一種氣墊式調(diào)壓室防漏新方法

牟 萍， 陳野鷹， 劉志敏

(1. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074； 3. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙 410008)

一種氣墊式調(diào)壓室防漏新方法

牟 萍1, 2， 陳野鷹1, 2， 劉志敏3

(1. 重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué) 水利水運工程教育部重點實驗室， 重慶 400074； 3. 湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙 410008)

氣墊式調(diào)壓室具有良好的水擊波反射功能，能有效降低水電站負(fù)荷急劇變化時壓力管道的水擊壓力，但運行過程中的漏氣現(xiàn)象制約了氣墊式調(diào)壓室的推廣應(yīng)用。提出了一種防止氣墊式調(diào)壓室漏氣的新方法，即在傳統(tǒng)氣墊式調(diào)壓室內(nèi)放置橡膠芯袋作為盛氣裝置，實現(xiàn)調(diào)壓室盛氣和結(jié)構(gòu)承載功能的分離，利用橡膠材料柔軟、彈性模量小、密封性好等特點，從根本上解決了盛氣密封薄殼容易開裂滲漏的問題。根據(jù)力學(xué)平衡原理、材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和調(diào)壓室結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件，結(jié)合流體力學(xué)理論和調(diào)壓室內(nèi)水位波動的變化規(guī)律，構(gòu)建了橡膠芯袋變形與受力本構(gòu)關(guān)系，并分別推導(dǎo)出了單個、多個橡膠芯袋預(yù)灌氣壓的計算式，為調(diào)壓室結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程控制提供了理論依據(jù)。

氣墊式調(diào)壓室； 防漏； 橡膠芯袋； 壓力平衡理論

氣墊式調(diào)壓室是頂部完全封閉，室內(nèi)充滿壓縮氣體，當(dāng)水錘發(fā)生時，利用氣體的壓縮和膨脹特性來調(diào)整調(diào)壓室內(nèi)水位，進(jìn)而促使壓力管道水流減速或加速的豎圓筒式水電站建筑物[1-3]。目前氣墊式調(diào)壓室封閉氣體的形式有圍巖閉氣、水幕閉氣和罩式閉氣三種[4-6]。解決運行過程中的漏氣問題是長期以來氣墊式調(diào)壓室推廣應(yīng)用的主要技術(shù)難題[7]，以圍巖閉氣型氣墊調(diào)壓室為例，天然情況下封閉性很難滿足要求，通常需要灌漿或者襯砌，成本高且施工技術(shù)復(fù)雜，漏氣后維修困難，耗時長，一般檢修充氣需2～4 d；同時，受氣墊式調(diào)壓室氣體壓力的作用，調(diào)壓室頂部巖體存在上抬失穩(wěn)破壞的風(fēng)險[8]。因此在氣墊式調(diào)壓室建設(shè)中，特別是水文地質(zhì)條件不好的情況下，確保調(diào)壓室良好的封閉性是氣墊式調(diào)壓室建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)[9-11]。

圖1 單一橡膠芯袋式氣墊結(jié)構(gòu)Fig.1 Air cushion structure with an add-on rubber bag

本文針對氣墊式調(diào)壓室漏氣問題，提出了采用橡膠芯袋封閉氣體的橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室，能夠較好地解決氣墊式調(diào)壓室的漏氣問題,豐富了氣墊式調(diào)壓室的閉氣型式。

1 橡膠芯袋式氣墊

橡膠芯袋式氣墊是在傳統(tǒng)的氣墊式調(diào)壓室頂部封閉空間內(nèi)安裝橡膠芯袋，如圖1所示。通過安裝橡膠芯袋，可以簡化調(diào)壓室壁結(jié)構(gòu)的功能，橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室的室壁結(jié)構(gòu)只需滿足承載的要求，無需再考慮是否漏氣。用橡膠芯袋替代傳統(tǒng)的薄殼，優(yōu)點在于橡膠芯袋防漏氣效果好，且材質(zhì)柔軟、彈性模量小，其表面形狀與水面和封閉薄殼圍成的空間完全相同，能夠?qū)崿F(xiàn)橡膠芯袋與水面、圍巖的無縫結(jié)合，較好地解決了氣墊式調(diào)壓室的漏氣問題。具體做法：根據(jù)水動力學(xué)條件和壓力平衡理論，預(yù)先將適量壓縮氣體灌入橡膠芯袋內(nèi)，然后將橡膠芯袋置于調(diào)壓室內(nèi)。

為了方便制作與檢修更換，還可將橡膠芯袋制作成若干個獨立的小芯袋——多芯袋式橡膠氣墊調(diào)壓室。與單一橡膠芯袋相比，多橡膠芯袋可根據(jù)上游庫水位的變化或下游尾水位的漲落情況靈活地選擇需充壓縮氣體的橡膠芯袋數(shù)量，水位差越大，需要充氣的芯袋數(shù)量越多，反之則充氣的芯袋數(shù)量越少。

2 橡膠芯袋壓力平衡

當(dāng)電站發(fā)生意外突然關(guān)閉引水閥門或需要打開閥門引水發(fā)電時，上游水位的變化會導(dǎo)致調(diào)壓室內(nèi)的水位產(chǎn)生上下波動[12]，如為開敞式調(diào)壓室，水面壓力保持不變、始終與大氣壓相等，但頂部封閉后，水面壓力隨水位波動發(fā)生變化。水位升高，頂部封閉氣體被壓縮，水面壓力隨之增大；相反水位降落時調(diào)壓室頂部封閉氣體膨脹，水面壓力下降。傳統(tǒng)的氣墊式調(diào)壓室是依靠薄殼來平衡水壓力，頂部水面以上封閉薄殼承受的最大壓力、氣體壓力與調(diào)壓室內(nèi)異相界面壓力三者相等，如圖2(a)所示。

橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室，其頂部封閉殼體所承受的壓力大小與變化規(guī)律與傳統(tǒng)氣墊式調(diào)壓室沒有差異，不同之處在于作用在頂部封閉殼體的壓力不是由氣體直接傳遞，而是通過橡膠芯袋傳遞到薄殼，由于受橡膠芯袋自重和側(cè)面摩擦阻力的影響，其壓力值略小于波動水面壓力。然而當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)水位發(fā)生波動時，水面擠壓橡膠芯袋使其體積減小、氣體受到壓縮、氣壓增高，若不受外界約束，在袋內(nèi)氣壓作用下，芯袋的橡膠會產(chǎn)生拉力，其容積尺寸變大。但芯袋周圍受水面擠壓，同時受到調(diào)壓室壁和頂部薄殼的制約，橡膠芯袋的容積不增，反而減小。盡管如此，由于橡膠自身彈性模量較小，橡膠芯袋仍能夠緊貼在薄殼上，實現(xiàn)與薄殼的無縫結(jié)合。徑向上將自身承受的氣壓增量均勻地傳遞給圓筒薄殼，完全由薄殼進(jìn)行平衡，在此過程中芯袋橡膠僅作為墊塊起傳遞氣壓荷載的作用；軸向上，橡膠芯袋氣壓由頂部薄殼(波動水面)和橡膠芯袋軸向彈性變形力共同承擔(dān)，如圖2(b)所示。當(dāng)水位降低時，壓縮氣體逐漸膨脹，氣壓相應(yīng)降低，橡膠芯袋傳遞至薄殼的壓力也隨之減小，直至消失。由于水面波動過程中，芯袋體形產(chǎn)生改變，其彈性應(yīng)力也會發(fā)生變化，因此，薄殼受到的壓力增量與芯袋內(nèi)氣壓增量不完全一致。

圖2 氣墊調(diào)壓室壓力傳遞Fig.2 Pressure transmission for air cushion surge chamber

本文提出的橡膠芯袋式調(diào)壓室中，橡膠芯袋和圍巖各司其職，圍巖僅提供結(jié)構(gòu)支撐和盛水的作用，不再兼顧盛氣功能，結(jié)構(gòu)制作不再需要內(nèi)襯鋼板密封氣體，只需采用簡單鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土材料即可，橡膠芯袋負(fù)責(zé)盛氣調(diào)壓，兩者可實現(xiàn)無縫結(jié)合。但是，為了阻止水位波動，盡快使調(diào)壓室內(nèi)水位恢復(fù)平穩(wěn)，橡膠芯袋內(nèi)需預(yù)先灌入壓縮氣體，使其在調(diào)壓室內(nèi)水位波動過程中具有足夠的能量抵抗水位升降，并快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，減小水位波動對引水系統(tǒng)與壓力管道的不利影響，保護(hù)電站機(jī)組正常工作與安全運行，灌入氣體壓力的大小應(yīng)由橡膠的物理特性、力的平衡條件與電站運行要求確定。

3 橡膠芯袋氣壓變化規(guī)律

由于受到調(diào)壓室內(nèi)水位波動的影響，橡膠芯袋內(nèi)壓縮氣體的體積不斷發(fā)生變化，體積變化也將引發(fā)氣體壓力的改變。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)飛逸事故突然關(guān)閉壓力鋼管閘閥時，水擊壓力很快傳遞至調(diào)壓室，使室內(nèi)水位上升，橡膠芯袋受到擠壓，體積逐漸縮小，氣體壓力隨之升高，水位波動至最高時氣壓出現(xiàn)峰值。在此過程中管道內(nèi)的水壓力逐漸減小，最終低于調(diào)壓室的水壓力，在壓力差的作用下，調(diào)壓室內(nèi)的水體又開始流入管道，其水位回落氣體壓力逐漸減小，當(dāng)調(diào)壓室與管內(nèi)水體壓相等時，在慣性作用下水體的流動仍不會停止，橡膠芯袋內(nèi)的氣壓仍在減小，這種變化將繼續(xù)到水位波動至低谷時，橡膠芯袋內(nèi)的氣體壓力出現(xiàn)最低值。然后，在管道水壓的作用下，水體又反向由管道流入調(diào)壓室，使調(diào)壓室內(nèi)水位重新開始上升，氣體壓力又逐漸加大直至水位波動到峰值，這樣周而復(fù)始，直至水位波動停止。

4 橡膠芯袋氣壓的理論計算

由于橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室的袋內(nèi)氣壓隨水位波動發(fā)生變化，為了確保橡膠芯袋的承載能力滿足要求，掌握氣體壓力變化規(guī)律，保證調(diào)壓室正常工作，有必要建立橡膠芯袋受力與水位波動變幅間的本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)電站發(fā)電機(jī)飛逸時，閥門關(guān)閉時間受水輪機(jī)的特性與引水系統(tǒng)的安全制約，關(guān)閉時間長、調(diào)壓室中水位波動小、引水系統(tǒng)附加壓力低，但高速水流長時間沖擊水輪機(jī)空轉(zhuǎn)，對水輪機(jī)不利、容易造成破壞，反之亦然。由此可知當(dāng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生飛逸時，應(yīng)找到能使引水系統(tǒng)與水輪機(jī)組兩者綜合危害最低的閥門關(guān)閉時間，雖然調(diào)壓室水面波動幅度較大，在橡膠芯袋的選擇上僅需考慮最低和最高發(fā)電水位以及相應(yīng)條件時要求的壓力選擇調(diào)壓室、橡膠芯袋的尺寸等物理參數(shù)即可。據(jù)此可以確定水位波動與其他調(diào)壓室水力參數(shù)。

假設(shè)①水位波動發(fā)生前橡膠芯袋底部與水面完全接觸；②忽略了鋼筋混凝土室壁結(jié)構(gòu)變形和橡膠芯袋的自重。若橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室水位波動容許值為[z]、與閥門關(guān)閉時間相應(yīng)的同條件開敞式調(diào)壓室水位波動值為z，則水位波動表面壓力即橡膠芯袋式氣墊最大氣體壓力p，調(diào)壓室結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)如圖3所示。

圖3 單一橡膠芯袋和多個橡膠芯袋幾何參數(shù)Fig.3 Geometric parameters for air cushion structure with one add-on rubber bag and multiple add-on rubber bags

對于單一橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室，則有：p=(z-[z])γ

(1)

水位波動過程中橡膠芯袋氣體體積壓縮量Δv，有：Δv=(π/4)d2[z]

(2)

(3)

橡膠芯袋壓縮氣體壓力增量Δp：Δp=ζ[z]-η[z]

(4)

橡膠芯袋壓縮氣體注入壓力：pz：pz=(z-[z])γ-ζ[z]+η[z]

(5)

對于多個(如n+1個，其中頂部圓柱球形帽橡膠芯袋1個，下部圓柱形橡膠芯袋n個)橡膠芯袋的氣墊式調(diào)壓室，忽略橡膠芯袋之間的摩擦力。

(6)

(7)

(8)

5 結(jié) 語

漏氣現(xiàn)象阻礙了氣墊式調(diào)壓室的應(yīng)用推廣與發(fā)展，本文提出的橡膠芯袋式氣墊調(diào)壓室，通過調(diào)壓室內(nèi)置入橡膠芯袋，將結(jié)構(gòu)構(gòu)造與盛氣容器進(jìn)行分離，便于調(diào)壓室的檢修與盛氣芯袋的更換，較好地解決了氣墊式調(diào)壓室封閉薄殼漏氣的工程難題。利用橡膠芯袋變形與受力的本構(gòu)關(guān)系創(chuàng)建了橡膠芯袋氣壓計算方法，為內(nèi)置橡膠芯袋預(yù)灌氣壓標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計計算提供了理論依據(jù)。

[1] 王波, 張建梅, 鞠小明, 等. 氣墊式調(diào)壓室的運行特性[J]. 人民黃河， 2006, 28(2)： 77- 78. (WANG Bo, ZHANG Jianmei, JU Xiaoming, et al. Characteristics of air cushion surge chamber[J]. Yellow River, 2006, 28(2): 77- 78. (in Chinese))

[2] 馬善定, 汪如澤. 水電站建筑物[M]. 2版. 北京： 中國水利水電出版社, 2002. (MA Shanding, WANG Ruze. Structure of hydroelectric power station[M]. 2nd ed. Beijing: China Water and Power Press, 2002. (in Chinese))

[3] KIM S G, LEE K B, KIM K Y. Water hammer in the pump-rising pipeline system with an air chamber[J]. Journal of Hydrodynamics, 2014(6): 960- 964.

[4] 方光達(dá). 水電站氣墊式調(diào)壓室應(yīng)用現(xiàn)狀和主要設(shè)計問題[J]. 水力發(fā)電, 2005, 31(2): 44- 47. (FANG Guangda. Application of air-cushion surge shaft for hydropower station and its main design problems[J]. Water Power, 2005, 31(2): 44- 47. (in Chinese))

[5] 張團(tuán), 郭元元, 楊興義. 地下氣墊式調(diào)壓室首次采用鋼管閉氣型式的應(yīng)用[C]∥中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 水電站壓力管道——第八屆全國水電站壓力管道學(xué)術(shù)會議論文集. 北京： 中國水利水電出版社, 2014. (ZHANG Tuan, GUO Yuanyuan, YANG Xingyi. First application of steel pipe type in the underground air-cushion surge chamber[C]∥Chengdu Engineering Corporation Limited, Power China. Pressure Pipe System of Hydropower Station——Proceedings of the Eighth National Symposium. Beijing: China Water and Power Press, 2014. (in Chinese))

[6] 李強(qiáng), 鄭道明, 周雪瓊.(外掛)鋼罩氣墊式調(diào)壓室施工技術(shù)[J]. 四川水力發(fā)電, 2013, 32(3): 150- 153, 228. (LI Qiang, ZHENG Daoming, ZHOU Xueqiong. Construction technology of air cushion surge chamber with add-on steel cover[J]. Sichuan Water Power, 2013, 32(3): 150- 153, 228. (in Chinese))

[7] 李海濤， 孫麗君. 氣墊調(diào)壓室與減壓閥聯(lián)合防護(hù)下的減壓閥優(yōu)化[J]. 人民長江, 2016, 47(9): 67- 70. (LI Haitao, SUN Lijun. Optimization of pressure reducing value under joint protection of pressure reducing value and air cushioned surge chamber[J]. Yangtze River, 2016, 47(9): 67- 70. (in Chinese))

[8] 華富剛. 氣墊式調(diào)壓室設(shè)計中的主要問題研究[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2006, 12(4)： 221- 222, 226. (HUA Fugang. Research on the main design problems of air-cushioned surge chamber[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2006, 12(4): 221- 222, 226. (in Chinese))

[9] 杜鵬俠. 氣墊式調(diào)壓室在我國的應(yīng)用研究[D]. 成都： 四川大學(xué), 2005. (DU Pengxia. Application of air cushion surge chamber in China[D]. Chengdu: Sichuan University, 2005. (in Chinese))

[10] HU Jianyong, ZHANG Jian, SUO Lisheng, et al. Advance in research on air cushion surge chamber in hydropower plant[C]∥Energy Systems: Analysis, Thermodynamics and Sustainability ——ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Proceedings (IMECE). American Society of Mechanical Engineers (ASME), 2007: 259- 264.

[11] LUO Guojie, HU Yongsheng, HUANG Kun. Research on the effect of gas leaking and gas-supplementing measurements of air cushion surge chamber[C]∥Applied Mechanics and Materials——International Conference on Civil Engineering, Architecture and Sustainable Infrastructure, ICCEASI 2012. Trans Tech Publications, P.O. Box 1254, Clausthal-Zellerfeld, D-38670, Germany 2012: 414- 418.

[12] 彭志遠(yuǎn), 楊建東, 郭文成. 恒定流條件下氣墊式調(diào)壓室室內(nèi)水位與氣壓的模擬[J]. 水動力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯), 2016, 31(2): 239- 244. (PENG Zhiyuan, YANG Jiandong, GUO Wencheng. Simulation of water level and air pressure inside the air cushion surge chamber under steady flow condition[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics(SerA), 2016, 31(2): 239- 244. (in Chinese))

Anewanti-leakagemethodusedinaircushionsurgechamber

MU Ping1, 2， CHEN Yeying1, 2， LIU Zhimin3

(1.NationalEngineeringTechnologyResearchCenterforInlandWaterwayRegulation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 2.KeyLaboratoryofWaterConservancyandTransportEngineeringoftheMinistryofEducation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China； 3.HunanProvincialCommunicationsPlanning,Survey&DesignInstitute，Changsha410008,China)

The air cushion surge chamber has a good function for reflecting water-hammer waves. That is why it can effectively reduce water hammer pressure in the pressure pipeline when the load of hydroelectric power station change dramatically. However, the leakage is always restricting the popularization and application of the air cushion surge chamber at a large scale. To solve such problems, a new technique which can effectively prevent the leakage of pressure gas is put forward in this paper. We can place rubber bags as a kind of obturator devices in the traditional air cushion surge, as a result, the rubber bags can confine gas and the surrounding rock just undertakes structural load. The new air cushion surge chamber with add-on rubber bags can successfully realize the separation of confining gas and bearing load. The air cushion surge chamber with add-on rubber bags that has the advantages of softness, low elastic modulus, and good sealing, is first put forward to radically solve the problems of pressure gas leakage when the closed thin shell is cracking. At the same time, it can achieve the seamless merge between the rubber bags and the surrounding rock of the air cushion surge chamber. Based on the theory of fluid mechanics and water level fluctuation in the air cushion surge chamber, the constitutive relation between stress and deformation of the rubber bag is well analyzed and then the calculation formulas of air needed to be pushed into a single rubber bag or multiple ones are deduced. They can meet with the force balance principle, the stress-strain relationships of the rubber material, as well as deformable coordination condition of the surge chamber. The new method for preventing leakage provides theoretical references for design and construction of the air cushion surge chamber and for engineering control in the process of operation.

air cushion surge chamber; a new anti-leakage method; rubber bag; pressure balance theory

TV74

A

1009-640X(2017)05-0018-05

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.003

牟萍， 陳野鷹， 劉志敏. 一種氣墊式調(diào)壓室防漏新方法[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(5): 18-22. (MU Ping, CHEN Yeying, LIU Zhimin. A new anti-leakage method used in air cushion surge chamber[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 18-22. (in Chinese))

2016-08-24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51509027)

牟 萍(1986—)， 女， 山東德州人， 博士研究生， 主要從事水電站建筑物、 航道整治理論與技術(shù)研究。

E-mail: mpdream2012@163.com 通信作者： 陳野鷹(E-mail: cyy2227@163.com)