岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 549-561.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0777CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0777

• 压缩空气储能地下工程专题 • 上一篇    下一篇

压缩空气储能隧道式硬岩储气硐起裂角与起裂压力二维数值分析

胡港1, 2,芮瑞1,江强强1,王永平2,张文涛2   

  1. 1. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430070;2. 中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院,湖北 武汉 430070
  • 收稿日期:2025-07-23 接受日期:2025-12-28 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-02-05
  • 通讯作者: 江强强,男,1992年生,博士,高级工程师,主要从事岩土工程与地下工程的研究工作。E-mail: 273259695@qq.com
  • 作者简介:胡港,男,1990年生,博士,高级工程师,主要从事岩土工程与结构工程加固的相关研究工作。E-mail: 837521922@qq.com

Fracture initiation angle and pressure in tunnel-excavated hard rock caverns for compressed air energy storage: a 2D numerical analysis

HU Gang1, 2, RUI Rui1, JIANG Qiang-qiang1, WANG Yong-ping2, ZHANG Wen-tao2   

  1. 1. School of Civil Engineering and Architecture, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei 430070, China; 2. China Gezhouba Group Co., Ltd. Survey & Design Institute, Wuhan, Hubei 430070, China
  • Received:2025-07-23 Accepted:2025-12-28 Online:2026-02-10 Published:2026-02-05

摘要: 随着内压逐步增大,隧道式硬岩储气硐围岩将经历硐壁初始起裂、裂缝拓展、储气硐破坏3个过程,初始起裂由硐壁处围岩剪切或拉伸破坏导致,受岩体抗剪强度与拉伸强度控制。利用FLAC2D数值分析软件,基于摩尔-库仑准则,在考虑初始应力场的条件下,对硐壁的起裂点的位置与起裂压力进行了分析。结果表明:当数值模型尺寸的侧向边界间距≥15D、下侧边界间距≥10时(D为硐径),可以忽略边界对计算结果的影响;围岩的侧压力系数k与储气硐埋深H对起裂角α 影响显著,起裂角特征曲线表现为指数曲线型与水平直线型两种型式;侧压系数k、埋深H、抗剪强度参数(cφ )、抗拉强度 R等均对起裂压力P0有显著影响,起裂压力特征曲线表现为折线型。基于弹性理论解析算法,推导了起裂压力与起裂角的解析计算公式,其中起裂压力的解析公式结果与数值解法吻合较好,由于没有考虑上覆岩体的有限边界条件,解析公式求得的起裂角在k= 0.95~1.2时与数值结果存在一定差距。

关键词: 压缩空气储能, 隧道式储气硐, 起裂角, 起裂压力, 特征曲线

Abstract:

As the internal pressure gradually increases, the surrounding rock of a tunnel-type hard rock gas storage cavern will undergo three phases: fracture initiation at the cavern wall, fracture propagation, and eventual cavern failure. Fracture initiation occurs due to shear or tensile failure of the surrounding rock at the cavern wall, and is governed by the rock mass’s shear strength and tensile strength. We employed FLAC2D numerical analysis based on the Mohr-Coulomb criterion to locate fracture initiation points on the cavern wall and the associated initiation pressure, accounting for the initial stress field. Boundary effects become negligible when the lateral boundary spacing is at least 15D and the bottom boundary spacing is at least 10D (where D is cavern diameter). The lateral pressure coefficient k and cavern burial depth H significantly influence the fracture initiation angle α, the characteristic curves of fracture initiation angles exhibit two distinct patterns: exponential curve type and horizontal straight-line type; the fracture initiation pressure P₀ is markedly affected by multiple factors including the lateral pressure coefficient k, burial depth H, shear strength (c, φ)and tensile strength Rt, the characteristic curves of fracture initiation pressure display a piecewise-linear pattern. Using elastic theory analytical methods, this paper derives analytical calculation formulas for both fracture initiation pressure and angle. The analytical solutions for fracture initiation pressure show good agreement with the numerical results. However, because finite boundary conditions of overlying rock mass, the analytical solutions for fracture initiation angle demonstrate some discrepancies with numerical results for k in the range 0.95–1.2.

Key words: compressed air energy storage, tunnel-type gas storage cavern, fracture initiation angle, fracture initiation pressure, characteristic curve

中图分类号: TU 93
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