气垫式调压室的应用分析

气垫式调压室的应用分析

赵旭，张帅伟

（中国水利水电第六工程局，辽宁 沈阳 ）

摘 要：气垫式调压室具有工程占地少、对自然生态环境有利等优点，但存在对地质条件要 求较高、高压隧洞设计难度大、施工建设及运行维护要求高等问题。调压室方案选择时， 应在工程地质条件较好的基础上，进行技术经济综合比较后审慎确定。

关键词：气垫式调压室；设置条件；优势；劣势

1 引言

近二十年来，气垫式调压室在水电工程中的应用越来越多，技术更加成熟，但效果良莠不齐，行业内对气垫式调压室应用的认识也褒贬不一。笔者有幸参加南美秘鲁圣加旺水电站，并对本项目所采用的气垫式调压室工程，通过实例总结分析气垫式调压室在建设期、运行期的优劣，为以后水电工程气垫式调压室方案选择和设计提供参考。

2、调压室的定义及运行原理

2.1调压室定义

为降低压力管道中的水击压力，改善机组运行条件，在压力引水(尾水)道中设置的建筑物。在较长的压力引水系统中，为了降低高压管道的水击压力，满足机组调节保证计算的要求，常在压力引水道与压力管道衔接处建造调压室。调压室将有压引水系统分成两段：上游段为压力引水道，下游段为压力管道。调压室的功用可归纳为以下三点：反射水击波。基本上避免了(或减小)压力管道传来的水击波进入压力引水道。减小水击压力(压力管道及厂房过水部分)。缩短了压力管道的长度改善机组在负荷变化时的运行条件。

2.2调压室运行原理

气垫式调压室的运行原理与常规调压室大致相同，就是在输水系统中形成扩大的自由水面，通过反射对因机组负荷变化导致压力管道中出现的水击现象起抑制和衰减作用，以改善机组运行状况，提高供电质量。区别是气垫式调压室利用调压室上部气室内的高压空气形成“气垫”，抑制室内水位高度和水位波动幅值，控制水锤和涌波性能更优越，对于机组稳定运行更为有利，适用于对环境有较高要求的高水头中小型电站。气垫式调压室典型布置图见图 1。

3、气垫式调压室主要技术问题的研究历程

（1）调压室设置的水力条件。从理论上看，气垫式调压室对于水锤的反射与常规开敞式调压室遵守相同的规则，开敞式调压室设置的水力条件对气垫式调压室同样适用。

（2）气垫式调压室主要技术问题的研究历程。气垫式调压室的主要技术问题是渗透性及结构受力。

①早期研究和应用。气垫式调压室的研究和应用最早是在挪威，该型电站输水系统一般利用有利的地形地质条件，采用从进水口到厂房一坡到底的有压管道布置型式。气垫式调压室布置有三条主要原则：

a.埋深。对于高压气垫式调压室，埋深按挪威准则且应满足洞内静水压力小于最小地应力的要求进行选择。

b.地应力。为避免水力劈裂，岩体中的最小主应力应大于调压室内产生的最大气压。

c.渗透性。气垫式调压室漏气控制标准为：渗透性指标 Lu<1，则气垫式调压室的漏气量可按公式估算；否则，必须进行固结灌浆处理。渗透性指标 Lu<0.01 时考虑不设水幕，否则，必须设置水幕。

考虑到水幕的设计压力较大，供水系统复杂，费用高，圣加旺水电站的气垫式调压室未设置水幕。

②近期研究和应用。随着理论研究的深入和“钢罩+平压孔”技术的出现和应用，气垫式调压室的渗透性条件也相应放宽。2016 年 6 月施行的《水电站气垫式调压室设计》（NB/T35080-2016）对气垫式调压室设置条件作了以下 4 条要求：

a.气垫式调压室应利用围岩承担内水或气体压力，围岩宜为中硬岩或坚硬岩，

以不低于Ⅲ类的较完整的岩体为主。

b.埋深条件，同前原则，但有所提高，经验系数提高到 1.3～1.5。

c.地应力条件，同前原则，但有所提高，最小主应力。应大于等于 1.2~1.5 倍室内最大气压。

d.气垫式调压室区域宜有较高的天然地下水位，或能形成稳定的渗流场。设计压力下高压压水岩体透水率宜小于 5 Lu。

从早期研究到规范出台，可以看出在气垫式调压室的设置条件中，行业内对岩体渗透性的要求降低了，对与结构受力问题紧密相关的地质条件，虽对围岩特性作了要求，但也相对宽松。其原因在于从理论上讲，渗透性和结构受力问题都可通过一定的工程措施予以解决，甚至不受地形条件的限制。

4、气垫式调压室水力计算

为满足电站机组调节保证及运行要求，电站在各种设计允许工况下正常稳定发电运行的室内最小气体体积，即气垫式调压室托马临界稳定气体体积 VTH 计算公式如下：

式中：VTH—气垫式调压室托马临界稳定气体体积，m3 ；

HUmax—电站水库最高水位；

HD—与 HUmax 相对应的电站最高尾水位；

ZW0—在电站停机情况下气垫式调压室内正常允许出现的最高设计水位；

ha0—以“mWC”计的当地大气压，即 ha0 = pa0/；

m—理想气体多变指数，建议取 m=1.4；

 —引水隧洞的最小水头损失系数， =hw0 /v2，这里v是引水隧洞内的水流

流速，hw0是调压室上游引水隧洞的最小水头损失；

hwm0—调压室下游引水管道的最大水头损失；

L、f—隧洞长度(m)、断面积(m2 )。

5、闭气结构设计

目前气垫式调压室采用的闭气方式有围岩闭气、水幕闭气和罩式闭气三种。通常围岩闭气的岩体透水率一般要求在 0.1～0.001 Lu 范围，笔者所在项目很难满足围岩闭气的抗渗稳定性要求，经对水幕闭气和罩式闭气这两种闭气型式进行了比较后，选择罩式闭气。

钢罩式闭气：气室内采用钢筋混凝土夹钢板方式支护。围岩承担内水压力， 倒“U”形钢板封闭气室内气体，钢筋混凝土起固定钢板和承受机组丢弃或增负荷引起的地下水压力和气室气体压力之间差压的作用。气室边墙、顶拱及两端头布置平压系统（包括平压孔和平压管），平衡闭气钢板两侧压力。平压孔通过平压管与气室内的水垫连通。

6、气垫式调压室技术的优势

   （1）省掉斜井和竖井，减小施工难度，降低工程成本，缩短工期。由于斜井和竖井的施工难度较大、造价较高、所需工期相对较长。

（2）采用气垫式调压室，引水隧洞在纵剖面上更接近于直线而不是常规的折线，因此，隧洞轴线缩短了，减少了工程造价，减少了水头损失，增加了电站的发电效益。电站的水头越高、引水隧洞减少越长，其效益越明显。

  （3）气垫式调压室埋于地下，省掉了常规调压室的常有的山坡明挖，取消了上调压室顶的道路和上调压室及压力管道的施工道路、减少或取消了引水隧洞 的施工道路，节约投资。同时很大程度地减少施工对自然生态环境的不利影响。由于占地面积减少，工程建设时征占用地难度降低，对推动工程建设能起到积极

作用。

（4）气垫式调压室布置比较灵活，可视地质条件沿管线几百米范围内择优布

置，而常规调压室受地形地质条件限制，布置可选范围相对较小。采用气垫式调压室，控制水锤和涌波性能优越，能提高机组调节的稳定性，对电站运行有利。

（5）随着“钢罩+平压孔”、“钢包”等闭气设施和施工技术的进步，理论上气垫式调压室对地质条件的要求降低，其适用范围越来越广。

7、气垫式调压室技术的劣势

（1）气垫式调压室及高压隧洞对地质条件要求很高。我国在研究和应用气垫

式调压室初期，结合挪威类似工程经验，曾提出了设置气垫室调压室的三条原则：埋深、地应力和渗透性。尤其渗透性原则对地质条件要求很高，一般要求调压室和高压隧洞岩体为较完整的坚硬岩，且为非可溶性岩。后虽发展了“钢罩”“钢包”等技术解决了调压室气室渗透性问题，深埋高压隧洞结构安全和内水外渗风险也可通过加强、加厚衬砌或调整位置及埋深来解决，但地下隐蔽工程的特殊性及现有的地质勘察技术手段和勘察要求无法在前期勘察中进行非常准确的地质预测，有时在开挖后或试运行时才暴露出一些地质缺陷。而前期的结构设计只能在地质预测的基础上进行，兼顾安全性和经济合理性。当在实施过程中或投运时才暴露出大的地质缺陷，采用技术方案处理时通常受实施现状制约，处理难度大，工期长、投资高。

（2）气垫式调压室的体积较常规调压室略大，增加了挖方量。且因气垫式调压室布置的特点，无论是水幕式，还是“钢罩”式，施工过程中的排风散烟难度大，施工作业环境较常规调压室更差。需细化布置方案，以便施工便利，减小成本。

（3）气垫式调压室需设置充气空压机和补气空压机，且随着气垫厚度的变化

和漏气情况需及时补气，较常规调压室增加了运行工作量和运行成本，运行维护相对复杂，对运行维护人员的要求更高。且气垫式调压室在停机检修重新充水时，要用空压机向调压室内充气， 由于充气量较大，一般要3-4天或更长的时间，要减少发电时间。

（4）气垫式调压室若采用水幕式，地下岩体裂隙发育的随机性可能导致灌浆

施工质量不可控。若采用钢罩式，则钢板焊缝施工质量要求很高，与常规式调压室相比，施工技术要求相对较高。

结束语

气垫式调压室在世界范围内应用相对较少，主要在挪威和我国，已积累了一定

的经验和教训。作为满足机组调节保证需要的方式之一，其具有工程占地少、对自然生态环境有利等优点，但其存在对地质条件要求较高、高压隧洞设计难度大、施工建设及运行维护要求高等问题。虽然气垫式调压室理论趋于成熟，“钢罩”“钢包”等新技术的运用理论上也突破了地质条件的限制，但建设实例说明，调压室方案选择时，仍应将工程地质条件较好作为基础，针对电站的具体情况，进行技术经济综合比较后审慎确定。

参考文献：

[1]郝元麟，余挺.水电站气垫式调压室设计，ISBN 978-7-5170-

5225-8[M].中国水利水电出版社，2017，2（1）.

[2]华富刚.气垫式调压室设计中的主要问题研究[J].水利科技与经济，2006，12（4）：222-226.

[3]郑道明，王雪红，赵启强.气垫式调压室施工技术研究[J].

四川水力发电，2006，25（增刊 1）：19-21.

[4]赵启强，黄芬，水泥化学复合灌浆技术在气垫式调压室补强中的应用[J].四

川水力发电，2011，30（5）：98-100.

[5] 郦国荣.气垫式调压室及其在大干沟水电站的应用[J].水利水电科技进展，2002，22（3）：38-40