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(lái)，氣墊式調(diào)壓室在我省水電工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，技術(shù)更加成熟，但效果良莠不齊，行業(yè)內(nèi)對(duì)氣墊式調(diào)壓室應(yīng)用的認(rèn)識(shí)也褒貶不一。筆者對(duì)四川省已投運(yùn)的且采用氣墊式調(diào)壓室的水電工程進(jìn)行了建設(shè)情況、運(yùn)行情況的調(diào)查，通過(guò)實(shí)例總結(jié)分析氣墊式調(diào)壓室在建設(shè)期、運(yùn)行期的優(yōu)劣，為以后水電工程氣墊式調(diào)壓室方案選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

2 氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行原理[1]

氣墊式調(diào)壓室的運(yùn)行原理與常規(guī)調(diào)壓室大致相同，就是在輸水系統(tǒng)中形成擴(kuò)大的自由水面，通過(guò)反射對(duì)因機(jī)組負(fù)荷變化導(dǎo)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(jī)組運(yùn)行狀況，提高供電質(zhì)量。區(qū)別是氣墊式調(diào)壓室利用調(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(dòng)幅值，控制水錘和涌波性能更優(yōu)越，對(duì)于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行更為有利，適用于對(duì)環(huán)境有較高要求的高水頭中小型電站。氣墊式調(diào)壓室典型布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 氣墊式調(diào)壓室典型布置圖

3 氣墊式調(diào)壓室主要技術(shù)問(wèn)題的研究歷程

(1)調(diào)壓室設(shè)置的水力條件。從理論上看，氣墊式調(diào)壓室對(duì)于水錘的反射與常規(guī)開(kāi)敞式調(diào)壓室遵守相同的規(guī)則，開(kāi)敞式調(diào)壓室設(shè)置的水力條件對(duì)氣墊式調(diào)壓室同樣適用。

(2)氣墊式調(diào)壓室主要技術(shù)問(wèn)題的研究歷程[2]。氣墊式調(diào)壓室的主要技術(shù)問(wèn)題是滲透性及結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題。

①早期研究和應(yīng)用。氣墊式調(diào)壓室的研究和應(yīng)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(zhì)條件，采用從進(jìn)水口到廠房一坡到底的有壓管道布置型式。綿陽(yáng)市平武縣火溪河自一里水電站是四川省第一個(gè)采用氣墊式調(diào)壓室的電站，上世紀(jì)末在進(jìn)行氣墊式調(diào)壓室研究時(shí)，考慮到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，而且隧洞沿線地質(zhì)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(lái)電站運(yùn)行中的不可預(yù)見(jiàn)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(kāi)工在即，各施工支洞位置不宜作較大調(diào)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(diào)壓室設(shè)置在半坡中。為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，根據(jù)自一里水電站氣墊式調(diào)壓室埋藏于地下的特點(diǎn)，結(jié)合挪威類似工程經(jīng)驗(yàn)，行業(yè)內(nèi)在當(dāng)時(shí)提出了氣墊式調(diào)壓室布置的三條原則：

a.埋深。對(duì)于高壓氣墊式調(diào)壓室，埋深按挪威準(zhǔn)則且應(yīng)滿足洞內(nèi)靜水壓力小于最小地應(yīng)力的要求進(jìn)行選擇。

b.地應(yīng)力。為避免水力劈裂，巖體中的最小主應(yīng)力σ3應(yīng)大于調(diào)壓室內(nèi)產(chǎn)生的最大氣壓。

c.滲透性。氣墊式調(diào)壓室漏氣控制標(biāo)準(zhǔn)為：滲透性指標(biāo)Lu≤1，則氣墊式調(diào)壓室的漏氣量可按公式估算；否則，必須進(jìn)行固結(jié)灌漿處理。滲透性指標(biāo)Lu≤0.01時(shí)考慮不設(shè)水幕，否則，必須設(shè)置水幕。

考慮到水幕的設(shè)計(jì)壓力較大，供水系統(tǒng)復(fù)雜，費(fèi)用高，到目前為止，國(guó)內(nèi)的氣墊式調(diào)壓室均未設(shè)置水幕，僅在自一里、小天都的電站前期設(shè)計(jì)中有所考慮[3-4]，但均未實(shí)施。

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

a.氣墊式調(diào)壓室應(yīng)利用圍巖承擔(dān)內(nèi)水或氣體壓力，圍巖宜為中硬巖或堅(jiān)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(jīng)驗(yàn)系數(shù)提高到1.3～1.5。

c.地應(yīng)力條件，同前原則，但有所提高，最小主應(yīng)力σ3應(yīng)大于等于1.2～1.5倍室內(nèi)最大氣壓。

d.氣墊式調(diào)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(chǎng)。設(shè)計(jì)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(tái)，可以看出在氣墊式調(diào)壓室的設(shè)置條件中，行業(yè)內(nèi)對(duì)巖體滲透性的要求降低了，對(duì)與結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題緊密相關(guān)的地質(zhì)條件，雖對(duì)圍巖特性作了要求，但也相對(duì)寬松。其原因在于從理論上講，滲透性和結(jié)構(gòu)受力問(wèn)題都可通過(guò)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(guó)首個(gè)采用氣墊式調(diào)壓室的水電站[5]，為適應(yīng)戈壁灘獨(dú)特的地形地質(zhì)條件，采用地面“鋼包”來(lái)解決氣密性問(wèn)題。大干溝水電站裝機(jī)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(zhì)為16 Mn鋼，外包50 cm的混凝土保溫層。電站自2000年投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定，補(bǔ)氣間隔大概為半個(gè)月1次，每次補(bǔ)氣約1 h。大干溝水電站下游的南山口二級(jí)水電站，裝機(jī)容量2×7 MW，額定水頭68.5 m，采用地面3個(gè)“鋼包”串聯(lián)組成調(diào)壓室，鋼包直徑為17 m，高度為26.5 m，鋼板厚度為32 mm，材質(zhì)為16 Mn鋼，鋼包外包裹厚80 cm的混凝土保溫層。電站投運(yùn)至今運(yùn)行穩(wěn)定，補(bǔ)氣間隔大概為一個(gè)月1次，每次補(bǔ)氣約1 h。

自一里水電站于2004年順利投產(chǎn)，由于正值西部水電大開(kāi)發(fā)的初期，自一里水電站的成功經(jīng)驗(yàn)使氣墊式調(diào)壓室迅速在四川省內(nèi)得到推廣應(yīng)用。在甘孜州金湯河金康水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)中，首次采用地下“鋼罩”解決氣密性問(wèn)題。金康水電站裝機(jī)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(zhǎng)80 m。氣墊式調(diào)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(shè)平壓孔來(lái)解決“鋼罩”受力問(wèn)題，同時(shí)考慮平壓孔的作用不一定在理想狀態(tài)，且洞室結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，鋼筋混凝土襯砌厚度設(shè)計(jì)時(shí)留有較大裕度。電站2006年投運(yùn)后運(yùn)行總體穩(wěn)定。

大干溝及南山口水電站地面“鋼包”氣墊式調(diào)壓室的成功經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)了氣墊式調(diào)壓室在平緩戈壁灘上應(yīng)用的優(yōu)越性，金康、木座等水電站地下“鋼罩”氣墊式調(diào)壓室的成功經(jīng)驗(yàn)，體現(xiàn)了氣墊式調(diào)壓室在山地應(yīng)用的適應(yīng)性。這些成功經(jīng)驗(yàn)也從理論上延伸了氣墊式調(diào)壓室適用條件，即通過(guò)技術(shù)手段解決高壓段防滲和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題后，氣墊式調(diào)壓室的設(shè)置對(duì)地形、地質(zhì)條件的要求進(jìn)一步放寬，理論上常規(guī)調(diào)壓室?guī)缀醵伎捎脷鈮|式調(diào)壓室替代。特別是金康水電站采用“鋼罩+平壓孔”技術(shù)成功后，對(duì)地質(zhì)條件要求不再苛求，這在之后四川省一些中小型電站設(shè)計(jì)理念中得以明顯體現(xiàn)。四川省已建成投產(chǎn)的氣墊式調(diào)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(dá)阿果、虎牙等其他十余個(gè)水電站均采用了地下“鋼罩”閉氣方式。其中不乏地質(zhì)條件欠缺的，如金康水電站的高壓引水隧洞為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)巖溶、石膏層地區(qū)內(nèi)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(diào)壓室技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

(1)采用氣墊式調(diào)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(diào)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(diào)壓室，施工支洞設(shè)置高程較低，有效減少常規(guī)調(diào)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(duì)自然生態(tài)環(huán)境的不利影響。同時(shí)由于占地面積減少，工程建設(shè)時(shí)征占用地難度降低，對(duì)推動(dòng)工程建設(shè)能起到積極作用。

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

(4)采用氣墊式調(diào)壓室，控制水錘和涌波性能優(yōu)越，能提高機(jī)組調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，對(duì)電站運(yùn)行有利。

(5)隨著“鋼罩”“鋼包”等閉氣設(shè)施和施工技術(shù)的進(jìn)步，理論上氣墊式調(diào)壓室對(duì)地質(zhì)條件的要求降低，其適用范圍越來(lái)越廣。

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

5 氣墊式調(diào)壓室技術(shù)的劣勢(shì)

(1)氣墊式調(diào)壓室及高壓隧洞對(duì)地質(zhì)條件要求很高。我國(guó)在研究和應(yīng)用氣墊式調(diào)壓室初期，結(jié)合挪威類似工程經(jīng)驗(yàn)，曾提出了設(shè)置氣墊室調(diào)壓室的三條原則：埋深、地應(yīng)力和滲透性。尤其滲透性原則對(duì)地質(zhì)條件要求很高，一般要求調(diào)壓室和高壓隧洞巖體為較完整的堅(jiān)硬巖，且為非可溶性巖。后雖發(fā)展了“鋼罩”“鋼包”等技術(shù)解決了調(diào)壓室氣室滲透性問(wèn)題，深埋高壓隧洞結(jié)構(gòu)安全和內(nèi)水外滲風(fēng)險(xiǎn)也可通過(guò)加強(qiáng)、加厚襯砌或調(diào)整位置及埋深來(lái)解決，但地下隱蔽工程的特殊性及現(xiàn)有的地質(zhì)勘察技術(shù)手段和勘察要求無(wú)法在前期勘察中進(jìn)行非常準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)測(cè)，有時(shí)在開(kāi)挖后或試運(yùn)行時(shí)才暴露出一些地質(zhì)缺陷。而前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只能在地質(zhì)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。當(dāng)在實(shí)施過(guò)程中或投運(yùn)時(shí)才暴露出大的地質(zhì)缺陷，采用技術(shù)方案處理時(shí)通常受實(shí)施現(xiàn)狀制約，處理難度大，工期長(zhǎng)、投資高。

較早建成的自一里、小天都水電站調(diào)壓室均采用圍巖灌漿閉氣。自一里水電站調(diào)壓室圍巖為印支期二云母花崗巖，巖性堅(jiān)硬，為Ⅱ類圍巖，洞室附近無(wú)斷層和軟弱帶發(fā)育，但局部裂隙發(fā)育。工程實(shí)施時(shí)對(duì)洞室圍巖采用高壓固結(jié)灌漿，對(duì)表面裂隙采用環(huán)氧砂漿封閉等措施來(lái)保證滲透性，但試運(yùn)行時(shí)還是出現(xiàn)了無(wú)法充水充氣問(wèn)題。參建單位經(jīng)過(guò)分析研究后認(rèn)為：由于裂隙發(fā)育的隨機(jī)性及可能存在的灌漿施工工藝問(wèn)題，導(dǎo)致原先的高壓固結(jié)灌漿效果不佳，圍巖滲透性達(dá)不到要求。鑒于工程現(xiàn)狀及當(dāng)時(shí)類似經(jīng)驗(yàn)很少，反復(fù)研究后最終通過(guò)大范圍高壓灌漿補(bǔ)強(qiáng)圍巖、表面裂隙涂刷聚合物等措施方解決問(wèn)題，處理的難度較大，周期長(zhǎng)，發(fā)電工期延長(zhǎng)較多，工程投資也相應(yīng)增加。而小天都水電站調(diào)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(jié)灌漿防滲，投運(yùn)后并未出現(xiàn)類似自一里水電站的問(wèn)題。

虎牙水電站裝機(jī)容量48 MW，額定水頭401 m，設(shè)計(jì)引用流量13.50 m3/s，在前期設(shè)計(jì)中采用常規(guī)水室式調(diào)壓室，工程實(shí)施時(shí)考慮到工程區(qū)緊鄰“雪寶頂自然環(huán)境保護(hù)區(qū)”，環(huán)境保護(hù)要求高，為減少工程施工對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)降低移民安置的難度，在投資相當(dāng)?shù)那闆r下，將常規(guī)調(diào)壓室變更為“鋼罩+平壓孔”的氣墊式調(diào)壓室。2018年初建成準(zhǔn)備充水投產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓洞段漏水嚴(yán)重，根本無(wú)法加壓。多方分析論證后認(rèn)為：高壓洞段和調(diào)壓室圍巖為中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，以Ⅲ類為主，具備建氣墊式調(diào)壓室的基本條件，但圍巖強(qiáng)度不高，且?jiàn)A少量薄層狀千枚巖，裂隙非常發(fā)育，初期對(duì)圍巖采取的固結(jié)灌漿措施，效果遠(yuǎn)達(dá)不到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防滲要求?；诠こ态F(xiàn)狀，參建各方反復(fù)研究論證后不得不采用對(duì)約1 km長(zhǎng)高壓洞段加內(nèi)鋼襯、調(diào)壓室鋼罩加厚并由“鋼罩+平壓孔”型式調(diào)整成“鋼罩”承受內(nèi)外水壓力和圍巖壓力的高壓容器型式、“鋼罩”外側(cè)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿等非常規(guī)措施進(jìn)行處理，最終問(wèn)題得以解決。但其施工難度非常大，處理時(shí)間近兩年，直接投資增加過(guò)億，發(fā)電工期延誤兩年多，經(jīng)濟(jì)損失較大。

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

(3)氣墊式調(diào)壓室需設(shè)置充氣空壓機(jī)和補(bǔ)氣空壓機(jī)，且隨著氣墊厚度的變化和漏氣情況需及時(shí)補(bǔ)氣，較常規(guī)調(diào)壓室增加了運(yùn)行工作量和運(yùn)行成本，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)運(yùn)行維護(hù)人員的要求更高。金平水電站運(yùn)行情況表明，調(diào)壓室正常運(yùn)行維護(hù)年成本20萬(wàn)左右。民治水電站放空檢查時(shí)因放空程序出錯(cuò)，致使鋼罩損壞，雖經(jīng)修補(bǔ)，可以維持電站的安全運(yùn)行，但漏氣量仍偏大。

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

(5)從施工技術(shù)角度看，氣墊式與常規(guī)式調(diào)壓室相比，施工技術(shù)要求相對(duì)較高。

6 結(jié) 語(yǔ)

氣墊式調(diào)壓室在世界范圍內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較少，主要在挪威和我國(guó)，已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。作為滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證需要的方式之一，其具有工程占地少、對(duì)自然生態(tài)環(huán)境有利等優(yōu)點(diǎn)，但其存在對(duì)地質(zhì)條件要求較高、高壓隧洞設(shè)計(jì)難度大、施工建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)要求高等問(wèn)題。雖然氣墊式調(diào)壓室理論趨于成熟，“鋼罩”“鋼包”等新技術(shù)的運(yùn)用理論上也突破了地質(zhì)條件的限制，但建設(shè)實(shí)例說(shuō)明，調(diào)壓室方案選擇時(shí)，仍應(yīng)將工程地質(zhì)條件較好作為基礎(chǔ)，針對(duì)電站的具體情況，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后審慎確定。