氣墊式調壓室在水電工程中的設計與應用

高佑國

摘 要：文章首先分析了氣墊式調壓室設計中的幾項準則，之后以民治水電站為例，分析氣墊式調壓室在民治水電站中的應用，最后總結了氣墊式調壓室應當加強研究的內容，希望能夠更好地促進我國水電工程的發展建設。

關鍵詞：水電工程；氣墊式調壓室；設計；民治水電站；應用

氣墊式調壓室又被稱為封閉調壓室，是一種利用氣墊內空氣的膨脹以及壓縮來對調壓室內水位的漲落幅度進行控制的設施。與一般調壓室不同，氣墊式調壓室的高度比常規調壓室要低很多，受到地形條件的限制較少，并且有利于地表環境的保護。除此之外，還能夠在廠房更近的位置進行氣墊式調壓室的布置，由于在縱剖面上的引水道更接近于直線，因此，還能夠縮短引水道的長度，節約了水流量，減少了工程量。

世界上第一座氣墊式調壓室于1973年在挪威建成，近些年來，我國在對氣墊式調壓室進行研究的同時，也引進了挪威先進施工技術。目前為止，我國已經將氣墊式調壓室成功的運用在大干溝、自一里、小天都、木座、陰坪等水電站上。以下將對氣墊式調壓室設計準則進行詳細分析，并以正在建設的民治水電站為例進行氣墊式調壓室的設計應用分析。

1 氣墊式調壓室設計準則

1.1 圍巖質量準則

在氣墊式調壓室的設計中，需要遵循圍巖質量準則，也就是判斷圍巖的質量能否達到氣墊式調壓室規定的標準。氣墊式調壓室的布置需要選擇巖石強度高，巖體較完整并且需要洞室具有較好穩定性的位置。其中需要注意的是，要盡量避免選擇巖溶發育地區以及地質構造不良的地區。

1.2 最小覆蓋厚度經驗準則

氣墊式調壓室應首先滿足上抬理論經驗準則要求。通過控制垂直和水平覆蓋厚度，從宏觀上避免山體發生整體上抬和失穩現象。最小覆蓋厚度準則對于氣墊式調壓室設計來說是必須滿足的，特別是在初步評判氣墊式調壓室方案的成立與否及初擬位置時更具有重要意義。

1.3 最小地應力準則

最小地應力準則是對巖石的重力進行考慮，是一種簡單極限平衡法，是氣墊式調壓室設計過程中需要遵循的準則之一。從實際的地應力來看，谷坡內的地應力會受到地形的很大影響。除此之外，殘余應力以及構造應力也會在實際情況下存在，因此，為了避免圍巖受到水力以及氣壓的劈裂而出現損壞，應當對最小地應力更加重視。

1.4 巖體抗滲準則

巖體滲透性是確定洞壁巖體漏水、漏氣量的重要指標，應選擇透水性相對微弱的巖體進行氣墊式調壓室布置，應進行固壁灌漿處理。氣墊式調壓室一般應選擇在圍巖質量較好的部位，對局部范圍透水率較大的部位應進行灌漿處理，以減少氣體的損失。灌漿一般在氣室內進行，最大灌漿壓力應大于氣墊室內最大氣體壓力，并建議按氣墊室最大氣體壓力的1.2倍設計，同時應小于最小主地應力。是否對水幕上方巖體進行灌漿處理以降低水幕中可能發生的漏水問題，應該視現場具體情況而定。例如挪威水電站的水幕設計中未考慮對水幕上方巖體進行灌漿處理。

1.5 地下水壓力梯度準則

在進行氣墊式調壓室設計中，為了將空氣損失控制在標準規定的范圍內，在巖體滲透性較高的情況下，確保氣墊壓力小于圍巖內的水壓力是十分重要且必要的。在氣墊式調壓室運行中，氣墊壓力小于水壓力，能夠有效避免出現漏氣現象，這是避免氣體泄漏的準則。如果是地下水位較低的氣墊式調壓室，那么需要進行水幕設置，人為制造必要的孔隙水壓力，從而避免出現漏氣問題。

2 氣墊式調壓室在民治水電站的應用

民治水電站位于四川省雅安市，地處國家級自然保護區實驗區、世界自然遺產——四川大熊貓棲息地的外圍保護區，為寶興河梯級開發的第二級。該電站為引水式開發，其開發任務主要為發電并兼顧下游生態環境用水要求。電站裝機容量為105MW，設計引用流量54.18m3/s，設計水頭246.31m。電站由首部樞紐、引水建筑物及廠區樞紐三大部分組成。為解決廠內交通問題及電站建設期環保問題，民治水電站調壓室由原設計的傳統雙室式調壓室變更為了性能優越且易于施工的氣墊式調壓室，目前施工進展較為順利。

2.1氣墊調壓室的平面位置確定

民治水電站氣墊式調壓室布置于鄧池溝下游200～500m的東河右岸花崗巖山體內，地面高程1650.00m～1725.00m，自然邊坡高陡，除局部緩坡及小型沖溝堆積、洪積碎礫石土外，大部分坡面基巖裸露，地形坡度一般為60°～70°。根據壓力管道探硐所揭示的地質情況選擇圍巖完整性較好的洞段，并考慮氣室埋深的影響，將氣墊式調壓室布置在壓力管道左側，軸線方向與壓力管道垂直相交，相交位置為（隧）7+876.879（（管）0+000.000），與小斷層等主要結構面呈大角度相交，有利于洞室穩定。其圍巖總體以Ⅲ類為主，埋深滿足要求。

2.2 結構布置

氣墊式調壓室由氣室和連接隧洞組成，將氣室底板做成傾向于連接隧洞的1%的斜坡，以利于調壓室向水道補水通暢，在引水建筑物放空檢修時亦利于氣室內水體的放空。氣室底板高程比引水隧洞頂拱高程高6.50m，連接隧洞總長度為101.00m，底板縱坡i=0.12，其斷面為5.00m×5.00m（寬×高）。氣室的斷面面積為1000.00m2，寬度為10.00m，氣室長度為100m。

氣室斷面采用鋼筋混凝土夾鋼板的窄高型城門洞型，鋼板呈倒“U”形，內嵌在鋼筋混凝土中，鋼筋混凝土起固定鋼板和承受機組丟棄或增負荷引起的地下水壓力和氣室氣體壓力之間的差壓。氣室邊墻、頂拱及氣室兩端頭布置系統平壓孔，深入基巖4.00m，排距2.00m，矩形布置。排水鋼管伸入系統平壓孔0.70m，排水鋼管和氣室里的水墊連通。

2.3 防滲設計

總結自一里、小天都、木座、陰坪等已建成氣墊式調壓室的工程經驗，通過圍巖固結灌漿并設置水幕閉氣效果并不是特別理想，而氣墊式調壓室鋼罩方案可以將氣體滲漏限制在很小范圍內。因此民治水電站氣墊式調壓室的防滲措施采取鋼罩方案，依靠鋼筋混凝土外掛鋼板封閉砌體的方法防止漏氣，依靠平壓系統平衡氣室鋼筋混凝土外側水壓力和氣室氣體壓力。氣體滲漏主要是由于高壓氣體溶于水所引起，按經驗計算，氣室漏氣量約2.00Nm3/h。

2.4 支護設計

氣墊式調壓室采用鋼筋混凝土夾鋼板方式支護，厚0.75m，鋼板厚度為14mm～22mm，材質為Q345R。調壓室的邊頂拱布置φ25，l=4.50m系統錨桿，間排距2.00m，錨桿深入基巖4.00m，錨桿外露0.50m，倒彎0.40m與混凝土外層鋼筋綁扎在一起。對于巖體中裂隙發育的部位，對裂隙進行固結灌漿。

2.5 氣墊室充氣設備選擇

氣墊式調壓室的充氣空壓機一般分為兩種，一是在運行中進行補氣，壓力高，壓氣量小；一是初次充氣或者檢修后充氣，壓力低，壓氣量大。在實際選擇過程中，需要綜合分析比較耗電量、運行維修費以及充氣時長等因素。民治水電站最終選擇了偏安全考慮，選擇了2臺充氣空壓機（單臺10Nm3/min），2臺補氣空壓機（單臺3Nm3/min）為氣墊室的充氣設備。

3 結束語

綜上所述，氣墊式調壓室對環境破壞較小，且經濟效益較高，已經在我國水電工程中逐漸得到推廣以及應用。在進行氣墊室調壓室設計中，必須遵守圍巖質量準則、最小覆蓋厚度經驗準則、最小地應力準則、巖體抗滲準則以及地下水壓力梯度準則。但是在我國目前階段來看，對于氣墊式調壓室的研究時間尚短，還需要進一步加強對氣墊式調壓室的分析研究。

參考文獻

[1]張曉宏.氣墊式調壓室過渡過程的計算研究[D].西安理工大學，2007.