冉從彥， 張世殊， 紀海鋒

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

氣墊式調壓室是一種在巖體內由巖壁和水面圍成的封閉式的氣室，并利用氣室高壓空氣形成“氣墊”抑制室內水位高度和水位波動幅值的水錘和涌波控制措施。自20世紀70年代以來，歐洲以及日本均進行研究，特別是在地質條件較好的挪威，已積累豐富的成功經(jīng)驗。進入21世紀，氣墊式調壓室以其引水隧洞圍巖條件相對較好、有效降低引水隧洞工程量、布置靈活、節(jié)約投資等優(yōu)點，逐漸被國內水電行業(yè)所采納。本文以某電站為例，就氣墊式調壓室關鍵工程地質問題進行初步評價。

1 工程概況

某水電站采用無壩取水口，引水隧洞長約30 km，電站利用落差900 m，初擬裝機容量80萬kW，額定水頭864 m，最大引用流量106 m3/s。

電站推薦采用的氣墊式調壓室方案氣室底板高程2 300.00 m，推薦氣室斷面采用圓拱直墻型，開挖尺寸134.00 m×18.40 m×24.50 m(長×寬×高)。推薦方案氣墊式調壓室設計壓力6.00 MPa， 最大氣體壓力7.78 MPa、最小氣體壓力5.02 MPa。

2 基本地質條件

某電站工程區(qū)區(qū)域地質構造背景較復雜，新構造運動較為強烈。調壓室位置地震基本烈度為Ⅸ度，區(qū)域構造穩(wěn)定性差。

氣墊式調壓室位置的條形山體走向近NW向，山體較雄厚，表部植被發(fā)育，多為灌木及喬木，基覆分界一般位于2 300 m高程附近，以下主要為崩坡積堆積。調壓室底板位于的2 300 m高程山體厚度約2.74 km，調壓室水平埋深1 250 m(見圖1)，垂直埋深780 m，最小側向埋深約590 m(扣除強卸荷巖體厚度)。

圍巖為多雄拉巖組新鮮的條帶狀及眼球狀片麻巖，眼球狀片麻巖相對占優(yōu)，巖石堅硬，飽和抗壓強度一般為70 MPa，最大可達100 MPa以上。

巖體中片麻理發(fā)育，為優(yōu)勢裂隙面，其產(chǎn)狀為N30°E/SE70°～80°；除片麻理外，還發(fā)育有其他三組裂隙：產(chǎn)狀為N30°～40°W/NE<60°～75°；N30°W/SW∠65°；SN/W<40°。除上述裂隙外，其他裂隙以順片麻理方向的長大裂隙及順層擠壓帶為主。

調壓室位置自然岸坡陡峻，坡表巖體風化卸荷較為強烈，推測強卸荷巖體下限水平埋深約40 m，弱卸荷、弱風化巖體下限水平埋深約60～80 m。

該區(qū)域常年降水充沛，地下水較豐富。調壓室位置地下水主要為裂隙水及孔隙潛水，主要受大氣降雨補給，自河岸向河床排泄。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔高壓壓水試驗分析，推測該位置巖體滲透系數(shù)平均值為0.472 5 lu，大值平均值為1.96 lu，小值平均值為0.162 2 lu。

圖1 氣墊式調壓室橫剖面示意(1 ∶10000)

3 工程地質條件初步評價

3.1 巖體質量及成洞條件

初擬氣墊式調壓室位置洞室圍巖質量主要受巖石強度、結構面的切割組合、地應力量值等影響，推測調壓室部位巖體結構以“次塊狀～塊狀”為主，圍巖以Ⅲ類為主，部分為Ⅱ類，整體穩(wěn)定條件較好，總體具備成洞條件。受結構面組合切割，局部存在塊體穩(wěn)定問題。調壓室垂直埋深約780 m，為高地應力區(qū)，高地應力對洞室圍巖的變形與穩(wěn)定影響也較為突出。

3.2 山體抗抬穩(wěn)定性

根據(jù)氣墊式調壓室所在部位的地質橫剖面分析(見圖1)，初擬氣墊式調壓室位于岸坡下部山體內，垂直埋深大于780 m，水平埋深大于1 250 m，與斜坡之間最小側向埋深為590 m(去掉了強卸荷巖體)。

根據(jù)氣墊式調壓室上覆巖體應滿足的最小厚度經(jīng)驗公式：

(1)

式中CRM——除去覆蓋層及全、強風化、強卸荷巖體后的最小埋深厚度，m；

H0——氣墊式調壓室設計壓力，m；

γw——水的重度，N/m3；

Z0——氣室設計靜態(tài)工況的室內水位，m；

γr——巖體重度，N/m3；

α——地形邊坡平均傾角,(°)，當α>60°時，取α=60°；

F——經(jīng)驗系數(shù)，一般取1.3～1.5。

結合本設計方案，H0為最高發(fā)電水位與氣墊式調壓室初始水面高程之差，為616.2 m；γr取2.7 N/m3；γw取1.0 N/m3；經(jīng)驗系數(shù)F取1.4；地形平均坡度α為32°。

由圖1可知，初擬的氣墊式調壓室與斜坡之間最小側向埋深為590 m，大于臨界厚度364 m，故現(xiàn)階段布置的氣墊式調壓室可滿足山體抗抬穩(wěn)定性要求。

3.3 圍巖抗劈裂穩(wěn)定性

按照相關規(guī)范要求，氣墊式調壓室抗劈裂地應力條件為：巖體不能因隧洞的內水壓力、內氣壓力或水幕壓力過高致使圍巖產(chǎn)生水力劈裂或氣壓劈裂破壞，氣墊式調壓室?guī)r體最小主應力σ3應滿足經(jīng)驗公式：

σ3≥(1.2～1.5)γwPmax

(2)

式中σ3——巖體最小主應力，N/m2；

γw——水的重度，N/m3；

Pmax——氣室內最大氣體壓力，以水頭表示，m。

(1)自重應力。垂直應力用巖石的自重應力進行估算，按公式(3)進行：

σV=γH

(3)

取γ=2.7×104N/m3，氣墊式調壓室最大垂直埋深為780 m，估算出最大垂直應力為21 MPa。

(2)最小主應力估算。在大多數(shù)情況下，最小主應力與最大主應力的比值一般為0.3～0.4，最小主應力與中間主應力的比值一般為0.4～0.6。本工程氣墊式調壓室自重應力約為21 MPa，若以自重應力作為中間主應力σ2，取σ3和σ2的比值分別為0.4和0.6時，估算的氣墊式調壓室部位的最小主應力值對應為8.4 MPa 和12.6 MPa，平均為10.5 MPa。

(3)抗劈裂穩(wěn)定性評價。由上述分析可知，初擬氣墊式調壓室部位σ3為8.4～12.6 MPa，氣墊式調壓室的氣室設計最大氣體壓力Pmax為7.78 MPa，σ3/Pmax=1.08～1.62，σ3平均值/Pmax=1.35，基本滿足σ3≥(1.2～1.5)γwPmax的要求，圍巖整體上發(fā)生劈裂破壞的可能性小。

3.4 圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性

調壓室圍巖總體以微透水為主，但局部發(fā)育的裂隙密集帶和擠壓破碎帶具弱透水性，分析認為很難滿足氣墊式調壓室圍巖閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定性要求；且調壓室位置總體上為條形山脊，地下水較難形成寬廣、連續(xù)、穩(wěn)定的地下水面，因此，本工程難以利用天然地下水位作為天然的抗?jié)B屏障，即天然條件下圍巖難以滿足圍巖閉氣和利用天然地下水位進行水幕閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定要求。

4 結論及建議

初步評價認為，圍巖具備修建氣墊式調壓室的工程地質條件，但需注意裂隙組合及高地應力引起的洞室圍巖穩(wěn)定問題；初擬氣墊式調壓室滿足山體抗抬穩(wěn)定性要求；初擬氣墊式調壓室部位圍巖整體上發(fā)生劈裂破壞的可能性小。

天然條件下圍巖難以滿足圍巖閉氣和利用天然地下水位進行水幕閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定要求，可采取鋼包閉氣，或研究灌漿后采用水幕鉆孔進行人工水幕閉氣的可能性。

參考文獻：

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