气垫式调压室在水电工程中的设计与应用

高佑国

摘 要：文章首先分析了气垫式调压室设计中的几项准则，之后以民治水电站为例，分析气垫式调压室在民治水电站中的应用，最后总结了气垫式调压室应当加强研究的内容，希望能够更好地促进我国水电工程的发展建设。

关键词：水电工程；气垫式调压室；设计；民治水电站；应用

气垫式调压室又被称为封闭调压室，是一种利用气垫内空气的膨胀以及压缩来对调压室内水位的涨落幅度进行控制的设施。与一般调压室不同，气垫式调压室的高度比常规调压室要低很多，受到地形条件的限制较少，并且有利于地表环境的保护。除此之外，还能够在厂房更近的位置进行气垫式调压室的布置，由于在纵剖面上的引水道更接近于直线，因此，还能够缩短引水道的长度，节约了水流量，减少了工程量。

世界上第一座气垫式调压室于1973年在挪威建成，近些年来，我国在对气垫式调压室进行研究的同时，也引进了挪威先进施工技术。目前为止，我国已经将气垫式调压室成功的运用在大干沟、自一里、小天都、木座、阴坪等水电站上。以下将对气垫式调压室设计准则进行详细分析，并以正在建设的民治水电站为例进行气垫式调压室的设计应用分析。

1 气垫式调压室设计准则

1.1 围岩质量准则

在气垫式调压室的设计中，需要遵循围岩质量准则，也就是判断围岩的质量能否达到气垫式调压室规定的标准。气垫式调压室的布置需要选择岩石强度高，岩体较完整并且需要洞室具有较好稳定性的位置。其中需要注意的是，要尽量避免选择岩溶发育地区以及地质构造不良的地区。

1.2 最小覆盖厚度经验准则

气垫式调压室应首先满足上抬理论经验准则要求。通过控制垂直和水平覆盖厚度，从宏观上避免山体发生整体上抬和失稳现象。最小覆盖厚度准则对于气垫式调压室设计来说是必须满足的，特别是在初步评判气垫式调压室方案的成立与否及初拟位置时更具有重要意义。

1.3 最小地应力准则

最小地应力准则是对岩石的重力进行考虑，是一种简单极限平衡法，是气垫式调压室设计过程中需要遵循的准则之一。从实际的地应力来看，谷坡内的地应力会受到地形的很大影响。除此之外，残余应力以及构造应力也会在实际情况下存在，因此，为了避免围岩受到水力以及气压的劈裂而出现损坏，应当对最小地应力更加重视。

1.4 岩体抗渗准则

岩体渗透性是确定洞壁岩体漏水、漏气量的重要指标，应选择透水性相对微弱的岩体进行气垫式调压室布置，应进行固壁灌浆处理。气垫式调压室一般应选择在围岩质量较好的部位，对局部范围透水率较大的部位应进行灌浆处理，以减少气体的损失。灌浆一般在气室内进行，最大灌浆压力应大于气垫室内最大气体压力，并建议按气垫室最大气体压力的1.2倍设计，同时应小于最小主地应力。是否对水幕上方岩体进行灌浆处理以降低水幕中可能发生的漏水问题，应该视现场具体情况而定。例如挪威水电站的水幕设计中未考虑对水幕上方岩体进行灌浆处理。

1.5 地下水压力梯度准则

在进行气垫式调压室设计中，为了将空气损失控制在标准规定的范围内，在岩体渗透性较高的情况下，确保气垫压力小于围岩内的水压力是十分重要且必要的。在气垫式调压室运行中，气垫压力小于水压力，能够有效避免出现漏气现象，这是避免气体泄漏的准则。如果是地下水位较低的气垫式调压室，那么需要进行水幕设置，人为制造必要的孔隙水压力，从而避免出现漏气问题。

2 气垫式调压室在民治水电站的应用

民治水电站位于四川省雅安市，地处国家级自然保护区实验区、世界自然遗产——四川大熊猫栖息地的外围保护区，为宝兴河梯级开发的第二级。该电站为引水式开发，其开发任务主要为发电并兼顾下游生态环境用水要求。电站装机容量为105MW，设计引用流量54.18m3/s，设计水头246.31m。电站由首部枢纽、引水建筑物及厂区枢纽三大部分组成。为解决厂内交通问题及电站建设期環保问题，民治水电站调压室由原设计的传统双室式调压室变更为了性能优越且易于施工的气垫式调压室，目前施工进展较为顺利。

2.1气垫调压室的平面位置确定

民治水电站气垫式调压室布置于邓池沟下游200～500m的东河右岸花岗岩山体内，地面高程1650.00m～1725.00m，自然边坡高陡，除局部缓坡及小型冲沟堆积、洪积碎砾石土外，大部分坡面基岩裸露，地形坡度一般为60°～70°。根据压力管道探硐所揭示的地质情况选择围岩完整性较好的洞段，并考虑气室埋深的影响，将气垫式调压室布置在压力管道左侧，轴线方向与压力管道垂直相交，相交位置为（隧）7+876.879（（管）0+000.000），与小断层等主要结构面呈大角度相交，有利于洞室稳定。其围岩总体以Ⅲ类为主，埋深满足要求。

2.2 结构布置

气垫式调压室由气室和连接隧洞组成，将气室底板做成倾向于连接隧洞的1%的斜坡，以利于调压室向水道补水通畅，在引水建筑物放空检修时亦利于气室内水体的放空。气室底板高程比引水隧洞顶拱高程高6.50m，连接隧洞总长度为101.00m，底板纵坡i=0.12，其断面为5.00m×5.00m（宽×高）。气室的断面面积为1000.00m2，宽度为10.00m，气室长度为100m。

气室断面采用钢筋混凝土夹钢板的窄高型城门洞型，钢板呈倒“U”形，内嵌在钢筋混凝土中，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的差压。气室边墙、顶拱及气室两端头布置系统平压孔，深入基岩4.00m，排距2.00m，矩形布置。排水钢管伸入系统平压孔0.70m，排水钢管和气室里的水垫连通。

2.3 防渗设计

总结自一里、小天都、木座、阴坪等已建成气垫式调压室的工程经验，通过围岩固结灌浆并设置水幕闭气效果并不是特别理想，而气垫式调压室钢罩方案可以将气体渗漏限制在很小范围内。因此民治水电站气垫式调压室的防渗措施采取钢罩方案，依靠钢筋混凝土外挂钢板封闭砌体的方法防止漏气，依靠平压系统平衡气室钢筋混凝土外侧水压力和气室气体压力。气体渗漏主要是由于高压气体溶于水所引起，按经验计算，气室漏气量约2.00Nm3/h。

2.4 支护设计

气垫式调压室采用钢筋混凝土夹钢板方式支护，厚0.75m，钢板厚度为14mm～22mm，材质为Q345R。调压室的边顶拱布置φ25，l=4.50m系统锚杆，间排距2.00m，锚杆深入基岩4.00m，锚杆外露0.50m，倒弯0.40m与混凝土外层钢筋绑扎在一起。对于岩体中裂隙发育的部位，对裂隙进行固结灌浆。

2.5 气垫室充气设备选择

气垫式调压室的充气空压机一般分为两种，一是在运行中进行补气，压力高，压气量小；一是初次充气或者检修后充气，压力低，压气量大。在实际选择过程中，需要综合分析比较耗电量、运行维修费以及充气时长等因素。民治水电站最终选择了偏安全考虑，选择了2台充气空压机（单台10Nm3/min），2台补气空压机（单台3Nm3/min）为气垫室的充气设备。

3 结束语

综上所述，气垫式调压室对环境破坏较小，且经济效益较高，已经在我国水电工程中逐渐得到推广以及应用。在进行气垫室调压室设计中，必须遵守围岩质量准则、最小覆盖厚度经验准则、最小地应力准则、岩体抗渗准则以及地下水压力梯度准则。但是在我国目前阶段来看，对于气垫式调压室的研究时间尚短，还需要进一步加强对气垫式调压室的分析研究。

参考文献

[1]张晓宏.气垫式调压室过渡过程的计算研究[D].西安理工大学，2007.