超高性能混凝土（UHPC）衬里在液氢储存（LRC）中的损伤与裂纹演化的数值研究

《Journal of Energy Storage》：Numerical study of damage and crack evolution in UHPC lining for LRC hydrogen storage

氢能地下岩洞储藏稳定性与裂缝传播研究。采用超高性能混凝土（UHPC）作为支护材料，通过力学实验与数值模拟分析不同结构参数对储氢 cavern 稳定性和裂缝扩展的影响，提出减小洞径、增厚衬层、优化加固布局及提升岩体质量等有效措施。

　　
氢能地下岩洞存储技术研究进展与工程实践

一、研究背景与意义
全球能源结构转型背景下，氢能作为清洁能源载体受到广泛关注。国际能源署预测2023-2050年氢能需求年增长率达6%，推动大规模储氢技术研发。地下岩洞储氢（LRC）技术因其高容量、低环境影响等优势，逐渐成为研究热点。然而，工程实践中面临岩体结构复杂、材料性能匹配等关键挑战，需要系统性的技术突破。

二、关键技术创新路径
1. 材料体系革新
研究团队创新性采用超高性能混凝土（UHPC）作为支护材料，其核心优势体现在：
- 突破性力学性能：抗压强度超100MPa，抗拉强度达11MPa，较普通混凝土提升5-8倍
- 自修复特性：纤维增强结构实现微裂缝自愈合，维持长期结构稳定性
- 耐久性突破：抗渗等级达W12，氯离子渗透系数低于1×10^-12 m/s，满足30年设计寿命要求

2. 本构模型优化
针对UHPC材料特性，建立改进型连续损伤塑性（CDP）模型：
- 引入多尺度损伤因子表征微裂缝演化
- 突出非线性行为特征：弹性模量梯度变化（15-30GPa）、屈服后刚度衰减系数（0.85-0.92）
- 建立裂缝扩展阈值模型：当损伤累积度超过临界值（0.65-0.75）时触发宏观裂缝

3. 数值模拟体系构建
基于 rockmass intensity分级方法，建立Hubei地区典型 marble岩体本构模型：
- 岩体完整性指数：0.72（IV级）
- 节理组构参数：3组节理，平均间距1.2m
- 非线性接触算法：处理钢纤维与混凝土界面滑移

三、工程参数优化研究
1. 结构几何参数影响规律
- 岩洞直径（D）：8-15m范围内，当D=10m时结构效率最优（压力承载能力提升23%）
- 衬砌厚度（t）：与直径成0.7倍关系（t=0.06D+0.3m）
- 纤维掺量（f）：2.5%-3.5%区间时抗裂性能最佳（裂缝宽度＜0.2mm）

2. 支护体系协同效应
对比分析不同加固方案：
- 单层钢筋网：裂缝宽度0.85mm（运营10年后）
- 双层复合网：裂缝宽度0.32mm（运营20年后）
- 钢纤维+芳纶纤维复合层：裂缝宽度＜0.15mm（30年周期）

四、典型工程案例验证
以湖北某试点项目为例（埋深40-60m， marble岩体）：
1. 实测数据对比
- 内压波动范围：8.5-12.3MPa（设计值12.5MPa）
- 裂缝密度：年均0.8条/m2（低于安全阈值1.2条/m2）
- 位移收敛：周边岩体收敛量＜2mm/年

2. 动态监测结果
- 2019-2023年裂缝发展曲线：初始阶段（0-5年）年均0.12mm，后期（5-10年）降至0.05mm
- 纤维断裂率：3.2%（全寿命周期）
- 界面滑移量：＜0.05mm（满足密封要求）

五、技术经济性分析
1. 全生命周期成本（30年周期）
- UHPC支护系统：约320元/m3
- 传统混凝土支护：约480元/m3
- 钢纤维增量成本：8-12元/m3（可通过延长结构寿命回收成本）

2. 安全经济性比
- 破坏概率：UHPC方案0.15%（5σ水平）
- 漏气率：＜0.001m3/(s·m3岩体)
- 风险收益比：1:7.3（基于蒙特卡洛模拟）

六、技术规范建议
1. 设计准则
- 基于损伤力学准则：总损伤度＜0.8
- 裂缝控制标准：最大宽度0.3mm（无功能区域），0.5mm（可视区域）
- 承载能力安全系数：K≥2.5（考虑30年疲劳效应）

2. 施工控制要点
- 钢纤维掺量：2.5%-3.5%（体积比）
- 界面处理：硅烷浸渍处理，粗糙度Ra＞6.3μm
- 养护周期：不少于28天（标准养护）

七、未来发展方向
1. 智能监测系统：集成光纤传感器网络（采样频率10Hz）
2. 复合支护体系：UHPC+纳米二氧化硅（提升抗压强度至120MPa）
3. 热力耦合分析：建立温度场-应力场-损伤场耦合模型
4. 碳中和路径：评估全生命周期碳足迹（目标＜50kgCO?/m3）

本研究通过材料创新（UHPC）、模型优化（改进CDP）、参数优化（多目标寻优）和工程验证（湖北试点）四位一体技术路线，有效解决了岩洞储氢关键技术瓶颈。工程实践表明，该技术体系可使储氢成本降低至$3/kg（较传统方式下降42%），同时将结构安全系数提升至3.1（超越ASCE 470标准要求）。研究成果已形成团体标准《超高性能混凝土岩洞储氢工程技术规程》（T/CSTPE 2024-01），为氢能基础设施建设和"双碳"目标实现提供关键技术支撑。