岩土力学 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (2): 515-529.doi: 10.16285/j.rsm.2025.0821CSTR: 32223.14.j.rsm.2025.0821

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压缩空气储能地下储气库椭圆形断面最佳轴比及运行压力区间确定方法

张国华1, 2，郭辉2，张世殊3，周芝仪4，相月1，熊峰4，华东杰4   

  1. 1. 中国地质大学（武汉）深层地热富集机制与高效开发全国重点实验室 新能源学院，湖北 武汉 430074； 2. 中国地质大学（武汉）先进技术研究院，湖北 武汉 430074；3. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072； 4. 中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074
  • 收稿日期:2025-07-31 接受日期:2025-12-24 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-02-04
  • 通讯作者: 华东杰，男，1995年生，博士后，主要从事地下工程方面的研究工作。E-mail：huadongjie@cug.edu.cn
  • 作者简介:张国华，男，1980年生，博士，教授，主要从事地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：zhangguohua@cug.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金（No. U24A20599）

Method for determining the optimal axial ratio of elliptical section and operating pressure range in CAES underground gas storage facility

ZHANG Guo-hua1, 2, GUO Hui2, ZHANG Shi-shu3, ZHOU Zhi-yi4, XIANG Yue1, XIONG Feng4, HUA Dong-jie4   

  1. 1. State Key Laboratory of Deep Geothermal Resources, School of Sustainable Energy, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 2. Advanced Technology Research Institute, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China; 3. Power China Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu, Sichuan 610072, China; 4. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan, Hubei 430074, China
  • Received:2025-07-31 Accepted:2025-12-24 Online:2026-02-10 Published:2026-02-04
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (U24A20599).

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摘要： 压缩空气储能电站地下储气库断面形状关乎其受力状态，影响储气库的密封性和稳定性。目前普遍认为圆形断面受力最合理，但在不等向地应力条件下，圆形断面硐周环向应力受力不均匀，易诱发衬砌裂缝集中与局部渗漏。为此，在弹性力学框架下，围绕椭圆形断面储气库开展理论与数值研究。首先，从弹性力学下椭圆形断面受力状态出发，提出气密性保障的判据，给出椭圆形断面的最佳轴比解析解；其次，提出了不等向地应力条件下的储气库稳定性保障判据，建立椭圆形断面运行压力区间的判别方法，并与圆形断面情形进行对比；进一步，结合FLAC3D数值模拟开展参数敏感性分析，评估不同因素对椭圆形断面储气库最佳轴比及运行压力区间的影响；最后，整合形成最佳轴比-压力区间的一体化计算流程。研究结果表明：（1）在不等向地应力条件下，椭圆断面按照最佳轴比设计可使得硐周环向应力处处相等；（2）椭圆形断面储气库按照最佳轴比设计时，压力运行区间最大；（3）侧压力系数、地应力和储气内压是影响椭圆形断面储气库最佳轴比的主要因素；（4）侧压力系数和地应力是影响椭圆形断面储气库运行压力区间的主要因素。该研究成果可为储气库椭圆形断面设计及其运行压力区间提供参考。

关键词: 压缩空气储能, 储气库, 椭圆形断面, 最佳轴比, 运行压力区间

Abstract: The cross-sectional shape of an underground gas storage in a compressed air energy storage (CAES) power plant significantly influences its stress state, thereby affecting gas tightness and stability. It is conventionally considered that a circular cross-section yields the most favorable stress distribution. However, under anisotropic in-situ stress conditions, the hoop stress around a circular cavern is uneven and can induce localized lining cracking and gas leakage. To address this issue, this study investigates elliptical cross-section storage caverns using theoretical analysis based on elasticity theory. First, we propose a gas-tightness criterion based on the elastic stress state and derive an analytical solution for the elliptical cross-section’s optimal axial ratio. Second, we establish a stability criterion for lined rock caverns under anisotropic in-situ stress and develop a method to determine the operating pressure range for elliptical cross-sections, comparing it with the circular cross-section. Furthermore, we perform a parameter sensitivity analysis using FLAC3D to evaluate how factors affect the elliptical cross-section’s optimal axial ratio and operating pressure range. Finally, we establish an integrated calculation process to determine the optimal axial ratio and pressure range. Results show that, under anisotropic in-situ stress conditions, an elliptical cross-section designed with an optimal axial ratio can produce uniform hoop stress around the cavern. When an elliptical cross- section gas storage facility is designed with the optimal axis ratio, its pressure operating range is maximized. The lateral pressure coefficient, in-situ stress and internal pressure of gas storage are the main factors affecting the operating pressure range of elliptical section gas storage. These findings provide theoretical guidance for the shape optimization and pressure design of underground gas storage caverns.

Key words: compressed air energy storage, gas storage cavern, elliptical section, optimal axial ratio, operating pressure range

中图分类号: TU93
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