四川省水電站氣墊式調(diào)壓室運用存在問題及建議

張曉哲

(四川省工程咨詢研究院，成都，610016)

1 氣墊式調(diào)壓室簡介

氣墊式調(diào)壓室是一種特殊型式的水電站調(diào)壓室，應用于高水頭水電站的首例工程為挪威Driva電站，于1973年建成。運行原理大致與常規(guī)調(diào)壓室相同，區(qū)別是利用調(diào)壓室上部氣室內(nèi)的高壓空氣形成“氣墊”，抑制室內(nèi)水位高度和水位波動幅值，控制水電站水錘和涌波性能優(yōu)越。

我國首個采用氣墊式調(diào)壓室的電站為2000年7月建成的青海省大干溝水電站，而更多應用、推廣和發(fā)展該技術的則為華能集團四川分公司所屬的綿陽市平武縣境內(nèi)火溪河流域、甘孜州康定縣境內(nèi)瓦斯河流域上的多個水電項目。目前四川省已建成投產(chǎn)的氣墊式調(diào)壓室水電站有自一里、小天都、金康、木座、陰坪、金平、民治、龍洞、達阿果、虎牙等10個水電站。

氣墊式調(diào)壓室主要具備以下優(yōu)勢：布置于山體內(nèi)部、深埋于地下，省掉了常規(guī)調(diào)壓室常有的山坡明挖、施工支洞、壓力管道上下斜井、豎井等工程，減少施工對自然生態(tài)環(huán)境的不利影響，縮短了工期，降低了施工難度和工程投資。

四川省部分氣墊式調(diào)壓室特性參數(shù)見表1。

表1 四川省部分水電站氣墊式調(diào)壓室特性參數(shù)

2 氣墊式調(diào)壓室存在的主要問題

2.1 設計方面

(1)氣墊式調(diào)壓室對圍巖的氣體密閉性要求極高，如何有效封閉氣室中的高壓氣體仍是設計中的一大難題。如自一里電站采用的氣墊式調(diào)壓室是我國首次引進的新技術，由于是在國內(nèi)水電工程中首次應用，缺乏相關的標準、規(guī)程規(guī)范和施工經(jīng)驗，初期運行時出現(xiàn)了漏氣、漏水較為嚴重的狀況，影響了電站的安全滿發(fā)。

(2)受結構特性、現(xiàn)場條件限制，氣墊式調(diào)壓室設計、施工缺陷處理、修復難度極大，消缺投資、發(fā)電損失及社會影響較大，因此氣墊式調(diào)壓室各部設計質(zhì)量要求較高，設計時安全系數(shù)取值一般較保守，相應地提高了工程造價。如虎牙電站2018年1月至2019年12月共進行了4次消缺處理，增加投資8000余萬元。

(3)氣墊式調(diào)壓室及隧道充水放水過程中，鋼板、混凝土與巖體聯(lián)合受力，因承受內(nèi)外壓力差，稍有不慎，就可能造成鋼板、混凝土等破壞，因此，充水放水過程必須采用小幅度水位變化方式。此外，充水放水時間長，特別是地質(zhì)較差地段控制較難，設計時應特別關注。

(4)繼續(xù)推進高壓不襯砌隧洞理論及結構布置方式研究，例如小天都水電站，其引水隧洞地質(zhì)條件較好，部分采用高壓不襯砌隧洞，節(jié)省了投資。

2.2 施工方面

(1)施工環(huán)境差、質(zhì)量控制難度較大。各施工支洞和調(diào)壓室施工過程中空間狹小、通風條件差，成為施工粉塵、爆破硝煙的聚集場所，施工環(huán)境惡劣，影響施工進度。鋼罩施工中存在大量的焊接作業(yè)，背板焊接施工空間狹小，焊接煙塵難以排除、鋼罩內(nèi)氣溫高，施工難度極大，特別是平壓腔內(nèi)兩條豎縫的焊接較困難，質(zhì)量控制難度較大。

(2)調(diào)壓室深埋地下，不利于空氣補給及量測、傳感等各種管線埋設布置。由于距離較長、轉彎較多，管線埋設施工難度較大。

(3)巖爆問題。由于采用了“一坡到底”的引水系統(tǒng)布置，使隧洞沿線的埋藏深度大大增加，初始地應力變大，巖爆發(fā)生的幾率亦大大增加。據(jù)統(tǒng)計，小天都水電站引水隧洞埋深一般400m～500m，最大埋深達780m，約5000m洞段有不同程度的巖爆發(fā)生，約3000m洞段巖爆強烈，由于巖爆的突發(fā)性和隨機性，防范難度大，給施工造成了極大的安全隱患。

2.3 運行方面

(1)調(diào)壓室內(nèi)襯鋼板與回填混凝土的連接縫由于混凝土收縮或溫度應力變化而脫開形成縫隙，雖然鋼板內(nèi)外靜壓力在平壓腔(平壓孔、平壓管)的作用下基本相同，但由于水擊作用產(chǎn)生的動壓力的同步性存在差異，易造成鋼板的徑向震動而加大縫隙寬度，甚至局部完全脫開，造成局部破壞。

(2)氣墊式調(diào)壓室及引水隧洞充放水過程中，鋼板、混凝土因承受內(nèi)外壓力差，致使充放水過程只能采用小幅度水位變化方式，時間長且控制較難，有可能造成鋼板、焊接縫、混凝土等破壞。如民治水電站輸水系統(tǒng)進行首次充放水試驗時水位下降速度較快，在整個放水過程的最后階段，由于調(diào)壓室內(nèi)氣體總量不足，調(diào)壓室內(nèi)絕對氣體壓力低于1個大氣壓，產(chǎn)生了負壓，從而使鋼罩受負壓作用變形脫空。

3 氣墊式調(diào)壓室運用建議

針對氣墊式調(diào)壓室在設計、施工和運行過程中存在的問題，建議如下。

3.1 設計方面

(1)我省參照《水電站氣墊式調(diào)壓室設計規(guī)范》(NB/T 35080—2016)標準設計的達阿果、金平、陰坪、木座、金康水電站氣墊式調(diào)壓室運行效果較好，建議氣墊式調(diào)壓室設計時嚴格參照執(zhí)行設計規(guī)范要求，加強地質(zhì)勘探、測試工作。

(2)氣墊式調(diào)壓室多采用平面長條形布置方案，圍巖條件存在不均一性，因此應特別注意試驗、測試工作、測試成果的代表性，且對局部圍巖條件較差部位加強設計工作。

3.2 施工方面

(1)氣墊式調(diào)壓室總體上對施工技術要求較高，應選擇專業(yè)性且具有一定施工經(jīng)驗的施工單位。

(2)開挖過程中，應盡量減小對圍巖的擾動、破壞，采取短進尺、弱爆破措施；對局部巖石條件變差的部位，應采取加強處理措施。

(3)對采用鋼罩(包)閉氣型式的氣墊式調(diào)壓室，鋼板安裝、焊接質(zhì)量尤為關鍵，除保證施工人員數(shù)量、水平外，必須嚴格對焊接質(zhì)量進行檢查、探傷，確保鋼板焊接安裝質(zhì)量。

(4)氣墊式調(diào)壓室施工環(huán)境條件較差，相應的通風、防護、安全工作需高度重視。

3.3 運行方面

(1)在充水投運、放水檢查過程中，必須嚴格遵照設計提供的運行要求，控制充水、放空速度。

(2)氣墊式調(diào)壓室監(jiān)測、供氣管路較多，應注意保護、加強維護，確保各項功能正常。建議選用知名品牌穩(wěn)定性較好的監(jiān)測儀器和耐壓、水密性較好的電纜。