世界各国普遍重视。在重要的能源储存介质中，盐岩因其良好的工程特性而备受青睐。在盐岩储气库的长期运营过程中溶腔内压的交替变化，腔周围岩会产生蠕变损伤和疲劳累积，给储气库的稳定运营带来不利影响。因此，本文以正在大规模兴起的国家能源战略储备库建设为工程背景，通过试验研究、理论分析以及数值计算，对盐岩的蠕变-疲劳交互损伤特性展开了研究，主要的研究内容和结论如下：. 1. 通过盐岩单、三轴静力压缩试验与三轴循环加、卸荷试验，基于盐岩静态全过程曲线、循环应力–应变曲线，分析循环荷载上、下限应力、围压特别是加载频率等因素对盐岩变形演化、损伤破坏的影响及试样变形破坏的控制量等，获取盐岩循环变形与强度特征的基本参数。. 2. 利用MTS试验系统进行了盐岩蠕变-疲劳交互作用试验。在试验的基础上，分析了蠕变-疲劳交互作用下盐岩的应力-应变曲线特征，并重点探讨了保载时间对盐岩蠕变-疲劳交互作用特性的影响，得到不同应力路径和应力状态下盐岩强度与变形特性。. 3. 疲劳损伤的累积与加载频率和应力幅值密切相关。为了分析加载频率与应力幅值对盐岩疲劳特性的影响，本文结合Manson-Coffin公式，推导建立了盐岩低周疲劳损伤模型。盐岩的疲劳试验表明，该模型能够较好地描述不同加载频率以及不同应力幅值下盐岩的疲劳损伤发展过程。. 4. 为了研究盐岩的蠕变-疲劳交互作用，本文以盐岩的非线性蠕变损伤模型为基础，结合所提出的低周疲劳损伤模型，得到了盐岩的蠕变-疲劳损伤演化方程，并进一步建立了盐岩蠕变-疲劳交互作用本构模型。盐岩的蠕变-疲劳交互作用试验表明，该模型能够较好地反映盐岩的交互损伤演化的过程。. 5. 在FLAC3D数值计算软件中，实现了建立的盐岩蠕变-疲劳损伤模型的数值嵌入。基于金坛盐矿的地质条件，进行了盐岩储气库运营过程的模拟计算，分析了保载时间和峰值内压对储气库溶腔变形及扩容破坏的影响规律，为储气库的安全运营提供了建议。