氣墊式調壓室應用分析

錢 震 偉

(四川省工程咨詢研究院，四川 成都 610021)

1 概 述

近二十年來，氣墊式調壓室在我省水電工程中的應用越來越多，技術更加成熟，但效果良莠不齊，行業(yè)內對氣墊式調壓室應用的認識也褒貶不一。筆者對四川省已投運的且采用氣墊式調壓室的水電工程進行了建設情況、運行情況的調查，通過實例總結分析氣墊式調壓室在建設期、運行期的優(yōu)劣，為以后水電工程氣墊式調壓室方案選擇和設計提供參考。

2 氣墊式調壓室運行原理[1]

氣墊式調壓室的運行原理與常規(guī)調壓室大致相同，就是在輸水系統(tǒng)中形成擴大的自由水面，通過反射對因機組負荷變化導致壓力管道中出現(xiàn)的水擊現(xiàn)象起抑制和衰減作用，以改善機組運行狀況，提高供電質量。區(qū)別是氣墊式調壓室利用調壓室上部氣室內的高壓空氣形成“氣墊”，抑制室內水位高度和水位波動幅值，控制水錘和涌波性能更優(yōu)越，對于機組穩(wěn)定運行更為有利，適用于對環(huán)境有較高要求的高水頭中小型電站。氣墊式調壓室典型布置圖見圖1。

圖1 氣墊式調壓室典型布置圖

3 氣墊式調壓室主要技術問題的研究歷程

(1)調壓室設置的水力條件。從理論上看，氣墊式調壓室對于水錘的反射與常規(guī)開敞式調壓室遵守相同的規(guī)則，開敞式調壓室設置的水力條件對氣墊式調壓室同樣適用。

(2)氣墊式調壓室主要技術問題的研究歷程[2]。氣墊式調壓室的主要技術問題是滲透性及結構受力問題。

①早期研究和應用。氣墊式調壓室的研究和應用最早出現(xiàn)在挪威，該型電站輸水系統(tǒng)一般利用有利的地形地質條件，采用從進水口到廠房一坡到底的有壓管道布置型式。綿陽市平武縣火溪河自一里水電站是四川省第一個采用氣墊式調壓室的電站，上世紀末在進行氣墊式調壓室研究時，考慮到當時國內氣墊式調壓室設計經驗不足，而且隧洞沿線地質情況又不明朗，如果采用“一坡到底”的布置型式，則隧洞全為高壓段，在施工和將來電站運行中的不可預見因素較多。再者，施工出碴、排水、支硐布置需作深入研究，考慮到自一里水電站開工在即，各施工支洞位置不宜作較大調整，因此引水線路未采用“一坡到底”的布置型式，而是將氣墊式調壓室設置在半坡中。為指導工程設計，根據自一里水電站氣墊式調壓室埋藏于地下的特點，結合挪威類似工程經驗，行業(yè)內在當時提出了氣墊式調壓室布置的三條原則：

a.埋深。對于高壓氣墊式調壓室，埋深按挪威準則且應滿足洞內靜水壓力小于最小地應力的要求進行選擇。

b.地應力。為避免水力劈裂，巖體中的最小主應力σ3應大于調壓室內產生的最大氣壓。

c.滲透性。氣墊式調壓室漏氣控制標準為：滲透性指標Lu≤1，則氣墊式調壓室的漏氣量可按公式估算；否則，必須進行固結灌漿處理。滲透性指標Lu≤0.01時考慮不設水幕，否則，必須設置水幕。

考慮到水幕的設計壓力較大，供水系統(tǒng)復雜，費用高，到目前為止，國內的氣墊式調壓室均未設置水幕，僅在自一里、小天都的電站前期設計中有所考慮[3-4]，但均未實施。

②近期研究和應用。隨著理論研究的深入和“鋼罩+平壓孔”技術的出現(xiàn)和應用，氣墊式調壓室的滲透性條件也相應放寬。2016年6月施行的《水電站氣墊式調壓室設計》(NB/T35080-2016)對氣墊式調壓室設置條件作了以下4條要求：

a.氣墊式調壓室應利用圍巖承擔內水或氣體壓力，圍巖宜為中硬巖或堅硬巖，以不低于Ⅲ類的較完整的巖體為主。

b.埋深條件，同前原則，但有所提高，經驗系數提高到1.3～1.5。

c.地應力條件，同前原則，但有所提高，最小主應力σ3應大于等于1.2～1.5倍室內最大氣壓。

d.氣墊式調壓室區(qū)域宜有較高的天然地下水位，或能形成穩(wěn)定的滲流場。設計壓力下高壓壓水巖體透水率宜小于5 Lu。

從早期研究到規(guī)范出臺，可以看出在氣墊式調壓室的設置條件中，行業(yè)內對巖體滲透性的要求降低了，對與結構受力問題緊密相關的地質條件，雖對圍巖特性作了要求，但也相對寬松。其原因在于從理論上講，滲透性和結構受力問題都可通過一定的工程措施予以解決，甚至不受地形條件的限制，如位于青海戈壁灘的大干溝和南山口水電站和位于四川深山的金康水電站。

大干溝水電站為我國首個采用氣墊式調壓室的水電站[5]，為適應戈壁灘獨特的地形地質條件，采用地面“鋼包”來解決氣密性問題。大干溝水電站裝機容量2×10 MW，額定水頭70 m，鋼包直徑為10 m，高度為14 m，鋼板厚18 mm，材質為16 Mn鋼，外包50 cm的混凝土保溫層。電站自2000年投運至今運行穩(wěn)定，補氣間隔大概為半個月1次，每次補氣約1 h。大干溝水電站下游的南山口二級水電站，裝機容量2×7 MW，額定水頭68.5 m，采用地面3個“鋼包”串聯(lián)組成調壓室，鋼包直徑為17 m，高度為26.5 m，鋼板厚度為32 mm，材質為16 Mn鋼，鋼包外包裹厚80 cm的混凝土保溫層。電站投運至今運行穩(wěn)定，補氣間隔大概為一個月1次，每次補氣約1 h。

自一里水電站于2004年順利投產，由于正值西部水電大開發(fā)的初期，自一里水電站的成功經驗使氣墊式調壓室迅速在四川省內得到推廣應用。在甘孜州金湯河金康水電站氣墊式調壓室設計中，首次采用地下“鋼罩”解決氣密性問題。金康水電站裝機容量2×75 MW，額定水頭458 m，氣室斷面為9.8 m×15.9 m(寬×高)，長80 m。氣墊式調壓室“鋼罩”為厚120 cm的鋼筋混凝土，中間夾鋼板閉氣，采用襯砌外圍巖中設平壓孔來解決“鋼罩”受力問題，同時考慮平壓孔的作用不一定在理想狀態(tài)，且洞室結構相對較大，鋼筋混凝土襯砌厚度設計時留有較大裕度。電站2006年投運后運行總體穩(wěn)定。

大干溝及南山口水電站地面“鋼包”氣墊式調壓室的成功經驗，體現(xiàn)了氣墊式調壓室在平緩戈壁灘上應用的優(yōu)越性，金康、木座等水電站地下“鋼罩”氣墊式調壓室的成功經驗，體現(xiàn)了氣墊式調壓室在山地應用的適應性。這些成功經驗也從理論上延伸了氣墊式調壓室適用條件，即通過技術手段解決高壓段防滲和結構穩(wěn)定問題后，氣墊式調壓室的設置對地形、地質條件的要求進一步放寬，理論上常規(guī)調壓室?guī)缀醵伎捎脷鈮|式調壓室替代。特別是金康水電站采用“鋼罩+平壓孔”技術成功后，對地質條件要求不再苛求，這在之后四川省一些中小型電站設計理念中得以明顯體現(xiàn)。四川省已建成投產的氣墊式調壓室水電站除較早建成的自一里、小天都采用圍巖灌漿閉氣方式外，金康、陰坪、木座、民治、二瓦槽、龍洞、金平、達阿果、虎牙等其他十余個水電站均采用了地下“鋼罩”閉氣方式。其中不乏地質條件欠缺的，如金康水電站的高壓引水隧洞為當時國內巖溶、石膏層地區(qū)內水壓力最大的隧洞，如虎牙水電站引水隧洞千枚巖發(fā)育、巖體裂隙發(fā)育。

4 氣墊式調壓室技術的優(yōu)勢

(1)采用氣墊式調壓室，引水隧洞在縱剖面上可采用直線布置(即所謂的“一坡到底”)，而不是常規(guī)調壓室所要求的折線布置，故隧洞軸線縮短，沿程和局部水頭損失減少，增加發(fā)電效益。

(2)采用氣墊式調壓室，施工支洞設置高程較低，有效減少常規(guī)調壓室施工所需修建的盤山施工道路，能很大程度地減少施工對自然生態(tài)環(huán)境的不利影響。同時由于占地面積減少，工程建設時征占用地難度降低，對推動工程建設能起到積極作用。

(3)氣墊式調壓室布置比較靈活，可視地質條件沿管線幾百米范圍內擇優(yōu)布置，而常規(guī)調壓室受地形地質條件限制，布置可選范圍相對較小。

(4)采用氣墊式調壓室，控制水錘和涌波性能優(yōu)越，能提高機組調節(jié)的穩(wěn)定性，對電站運行有利。

(5)隨著“鋼罩”“鋼包”等閉氣設施和施工技術的進步，理論上氣墊式調壓室對地質條件的要求降低，其適用范圍越來越廣。

(6)從工程投資角度看，對四川省已建成的十余座氣墊式調壓室水電站初步調查表明，氣墊式與常規(guī)式調壓室相比，除去早期建設的自一里電站外，其他項目工程投資均略有降低，并呈現(xiàn)出工程地質條件越好，投資節(jié)約越明顯的規(guī)律。

5 氣墊式調壓室技術的劣勢

(1)氣墊式調壓室及高壓隧洞對地質條件要求很高。我國在研究和應用氣墊式調壓室初期，結合挪威類似工程經驗，曾提出了設置氣墊室調壓室的三條原則：埋深、地應力和滲透性。尤其滲透性原則對地質條件要求很高，一般要求調壓室和高壓隧洞巖體為較完整的堅硬巖，且為非可溶性巖。后雖發(fā)展了“鋼罩”“鋼包”等技術解決了調壓室氣室滲透性問題，深埋高壓隧洞結構安全和內水外滲風險也可通過加強、加厚襯砌或調整位置及埋深來解決，但地下隱蔽工程的特殊性及現(xiàn)有的地質勘察技術手段和勘察要求無法在前期勘察中進行非常準確的地質預測，有時在開挖后或試運行時才暴露出一些地質缺陷。而前期的結構設計只能在地質預測的基礎上進行，兼顧安全性和經濟合理性。當在實施過程中或投運時才暴露出大的地質缺陷，采用技術方案處理時通常受實施現(xiàn)狀制約，處理難度大，工期長、投資高。

較早建成的自一里、小天都水電站調壓室均采用圍巖灌漿閉氣。自一里水電站調壓室圍巖為印支期二云母花崗巖，巖性堅硬，為Ⅱ類圍巖，洞室附近無斷層和軟弱帶發(fā)育，但局部裂隙發(fā)育。工程實施時對洞室圍巖采用高壓固結灌漿，對表面裂隙采用環(huán)氧砂漿封閉等措施來保證滲透性，但試運行時還是出現(xiàn)了無法充水充氣問題。參建單位經過分析研究后認為：由于裂隙發(fā)育的隨機性及可能存在的灌漿施工工藝問題，導致原先的高壓固結灌漿效果不佳，圍巖滲透性達不到要求。鑒于工程現(xiàn)狀及當時類似經驗很少，反復研究后最終通過大范圍高壓灌漿補強圍巖、表面裂隙涂刷聚合物等措施方解決問題，處理的難度較大，周期長，發(fā)電工期延長較多，工程投資也相應增加。而小天都水電站調壓室圍巖也是Ⅱ類花崗巖，但裂隙不甚發(fā)育，完整性較好，洞室圍巖同樣采用高壓固結灌漿防滲，投運后并未出現(xiàn)類似自一里水電站的問題。

虎牙水電站裝機容量48 MW，額定水頭401 m，設計引用流量13.50 m3/s，在前期設計中采用常規(guī)水室式調壓室，工程實施時考慮到工程區(qū)緊鄰“雪寶頂自然環(huán)境保護區(qū)”，環(huán)境保護要求高，為減少工程施工對環(huán)境的影響，同時降低移民安置的難度，在投資相當的情況下，將常規(guī)調壓室變更為“鋼罩+平壓孔”的氣墊式調壓室。2018年初建成準備充水投產時發(fā)現(xiàn)高壓洞段漏水嚴重，根本無法加壓。多方分析論證后認為：高壓洞段和調壓室圍巖為中厚層狀泥質灰?guī)r，以Ⅲ類為主，具備建氣墊式調壓室的基本條件，但圍巖強度不高，且夾少量薄層狀千枚巖，裂隙非常發(fā)育，初期對圍巖采取的固結灌漿措施，效果遠達不到結構設計和防滲要求?；诠こ态F(xiàn)狀，參建各方反復研究論證后不得不采用對約1 km長高壓洞段加內鋼襯、調壓室鋼罩加厚并由“鋼罩+平壓孔”型式調整成“鋼罩”承受內外水壓力和圍巖壓力的高壓容器型式、“鋼罩”外側圍巖進行固結灌漿等非常規(guī)措施進行處理，最終問題得以解決。但其施工難度非常大，處理時間近兩年，直接投資增加過億，發(fā)電工期延誤兩年多，經濟損失較大。

(2)理論研究表明：氣墊式調壓室小波動穩(wěn)定面積較常規(guī)調壓室大得多，不適用于大流量或上游庫水位變幅較大的電站，亦不適用于尾水調壓室。在氣墊式與常規(guī)式均可采用的調壓室中，氣墊式較常規(guī)式體積大，增加了地下大洞室開挖的施工難度和安全風險、支護費用。且因氣墊式調壓室布置的特點，無論是水幕式，還是“鋼罩”式，施工過程中的排風散煙難度大，施工作業(yè)環(huán)境較常規(guī)調壓室更差。

(3)氣墊式調壓室需設置充氣空壓機和補氣空壓機，且隨著氣墊厚度的變化和漏氣情況需及時補氣，較常規(guī)調壓室增加了運行工作量和運行成本，運行維護相對復雜，對運行維護人員的要求更高。金平水電站運行情況表明，調壓室正常運行維護年成本20萬左右。民治水電站放空檢查時因放空程序出錯，致使鋼罩損壞，雖經修補，可以維持電站的安全運行，但漏氣量仍偏大。

(4)氣墊式調壓室若采用水幕式，地下巖體裂隙發(fā)育的隨機性可能導致灌漿施工質量不可控，上述提到的自一里電站即存在此問題。若采用鋼罩式，則鋼板焊縫施工質量要求很高。2017年底投產的龍洞水電站因鋼罩漏氣導致運行后補氣量很大，每天必須連續(xù)補氣12 h，才能保證氣墊式調壓室的水位不上漲，否則，嚴重影響空壓機的使用壽命，增加運行工作量和運行成本。

(5)從施工技術角度看，氣墊式與常規(guī)式調壓室相比，施工技術要求相對較高。

6 結 語

氣墊式調壓室在世界范圍內應用相對較少，主要在挪威和我國，已積累了一定的經驗和教訓。作為滿足機組調節(jié)保證需要的方式之一，其具有工程占地少、對自然生態(tài)環(huán)境有利等優(yōu)點，但其存在對地質條件要求較高、高壓隧洞設計難度大、施工建設及運行維護要求高等問題。雖然氣墊式調壓室理論趨于成熟，“鋼罩”“鋼包”等新技術的運用理論上也突破了地質條件的限制，但建設實例說明，調壓室方案選擇時，仍應將工程地質條件較好作為基礎，針對電站的具體情況，進行技術經濟綜合比較后審慎確定。