新聞科研進(jìn)展
武漢巖土所巖石超低頻循環(huán)荷載蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)研發(fā)取得進(jìn)展
在鹽巖層中建設(shè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)與壓縮空氣儲(chǔ)能電站是我國(guó)地下儲(chǔ)能領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展方向。在鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)和壓氣儲(chǔ)能電站運(yùn)行過程中，隨著注采作業(yè)的進(jìn)行，鹽穴內(nèi)部壓力呈現(xiàn)周期性升降變化，導(dǎo)致圍巖長(zhǎng)期承受循環(huán)載荷作用（圖1）。當(dāng)前巖石蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)主要可分為電液伺服蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)和重力加載蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)。前者在開展長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)，易受到斷電和電子元器件損壞等影響導(dǎo)致試驗(yàn)中斷或失敗，后者一般只能實(shí)現(xiàn)恒定的單軸加載，難以提供連續(xù)變化的三軸循環(huán)荷載，兩種類型的蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)在開展低頻率循環(huán)加載蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)都有明顯的局限性。因此，研發(fā)新型蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)已迫在眉睫。
圖1 儲(chǔ)能鹽穴注氣和采氣過程示意圖
對(duì)此，武漢巖土所油氣中心科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了巖石超低頻循環(huán)荷載蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)由五個(gè)主要部分組成：荷載發(fā)生系統(tǒng)、三軸壓力室、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)補(bǔ)排油系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用重力驅(qū)動(dòng)式“動(dòng)靜結(jié)合”加載技術(shù)。通過固定砝碼實(shí)現(xiàn)恒定靜載，可移動(dòng)砝碼生成循環(huán)動(dòng)載，有效突破了傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和重力加載方式在長(zhǎng)周期循環(huán)試驗(yàn)中的技術(shù)限制。此試驗(yàn)系統(tǒng)具有控制性能好、自動(dòng)化程度高、試驗(yàn)精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，最大的優(yōu)點(diǎn)是在開展長(zhǎng)期的蠕變?cè)囼?yàn)中具有極高的穩(wěn)定性，同時(shí)支持自定義循環(huán)荷載的波形和循環(huán)周期。
圖2 巖石超低頻循環(huán)荷載蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)具有以下功能和特點(diǎn)：
1. 動(dòng)（循環(huán)）靜（恒定）結(jié)合加載
本系統(tǒng)采用創(chuàng)新的動(dòng)靜結(jié)合加載機(jī)制，支持恒溫恒壓蠕變?cè)囼?yàn)、循環(huán)軸壓蠕變?cè)囼?yàn)、循環(huán)圍壓蠕變?cè)囼?yàn)和循環(huán)溫度蠕變?cè)囼?yàn)。系統(tǒng)通過優(yōu)化循環(huán)控制效能，集成多種標(biāo)準(zhǔn)荷載波形（如正弦波、三角波等），并支持用戶自定義波形配置，可充分滿足工程實(shí)踐與基礎(chǔ)理論研究的多樣化需求。
2. 高精度大變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
配備大量程位移傳感系統(tǒng)，軸向位移測(cè)量范圍達(dá)75 mm，分辨率優(yōu)于0.2% F.S。環(huán)向位移采用4通道LVDT串聯(lián)測(cè)量技術(shù)，單通道量程25 mm，環(huán)向總測(cè)量范圍擴(kuò)展至100 mm，可精準(zhǔn)捕獲軟巖類材料的大變形特征。
3. 系統(tǒng)可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性
基于砝碼重力加載原理，徹底規(guī)避傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)在長(zhǎng)期試驗(yàn)中因斷電、電子元件故障或控制軟件異常導(dǎo)致的載荷失效風(fēng)險(xiǎn)。低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)配合工業(yè)級(jí)不間斷電源（UPS），可確保在72小時(shí)斷電工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)連續(xù)性與完整性，系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間超過5000小時(shí)。
圖3 (a)循環(huán)周期為1天和7天的低頻循環(huán)荷載蠕變?cè)囼?yàn)應(yīng)力曲線; (b) 循環(huán)載荷蠕變?cè)囼?yàn)中試樣的蠕變曲線
利用該試驗(yàn)系統(tǒng)開展了周期為1天和7天的低頻循環(huán)荷載蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)加載能力、加載穩(wěn)定性和溫控穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。該試驗(yàn)系統(tǒng)已在江蘇淮安鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)、河南平頂山鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)等儲(chǔ)能工程中成功應(yīng)用，準(zhǔn)確、高效地提供了相關(guān)參數(shù)，有力支撐了相關(guān)工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行。
圖4 多級(jí)循環(huán)加載蠕變?cè)囼?yàn)中的應(yīng)力路徑與軸向應(yīng)變曲線
研究成果發(fā)表于一區(qū)TOP期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，并申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52374069）、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52122403）和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（Y2023089）等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775525000356
（作者：李銀平 董志凱 施錫林）