氣墊式調(diào)壓室在水電工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高佑國(guó)

摘 要：文章首先分析了氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)中的幾項(xiàng)準(zhǔn)則，之后以民治水電站為例，分析氣墊式調(diào)壓室在民治水電站中的應(yīng)用，最后總結(jié)了氣墊式調(diào)壓室應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究的內(nèi)容，希望能夠更好地促進(jìn)我國(guó)水電工程的發(fā)展建設(shè)。

關(guān)鍵詞：水電工程；氣墊式調(diào)壓室；設(shè)計(jì)；民治水電站；應(yīng)用

氣墊式調(diào)壓室又被稱為封閉調(diào)壓室，是一種利用氣墊內(nèi)空氣的膨脹以及壓縮來(lái)對(duì)調(diào)壓室內(nèi)水位的漲落幅度進(jìn)行控制的設(shè)施。與一般調(diào)壓室不同，氣墊式調(diào)壓室的高度比常規(guī)調(diào)壓室要低很多，受到地形條件的限制較少，并且有利于地表環(huán)境的保護(hù)。除此之外，還能夠在廠房更近的位置進(jìn)行氣墊式調(diào)壓室的布置，由于在縱剖面上的引水道更接近于直線，因此，還能夠縮短引水道的長(zhǎng)度，節(jié)約了水流量，減少了工程量。

世界上第一座氣墊式調(diào)壓室于1973年在挪威建成，近些年來(lái)，我國(guó)在對(duì)氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行研究的同時(shí)，也引進(jìn)了挪威先進(jìn)施工技術(shù)。目前為止，我國(guó)已經(jīng)將氣墊式調(diào)壓室成功的運(yùn)用在大干溝、自一里、小天都、木座、陰坪等水電站上。以下將對(duì)氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行詳細(xì)分析，并以正在建設(shè)的民治水電站為例進(jìn)行氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)應(yīng)用分析。

1 氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 圍巖質(zhì)量準(zhǔn)則

在氣墊式調(diào)壓室的設(shè)計(jì)中，需要遵循圍巖質(zhì)量準(zhǔn)則，也就是判斷圍巖的質(zhì)量能否達(dá)到氣墊式調(diào)壓室規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。氣墊式調(diào)壓室的布置需要選擇巖石強(qiáng)度高，巖體較完整并且需要洞室具有較好穩(wěn)定性的位置。其中需要注意的是，要盡量避免選擇巖溶發(fā)育地區(qū)以及地質(zhì)構(gòu)造不良的地區(qū)。

1.2 最小覆蓋厚度經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則

氣墊式調(diào)壓室應(yīng)首先滿足上抬理論經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則要求。通過(guò)控制垂直和水平覆蓋厚度，從宏觀上避免山體發(fā)生整體上抬和失穩(wěn)現(xiàn)象。最小覆蓋厚度準(zhǔn)則對(duì)于氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是必須滿足的，特別是在初步評(píng)判氣墊式調(diào)壓室方案的成立與否及初擬位置時(shí)更具有重要意義。

1.3 最小地應(yīng)力準(zhǔn)則

最小地應(yīng)力準(zhǔn)則是對(duì)巖石的重力進(jìn)行考慮，是一種簡(jiǎn)單極限平衡法，是氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵循的準(zhǔn)則之一。從實(shí)際的地應(yīng)力來(lái)看，谷坡內(nèi)的地應(yīng)力會(huì)受到地形的很大影響。除此之外，殘余應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力也會(huì)在實(shí)際情況下存在，因此，為了避免圍巖受到水力以及氣壓的劈裂而出現(xiàn)損壞，應(yīng)當(dāng)對(duì)最小地應(yīng)力更加重視。

1.4 巖體抗?jié)B準(zhǔn)則

巖體滲透性是確定洞壁巖體漏水、漏氣量的重要指標(biāo)，應(yīng)選擇透水性相對(duì)微弱的巖體進(jìn)行氣墊式調(diào)壓室布置，應(yīng)進(jìn)行固壁灌漿處理。氣墊式調(diào)壓室一般應(yīng)選擇在圍巖質(zhì)量較好的部位，對(duì)局部范圍透水率較大的部位應(yīng)進(jìn)行灌漿處理，以減少氣體的損失。灌漿一般在氣室內(nèi)進(jìn)行，最大灌漿壓力應(yīng)大于氣墊室內(nèi)最大氣體壓力，并建議按氣墊室最大氣體壓力的1.2倍設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)小于最小主地應(yīng)力。是否對(duì)水幕上方巖體進(jìn)行灌漿處理以降低水幕中可能發(fā)生的漏水問(wèn)題，應(yīng)該視現(xiàn)場(chǎng)具體情況而定。例如挪威水電站的水幕設(shè)計(jì)中未考慮對(duì)水幕上方巖體進(jìn)行灌漿處理。

1.5 地下水壓力梯度準(zhǔn)則

在進(jìn)行氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)中，為了將空氣損失控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，在巖體滲透性較高的情況下，確保氣墊壓力小于圍巖內(nèi)的水壓力是十分重要且必要的。在氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行中，氣墊壓力小于水壓力，能夠有效避免出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，這是避免氣體泄漏的準(zhǔn)則。如果是地下水位較低的氣墊式調(diào)壓室，那么需要進(jìn)行水幕設(shè)置，人為制造必要的孔隙水壓力，從而避免出現(xiàn)漏氣問(wèn)題。

2 氣墊式調(diào)壓室在民治水電站的應(yīng)用

民治水電站位于四川省雅安市，地處國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)、世界自然遺產(chǎn)——四川大熊貓棲息地的外圍保護(hù)區(qū)，為寶興河梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)。該電站為引水式開發(fā)，其開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電并兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。電站裝機(jī)容量為105MW，設(shè)計(jì)引用流量54.18m3/s，設(shè)計(jì)水頭246.31m。電站由首部樞紐、引水建筑物及廠區(qū)樞紐三大部分組成。為解決廠內(nèi)交通問(wèn)題及電站建設(shè)期環(huán)保問(wèn)題，民治水電站調(diào)壓室由原設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)雙室式調(diào)壓室變更為了性能優(yōu)越且易于施工的氣墊式調(diào)壓室，目前施工進(jìn)展較為順利。

2.1氣墊調(diào)壓室的平面位置確定

民治水電站氣墊式調(diào)壓室布置于鄧池溝下游200～500m的東河右岸花崗巖山體內(nèi)，地面高程1650.00m～1725.00m，自然邊坡高陡，除局部緩坡及小型沖溝堆積、洪積碎礫石土外，大部分坡面基巖裸露，地形坡度一般為60°～70°。根據(jù)壓力管道探硐所揭示的地質(zhì)情況選擇圍巖完整性較好的洞段，并考慮氣室埋深的影響，將氣墊式調(diào)壓室布置在壓力管道左側(cè)，軸線方向與壓力管道垂直相交，相交位置為（隧）7+876.879（（管）0+000.000），與小斷層等主要結(jié)構(gòu)面呈大角度相交，有利于洞室穩(wěn)定。其圍巖總體以Ⅲ類為主，埋深滿足要求。

2.2 結(jié)構(gòu)布置

氣墊式調(diào)壓室由氣室和連接隧洞組成，將氣室底板做成傾向于連接隧洞的1%的斜坡，以利于調(diào)壓室向水道補(bǔ)水通暢，在引水建筑物放空檢修時(shí)亦利于氣室內(nèi)水體的放空。氣室底板高程比引水隧洞頂拱高程高6.50m，連接隧洞總長(zhǎng)度為101.00m，底板縱坡i=0.12，其斷面為5.00m×5.00m（寬×高）。氣室的斷面面積為1000.00m2，寬度為10.00m，氣室長(zhǎng)度為100m。

氣室斷面采用鋼筋混凝土夾鋼板的窄高型城門洞型，鋼板呈倒“U”形，內(nèi)嵌在鋼筋混凝土中，鋼筋混凝土起固定鋼板和承受機(jī)組丟棄或增負(fù)荷引起的地下水壓力和氣室氣體壓力之間的差壓。氣室邊墻、頂拱及氣室兩端頭布置系統(tǒng)平壓孔，深入基巖4.00m，排距2.00m，矩形布置。排水鋼管伸入系統(tǒng)平壓孔0.70m，排水鋼管和氣室里的水墊連通。

2.3 防滲設(shè)計(jì)

總結(jié)自一里、小天都、木座、陰坪等已建成氣墊式調(diào)壓室的工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)圍巖固結(jié)灌漿并設(shè)置水幕閉氣效果并不是特別理想，而氣墊式調(diào)壓室鋼罩方案可以將氣體滲漏限制在很小范圍內(nèi)。因此民治水電站氣墊式調(diào)壓室的防滲措施采取鋼罩方案，依靠鋼筋混凝土外掛鋼板封閉砌體的方法防止漏氣，依靠平壓系統(tǒng)平衡氣室鋼筋混凝土外側(cè)水壓力和氣室氣體壓力。氣體滲漏主要是由于高壓氣體溶于水所引起，按經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，氣室漏氣量約2.00Nm3/h。

2.4 支護(hù)設(shè)計(jì)

氣墊式調(diào)壓室采用鋼筋混凝土夾鋼板方式支護(hù)，厚0.75m，鋼板厚度為14mm～22mm，材質(zhì)為Q345R。調(diào)壓室的邊頂拱布置φ25，l=4.50m系統(tǒng)錨桿，間排距2.00m，錨桿深入基巖4.00m，錨桿外露0.50m，倒彎0.40m與混凝土外層鋼筋綁扎在一起。對(duì)于巖體中裂隙發(fā)育的部位，對(duì)裂隙進(jìn)行固結(jié)灌漿。

2.5 氣墊室充氣設(shè)備選擇

氣墊式調(diào)壓室的充氣空壓機(jī)一般分為兩種，一是在運(yùn)行中進(jìn)行補(bǔ)氣，壓力高，壓氣量??；一是初次充氣或者檢修后充氣，壓力低，壓氣量大。在實(shí)際選擇過(guò)程中，需要綜合分析比較耗電量、運(yùn)行維修費(fèi)以及充氣時(shí)長(zhǎng)等因素。民治水電站最終選擇了偏安全考慮，選擇了2臺(tái)充氣空壓機(jī)（單臺(tái)10Nm3/min），2臺(tái)補(bǔ)氣空壓機(jī)（單臺(tái)3Nm3/min）為氣墊室的充氣設(shè)備。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，氣墊式調(diào)壓室對(duì)環(huán)境破壞較小，且經(jīng)濟(jì)效益較高，已經(jīng)在我國(guó)水電工程中逐漸得到推廣以及應(yīng)用。在進(jìn)行氣墊室調(diào)壓室設(shè)計(jì)中，必須遵守圍巖質(zhì)量準(zhǔn)則、最小覆蓋厚度經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則、最小地應(yīng)力準(zhǔn)則、巖體抗?jié)B準(zhǔn)則以及地下水壓力梯度準(zhǔn)則。但是在我國(guó)目前階段來(lái)看，對(duì)于氣墊式調(diào)壓室的研究時(shí)間尚短，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氣墊式調(diào)壓室的分析研究。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉宏.氣墊式調(diào)壓室過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算研究[D].西安理工大學(xué)，2007.