光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。     

金坛盐岩储气库运营模型试验研究

针对盐岩重度低、低弹强比、高流变性等强度与变形特性,研制出与金坛盐矿盐岩的力学行为较为相似的材料配方;采用地质力学模型试验技术,开展金坛盐岩储气库运行稳定性的模拟试验,研究腔体在周期性注、采气作用下的变形特点与力学分布规律。根据模型试验结果,采用盐岩非线性蠕变损伤本构模型,结合金坛盐岩储气库长期运营进行数值模拟,并与物理模型试验结果进行对比,研究分析储气库围岩在循环加卸载下的力学响应特点与盐岩溶腔的长期运营稳定性,得到了在周期性加卸载作用下腔体围岩蠕变变形的特点与规律,研究表明相似模型试验技术可以有效地应用于盐岩储气库运营长期稳定性的研究,其结果对盐岩储气库的建造与运行具有一定的指导意义和工程应用价值。     

盐岩地下储气库注采气套管运行安全的物理模型试验研究

注采气套管结构是保证盐岩地下储气库注采气正常运行的重要枢纽,在盐岩地下储气库运行过程中,套管混凝土环极易因储库蠕变体积收缩而产生受拉破坏。因此,为了解套管混凝土环的受力和变形特性,采用三维地质力学模型试验技术,对江苏金坛盐岩地下储气库开展了不同采气速率、不同采气内压、储库失压等风险因素影响下的套管运行过程的物理模型试验,通过三维地质力学模型试验较好反映出储气库套管混凝土环的受力和变形特性。研究表明：（1）套管混凝土环的轴向拉应变随采气速率的增加而增大,为保证套管的运行安全,建议储气库的最大采气速率不超过0.65 MPa/d;（2）套管混凝土环的轴向拉应变和套管所受蠕变挤压应力随套管鞋离腔顶距离的减小而增大,为保证储气库运行安全,套管底部距离储库腔顶的距离应大于10 m：（3）套管所受蠕变挤压应力随采气内压的减小而显著增大,储气库的最低运行气压应大于3 MPa,并应最大限度地防止储气库出现失压事故。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

盐岩储气库运营期失效概率分析研究

随着能源地下储备的日益迫切需求,越来越多的盐岩地下储库开始投入使用。盐岩地下储库因其良好的使用功能,愈发被世界各国所采用。因此,对盐岩储气库运营期的安全稳定性研究具有重要的理论意义和工程应用价值。运营期间,储库腔体将受到随时间变化的储气内压的作用,同时,客观存在的诸多不确定性因素不可避免地使盐岩地下储库具有一定的风险性,而由于这种不确定性很难采用确定性方法对其进行研究。以金坛盐岩地下储气库为例,基于有限元软件ANSYS,建立储气库运营期腔体内压-时间历程曲线,对储气库长期流变进行了瞬态力学分析,并基于随机力学分析方法,以体积收缩作为风险控制指标,利用ANSYS-PDS得出储气库在整个运营期失效概率的变化规律。计算表明,在周期性变化的储气内压作用下,腔体位移呈波浪线形不断增长,但增幅逐渐降低;同时,储气库失效概率呈现先慢速增长再快速增长最后逐渐趋于稳定的变化规律。探讨了注采气速率对储气库稳定性的影响,适当降低注采速率可抑制腔体收缩,有利于提高储气库的稳定性。对类似盐岩储库运营期风险分析与评估具有借鉴意义。     

盐岩地下储气库体积收敛失效概率分析与模型试验验证

盐岩地下储气库受盐岩蠕变特性影响会产生较大的体积收缩变形,影响储气库安全稳定运行。目前对地下储气库体积稳定性分析方法和评价准则各国没有统一标准,国内主要采用数值计算的方法来评价储气库体积稳定性。以江苏金坛盐矿地下储气库体积收敛数值分析为基础,借鉴国外盐岩地下储气库稳定性评价标准,建立盐岩地下储气库体积收敛失效风险评价矩阵,采用一次二阶矩法显示功能函数分析储气库体积收敛失效概率,分析得出：储气库在长期恒定内压工况下体积收敛失效概率随内压的增大而减小;在短期调峰低压工况下体积收敛失效概率随内压的减小而增大;最小内压应保持在4.2 MPa以上。通过交变气压条件下层状盐岩地下储气库大型三维地质力学模型试验得出:储气库体积收敛变形随内压的增大而减小;短期运行最小内压应大于4.0 MPa。模型试验结果与失效概率分析结论较为相似。因此,为避免盐岩地下储气库产生体积收敛破坏,应保证调峰短期最小内压在4.0 MPa以上。     

构造模拟实验中的光纤应变测量

在砂箱中埋设光纤模拟脆性挤压变形,运用布里渊光时域反射测量技术(BOTDR)对光纤应变分布进行测量,并与模型变形比较。研究结果表明,光纤应变传感技术可以用来测量构造模拟实验中的应变大小,模型中的应变是由挤压部位逐渐向挤压前方传递的,应变量剧增的部位是断裂或褶皱构造发育的位置,从而可以运用光纤传感技术预测模型潜在的变形位置,为进一步进行模型内部应变研究打下基础。     

井喷失控条件下盐岩储库稳定性分析

井喷压力失控是盐岩储气库运营的极端情况。根据一维绝热管流理论解析得到井喷情形下储库卸压规律。在此基础上结合金坛盐矿工程地质条件,模拟对比分析了不同初始内压失控工况下盐岩储库应力状态、变形收敛特征和损伤破坏规律。结果表明,溶腔硬夹层总是先于盐岩体而屈服形成明显的屈服带,失控卸压阶段塑性区逐渐扩展布满整个腔体并向径向延伸6～8 m;运营压力范围内初始内压越低,储库卸压收敛越大,7 MPa下储库体积损失达5.02%;卸压阶段溶腔内壁围岩应变速率跃升至10-2 s-1数量级,属于准静态范畴。研究认为,井喷失控状态下失控初始内压是维持储库腔体稳定性的关键因素,在极端灾害环境中应确保盐岩储库处于较高的运营压力之下     

应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键问题探讨

在总结上世纪80年代以来岩溶塌陷监测预报方法的基础上,从岩溶塌陷自身特点和光纤传感技术监测原理出发,对目前光纤传感技术应用于岩溶塌陷监测预报急需解决的关键技术问题进行了探讨分析,主要包括环境温度影响、光纤敷设和预报模型建立三个方面。光纤本身的光学特性决定环境温度变化会影响光纤的变形测量,其解决办法主要是进行温度补偿和监测数据修正处理;光纤敷设,主要是解决光纤与岩土体同步变形问题,其办法是通过室内实验确定适宜的胶结剂和最优配比;建立光纤应变与岩土体变形的关系模型是应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键,其解决办法为室内模拟实验。      

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

盐岩三轴间隔疲劳特性试验研究

为研究地下盐穴储气库受间歇性周期注、采循环载荷作用下围岩的非连续疲劳破坏演化过程,对取自巴基斯坦的深层盐岩进行了室内三轴间隔疲劳试验研究,并分析了三轴状态下不同围压、不同应力等级对盐岩间隔疲劳的影响。试验结果表明：（1）与单轴间隔疲劳相比,围压的存在不仅提高了盐岩的抗压强度,而且增加了盐岩的疲劳寿命,围压越高增加的幅度越明显。（2）三轴间隔疲劳试验中,盐岩间隔后循环中的残余应变大于间隔前的残余应变。这与单轴间隔疲劳得到的结果一致,但围压的上升会导致盐岩的残余变形积累速度以及间隔前后循环残余的变形差值都减小。（3）随着应力等级的升高,残余应变以及时间间隔前后的残余应变差值都呈现增大的趋势。     

向家坝水电站地下厂房围岩稳定的黏弹塑性有限元分析

考虑流变作用,建立三维有限元模型进行数值计算,以洞室变形和点抗滑安全系数为指标,针对向家坝水电站地下厂房围岩的特殊性进行稳定性研究,结果表明,随着围压的增高,流变速率逐渐减小,初始应变逐渐减小;软弱夹层处流变速率较其他岩体减小缓慢,且开挖后流变达到稳态状态时软弱夹层最终流变位移较大;黏弹塑性下围岩位移分布及变化规律与弹塑性一致,但黏弹塑性下计算位移明显要比弹塑性大;流变效应对岩体变形和稳定性,以及对支护结构有重要影响;黏弹塑性情况下,洞室围岩特征点抗滑安全系数比弹塑性条件下小,软弱夹层出露处和拱顶点抗滑安全系数较低,点抗滑安全系数分析还表明,软弱夹层对其稳定性影响明显,验证了位移分析结果。     

压气储能浅埋地下储气库性能试验研究

利用地下岩穴进行压缩空气储能是大规模能源存储的可行方式之一。压缩空气地下储存库建设的核心任务是保证储气库的密封性和洞室结构安全性。为了验证浅埋地下储气库的可行性,在湖南平江抽水蓄能电站勘探平硐的花岗岩地层内建造了国内第1个硬岩浅埋衬砌地下储气室,并进行了10次完整的压缩空气充放气循环试验。试验结果表明：储气室内压缩空气温度场呈现出显著不均匀分布的特性,温控系统可以有效地控制储气室的温度变化过程。长时高压储气条件下,试验库的漏气率约为充气率的3.2%,试验库密封性能良好。在8.7 MPa的内压作用下围岩的最大变形量只有0.35 mm左右,高内压引起的变形影响区在10 m范围内,围岩变形安全性良好。试验成果有助于全面深入地认识高压地下储气库的工作性能,并为压气储能地下储气库的设计提供有益参考。     

Design of a Displacement Monitoring System Based on Optical Grating and Numerical Verification in Geomechanical Model Test of Water Leakage of Tunnel

The displacement monitoring of surrounding rock is necessary in geomechanical model test. However, traditional monitoring technology is difficult to meet the needs of displacement monitoring in small geological model tests. To solve the problems mentioned above, the authors developed a multi-point displacement monitoring system based on optical grating including multi-point extensometer, grating scale and multi-channel data acquisition system. Firstly, 3D anchor head with six barbs is designed and connected to the grating ruler by the steel wire, which proved to be rather sensitive to the rock deformation. Additionally, the displacement data collected can be transformed into electrical signal, which can be obtained by multi-channel acquisition system. Finally, the system was used in the model test of tunnel water leakage. The designed anchors were pre-embedded in some key monitoring points around the section in order to investigate measurement of displacements in the lining during the loading of geostress and hydraulic pressure. Afterward, FLAC^3D, the finite-difference method, is adopted to simulate the whole process of physical model test and to compare with the experimental results. The results show that the experimental data was in good agreement with the numerical simulation results. In conclusion, the multi-point displacement monitoring system based on optical grating has higher precision and can be widely used in the physical model test of geotechnical engineering.     

A semi‐analytical approach for modelling heat transfer during salt‐cavern leaching process

The use of gas‐storage caverns in salt formations is a growing industry that continues to gain momentum because it allows gas to be injected and withdrawn at high rates compared with other underground gas‐storage systems such as porous rock systems. In order to predict cavern production performances, cavern thermodynamics behaviour must be studied by higher accuracy approaches. This behaviour is extremely related to the temperature distribution in the surrounding formations. During the leaching process, the thermal equilibrium of the rock salt surrounding the cavern is extensively disrupted. The purpose of this paper is to study the heat transfer problem during the leaching process and to develop a thermal model that can be easily used in field applications. The results of this work will be the input data for the prediction of the gas temperature and pressure during cavern gas‐storage operation phase. Moreover, the developed model can find its use in the design of salt caverns since it can be coupled with geometrical modelling of salt dissolution codes. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

层状盐岩力学和变形特性数值试验研究

对含泥岩夹层层状盐岩力学和变形特性进行有限元分析。首先,用数值试验方法预测含泥岩夹层层状盐岩体宏观等效弹性力学参数,然后,建立层状盐岩复合体细观有限元模型,研究其在单轴和三轴压缩荷载下盐岩、泥岩以及界面细观应力应变场分布特征、应力集中问题,并将上述研究与已有的理论和试验成果进行对比。结果表明,运用细观有限元方法预测层状盐岩宏观弹性力学参数是一种直观有效的方法;泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致在层状盐岩的泥岩夹层中以及界面边缘处存在较为明显的应力集中和差异变形。单轴压缩时,泥岩体由于侧向变形能力差会受到横向拉伸应力作用而盐岩层则相应的受到横向压应力作用,三轴压缩时因围压和偏应力大小不同层状盐岩细观应力应变场分布特征则更为复杂;此方法能更为直观的分析层状盐岩的变形和破损特征,这一分析结果对进一步进行层状盐岩体内油（气）储库硐室稳定性分析提供了理论基础。