水電站氣墊式調(diào)壓室氣密性研究

李 云 輝

(四川華能涪江水電有限責(zé)任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

氣墊式調(diào)壓室首次于1973年在挪威運(yùn)用于Driva水電站[1]，迄今為止已有十六座[2]水電站運(yùn)用氣墊式調(diào)壓室技術(shù)(其中挪威10座，國(guó)內(nèi)6座)。挪威修建的10座氣墊式調(diào)壓室大多位于地質(zhì)條件較好地區(qū)，采用不襯砌技術(shù)，而且漏氣極少，滿足工程運(yùn)行[3]。氣墊式調(diào)壓室受地形限制小，特別適用于高水頭、長(zhǎng)引水電站[4]。國(guó)內(nèi)修建的氣墊式調(diào)壓室所處地質(zhì)條件均偏差，采用了固結(jié)灌漿、水幕和襯砌等型式對(duì)調(diào)壓室進(jìn)行了閉氣處理[5]?；鹣?個(gè)氣墊式調(diào)壓室采用的氣密性技術(shù)不同，自一里水電站借用挪威經(jīng)驗(yàn)較多，采用“灌漿+水幕”的閉氣措施；木座水電站采用“鋼筋混凝土+鋼板+鋼筋混凝土”的“夾心式”鋼罩閉氣措施；陰坪水電站采用“鋼筋混凝土+鋼板”的“外掛式”鋼罩閉氣措施。從火溪河3個(gè)電站氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行情況來看，效果良好。

1 “灌漿+水幕”閉氣措施

自一里水電站氣墊式調(diào)壓室采用“灌漿+水幕”閉氣措施，氣墊式調(diào)壓室由氣室、水幕廊道、連接井及交通洞組成，其布置型式見圖1。

圖1 自一里氣墊式調(diào)壓室布置示意圖(單位：m)

調(diào)壓室水平埋深和垂直埋深均在350 m以上，實(shí)測(cè)巖體最小主應(yīng)力為σ3為4.89 MPa 。圍巖局部構(gòu)造裂隙發(fā)育，透水性較大，局部階撐壓力較小、最小主應(yīng)力偏低。氣室斷面為10 m×13.9 m(寬×高)的城門洞形，頂拱半徑5.67 m，中心角123°51′13.5″，總長(zhǎng)112 m，底板高程1 707 m，初始水面高程1 711 m。

氣墊式調(diào)壓室圍巖主要為二云母花崗巖，局部夾二云母石英巖、石英片巖及變質(zhì)砂巖捕擄體，巖石堅(jiān)硬，以Ⅱ類圍巖為主，局部為Ⅲ類圍巖。Ⅱ類圍巖不襯砌、表面不噴護(hù)，僅局部裂隙處設(shè)置錨桿，以防局部掉塊；Ⅲ類圍巖均進(jìn)行系統(tǒng)錨桿加掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，并對(duì)洞壁繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)高壓固結(jié)灌漿，灌漿壓力4 MPa。氣室內(nèi)主要分布7條斷層、3條擠壓帶和16條長(zhǎng)大裂隙，均采用環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行掏槽封堵，并在斷層和擠壓帶的兩側(cè)進(jìn)行裂隙灌漿，灌漿孔距3 m，孔深6 m，灌漿壓力4 MPa。

水幕廊道斷面為4 m×4 m(寬×高)的城門洞形，總長(zhǎng)112 m，布置在氣室上方，距氣室最小距離14.1 m，底板高程1 735 m，水幕孔間距3 m，共112孔，孔徑Ф70 mm，孔深35 m，與水平夾角30°，水幕孔與氣室最小距離為12.45 m。

由于在國(guó)內(nèi)首次采用氣墊式調(diào)壓室，初次充水后，發(fā)現(xiàn)水幕廊道漏水量較大，兩臺(tái)水泵采用并聯(lián)運(yùn)行方式，過流量為100 m3/h，漏氣量36 Nm3/min，水幕廊道交通洞、氣室交通洞和6號(hào)施工支洞“三洞室”的總漏水量約為180 m3/h。

依據(jù)發(fā)電需要，調(diào)壓室進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)處理，主要處理措施有：

(1)對(duì)地質(zhì)探洞、“三洞室”漏水處作局部裂隙灌漿和局部固結(jié)灌漿，灌漿孔孔距1.5 m，孔深4 m，灌漿壓力4.5 MPa，裂隙表面采用環(huán)氧樹脂砂漿封閉。

(2)對(duì)水幕廊道原水幕孔進(jìn)行全面高壓固結(jié)灌漿(灌漿壓力4.5 MPa)后，在水幕廊道底板澆筑20 cm厚的C30素混凝土，隨后在混凝土底板鉆孔重新形成水幕孔(孔深25 m，間距6 m)。

(3)對(duì)水幕廊道邊頂拱、端墻和底板進(jìn)行淺孔固結(jié)灌漿。

(4)對(duì)水幕廊道堵頭灌漿廊道進(jìn)行深孔帷幕灌漿，對(duì)水幕廊道交通洞進(jìn)行全斷面鋼筋混凝土襯砌、回填灌漿及系統(tǒng)固結(jié)灌漿，在水幕廊道堵頭10 m處增設(shè)三排斜向灌漿孔。

(5)對(duì)氣室堵頭灌漿廊道進(jìn)行深孔帷幕灌漿，與水幕廊道堵頭灌漿廊道的帷幕灌漿在空間上形成一道連續(xù)、封閉的防滲體。 對(duì)氣室交通洞進(jìn)行全斷面鋼筋混凝土襯砌、回填灌漿及系統(tǒng)固結(jié)灌漿，在氣室堵頭10 m處增設(shè)三排斜向灌漿孔。

(6)在6號(hào)施工支洞堵頭10 m處增設(shè)三排斜向灌漿孔，支洞堵頭至與調(diào)交洞交點(diǎn)處進(jìn)行增設(shè)固結(jié)灌漿，并將全斷面鋼筋混凝土襯砌延伸至與調(diào)交洞交點(diǎn)處。

(7)地質(zhì)探洞向外采用C15混凝土封堵40 m，并進(jìn)行頂部回填灌漿和封堵段末端固結(jié)灌漿。

自一里水電站氣墊式調(diào)壓室在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理后，氣室運(yùn)行情況好轉(zhuǎn)，補(bǔ)氣量有所減小。

2 “鋼筋混凝土+鋼板+鋼筋混凝土”的“夾心式”鋼罩閉氣措施

木座水電站氣墊式調(diào)壓室采用“鋼筋混凝土+鋼板+鋼筋混凝土”的“夾心”式鋼罩閉氣措施，氣墊式調(diào)壓室由氣室、連接隧洞、交通洞組成，其布置型式見圖2。

圖2 木座氣墊式調(diào)壓室布置示意圖(單位：m)

調(diào)壓室上覆巖體厚323～368 m，除去強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化巖體，上覆巖體厚299～260 m。側(cè)向最小埋深200 m。圍巖裂隙不甚發(fā)育，屬弱～微透水巖體，高壓壓水試驗(yàn)顯示巖體透水性微弱，階撐壓力均值為5.55 MPa。氣室斷面為城門洞形，斷面尺寸為13 m×18.3 m(寬×高)，圓心角為109°21′46.8″(109.363°)，總長(zhǎng)72 m。氣室初始水面高程1 264 m。

氣墊式調(diào)壓室圍巖主要為黑云母變質(zhì)巖，中—厚層狀為主，局部為中厚—薄層，為微新巖體，完整程度為較完整～完整，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)、Ⅱ類圍巖為主，局部次塊狀結(jié)構(gòu)、Ⅲ類圍巖，其中斷層帶為Ⅳ類圍巖。氣室內(nèi)主要分布3條斷層、1條擠壓帶和4條裂隙。Ⅱ類圍巖可不進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)，Ⅲ～Ⅴ類圍巖必須進(jìn)行掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)。

氣墊式調(diào)壓室閉氣措施主要依靠鋼板封閉氣體，其關(guān)鍵的技術(shù)問題是平衡地下水壓力和氣室氣體壓力，解決的辦法是設(shè)置“平壓系統(tǒng)”。平壓系統(tǒng)與城門洞形氣室型式一致，呈連通的倒“U”布置。內(nèi)、外采用鋼筋混凝土襯砌。內(nèi)外雙層混凝土中設(shè)置鋼板。鋼板在制作廠預(yù)制成型后涂刷環(huán)氧金鋼沙磁漆進(jìn)行防腐。

3 “鋼筋混凝土+鋼板”的“外掛式”鋼罩閉氣措施

陰坪水電站氣墊式調(diào)壓室采用“鋼筋混凝土+鋼板”的“外掛式”式鋼罩閉氣措施，氣墊式調(diào)壓室由氣室、連接隧洞、交通洞組成，其布置型式見圖3。

圖3 陰坪氣墊式調(diào)壓室布置示意圖(單位：m)

氣墊式調(diào)壓室鉛直最小埋深370 m，側(cè)向最小埋深275 m，除去強(qiáng)卸荷巖體最小埋深約240 m。圍巖裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，階撐壓力多大于4 MPa，但裂隙和斷層發(fā)育地段階撐壓力較小。氣室斷面為10 m×16 m(寬×高)城門洞形，中心角180°，氣室底板高程1 006 m，初始水面高程為1 010 m，初始水深4 m，氣墊式調(diào)壓室的穩(wěn)定面積為1 000m2。氣室設(shè)計(jì)氣體壓力2.48 MPa，最大氣體壓力3.04 MPa。

氣室圍巖為微新似斑狀二云母花崗巖 ，屬中等強(qiáng)度、較高彈模的巖石，整體～塊狀結(jié)構(gòu)，屬Ⅲ類圍巖；局部斷層及裂隙發(fā)育地段為Ⅳ～Ⅴ類圍巖，圍巖以Ⅲ類為主。氣室內(nèi)主要分布2條斷層、1條擠壓帶和2條裂隙。結(jié)構(gòu)面延伸長(zhǎng)大，順結(jié)構(gòu)面特別是斷層帶滲透性較強(qiáng)，靠巖體閉水、閉氣難度很大。

氣墊式調(diào)壓室閉氣措施采用罩式型式。閉氣鋼板拼焊成倒“U”形，內(nèi)貼于混凝土拱表面。鋼筋混凝土拱襯砌厚度70 cm，拱間空腔圍巖內(nèi)設(shè)置兩排平壓孔，深入基巖，間距2 m，矩形布置，拱間空間和氣室里的水墊連通，拱間空腔和平壓孔形成平壓系統(tǒng)。拱內(nèi)鋼板厚度為14 mm，拱間鋼板厚度為18～22 mm，材質(zhì)為16 MnR。

4 運(yùn)行效果

自一里水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)尺寸112 m×10 m×13.9 m(長(zhǎng)×寬×高)，運(yùn)行氣體壓力約3.1 MPa，布置2臺(tái)15 m3空壓機(jī)，空壓機(jī)補(bǔ)氣統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)20天，總計(jì)補(bǔ)氣量約35 860 Nm3，漏氣量約12.45 Nm3/min；空壓機(jī)耗電量約67 730 kWh，耗電量約3 386.7 kWh/d。

木座水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)尺寸69.6 m×10.6 m×16.8 m(長(zhǎng)×寬×高)，運(yùn)行氣體壓力約1.96 MPa，布置2臺(tái)3.5 m3空壓機(jī)。空壓機(jī)補(bǔ)氣統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)23 d，總計(jì)補(bǔ)氣量約7 390 Nm3，漏氣量約0.22 Nm3/min；空壓機(jī)耗電量約1 530 kWh，耗電量約66.5 kWh/d。

陰坪水電站氣墊式調(diào)壓室氣體體100 m×10.6 m×16.6 m，運(yùn)行氣體壓力約2.22 MPa，布置2臺(tái)3 m3空壓機(jī)和2臺(tái)1.6 m3空壓機(jī)?？諌簷C(jī)補(bǔ)氣統(tǒng)計(jì)時(shí)段長(zhǎng)23 d，總計(jì)補(bǔ)氣量約13 390 Nm3，漏氣量約0.42 Nm3/min；空壓機(jī)耗電量約2 950 kWh，耗電量約134.2 kWh/d。

不同閉氣形式下氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行參數(shù)詳見表1。

5 結(jié) 語

氣墊式調(diào)壓室的運(yùn)用避免了常規(guī)調(diào)壓室大開挖對(duì)周邊環(huán)境的破壞，三種閉氣型式的氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行良好。從閉氣效果來看，采用鋼襯型式的氣墊式調(diào)壓室普遍優(yōu)于采用固結(jié)灌漿、高壓水幕型式的氣墊式調(diào)壓室的閉氣效果[6]，“夾心式”鋼罩閉氣措施略優(yōu)于“外掛式”閉氣措施。

從施工工藝來看，“外掛式”鋼罩相較“夾心式”鋼罩簡(jiǎn)單，從“夾心式”的兩次澆筑混凝土簡(jiǎn)化

表1 不同閉氣形式下氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行參數(shù)

為以外掛鋼板為模板的一次澆筑混凝土施工，簡(jiǎn)化了施工工序，節(jié)省了工程量。

鋼罩式閉氣措施的應(yīng)用，大大降低了氣墊式調(diào)壓室對(duì)周邊地質(zhì)的嚴(yán)苛要求，拓寬了氣墊式調(diào)壓室的適用范圍，值得在中小型引水式電站推廣應(yīng)用。