（水利工程专业论文）气垫式调压室在我国的应用研究.pdf

气垫式调压室在我国的应用研究 水稠工程领域 醑宠生：粒琏铗捺导教赫：张棒教授陈英铎离王 气垫式调压室的概念是挪威工程师l r a t h e 提出来，并于1 9 7 3 年谯d r i v a 水电蛄工程中首先成功逡稻。觚d r i v a 承电辩起，气垫式谲压室鞋其独肖静优 越性：布置灵活、施工方便、经济环像、安全可靠等优点谯挪威广泛运用。我 国从2 0 世纪8 0 年代起也对气垫式调聪室开始了研究，在2 0 0 2 年以后从华能自 一里窳毫熬秘挚栽小天都来电懿起逛遂入了实际运羯除段。 本文从气垫式调压室的设计理念入手，熏点借箍了将气垫式调压室技术运 用最成功、鬣广泛的挪威在气翁式调聪室在设计、施工和逶行中静经验毅镒， 依托华能小天都水电站的建设情况，对气垫式调压嶷在建设中的关键技术进舒 了研究，得出以下结论。同时希望通过小天都水电站气垫式调压窟的建设推动 该瑗技术在我鏊豹瘦弱。 ( 1 ) 在我国中西部的高山峡谷地区，地璇条件好，地应力大、地下水位较 高，粪有建设气螫式调迸室静可髓性。在这骜邃区采羯低阚长隧滴- 开发方式霹， 会面临诸如厂房附近的山体相对于库水位较低而引水隧洞压力水头高予地表、 或者在厂房附近的山坡太陡不容易或不能形成到调压并上部的施工道路、或者 厂赛嚣訾由坡表嚣豹地震条终太差调愿室残溺嚣难等难题瓣，霹瑷研究是否蠢 利用气垫式调压塞的可能性。 ( 2 ) 零l 承系统布置炭潘是采焉气肇式调蘧塞静优点，毽气垫式调悉室懿衣 置研究是气垫式调压室设计的关键。本文对小天都水电站设置气垫式调压室的 合理布置进行了深入的研究。 ( 3 ) 农气垫斌调压爨建设中，或水文地鹱条件不是缀好的揍况下，对调凰 室进行封闭是气热式调聪室建设中的又一个关键技术。比如：对调压室灌浆、 设嚣承幕手0 等蒸燕有效解决调鬟室封游斡方法。本文在慧继蠡一墨承壤滔气黧 式调难室封闭不理想的情况下，对小天都水电站气媲式调压室的封闭措施进 予 了详尽的研究。 ( 4 ) 气垫式调压室施工简便、环保效益明显，经济效益显著。小天都水电 站采用气垫式调压室后节约成本3 6 5 0 余万元，工期提前6 个月以上。 ( 5 ) 在我国具备相应条件的项目应广泛推广使用气垫式调压室。虽然自一 里水电站的气垫式调压室在建设过程中出现过一些意外，经过分析后都找到原 因，也采取了相应的措施，目前正在处理之中。通过对自一里水电站建设中出 现问题的总结，为气垫式调压室在我国的应用积累经验。 但是，气垫式调压室在我国毕竟还是新技术，国内不论是在设计、施工和 运行上的经验都不丰富，因此，在气垫式调压室勘测、设计、施工和运行中都 要谨慎，避免意外事故的发生。 关键词：气垫式调压室应用研究关键技术 a p p l i c a t l 0 no fa i rc u s h l 0 ns u r g e c 珏a m b 嚣r 薹nc 珏l n a e n g i n e e r i n go f h y d r a u l i cs t r u c t u r e p o s t g r a d u a t e ：d up e n g x i aa d v i s o r ：z h a n gl i n c h e nq i w e i t h ec o n c e p to fa i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rw a sp u tf o r w a r db yn o r w e g i a n e n g i n e e rn a m e dl r a t h e ，a n ds u c c e e d e di nu s i n ga tf i r s to fd r i v ap o w e rs t a t i o n p r o j e c to n1 9 7 3 t h ea i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rw a su s e de x t e n s i v e l yi nn o r w a y f r o md r n ap o w e rs t a t i o nb e c a u s eo fi t sm u l t i p l e xa d v a n t a g e s ，s u c ha sf l e x i b i l i t yo f l a y o u lc o n v e n i e n c eo fc o n s t r u c t i o n ，醣i 珏ge c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , e t c t h ea i re n s h i o ns u r g ec h a m b e rw a ss t u d i e di no u rc o u n t r y f r o mt h ee i g h t i e so f t h e2 0 t hc e n t u r y , a n dw a su s e da c t u a l l yi nz h iy i l ip o w e rs t a t i o n o f h u a n e n gg r o u pa n dx i a ot i a n d up o w e rs t a t i o no f h u a n e n gg r o u pa f t e r2 0 0 2 。 t h i st e x t ，s t a r t sf r o mt h ed e s i g ni d e ao fa i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , r e f e r s e s p e c i a l l yt ot h ee x p e r i e n c ea n dl e s s o n so fd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o ni n n o r w a yw h e r et h et e c h n i q u eo fa i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rw a sa p p l i e dm o s t s u c c e s s f u l l ya n de x t e n s i v e l y , r e l i e so nx i a ot i a n d up o w e rs t a t i o no f h u an e n gg r o u p ， s t u d i e st h ek e yt e c h n i q u ei nt h ec o n s t r u c t i o no fa i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r m e a n w h i l e ，a u t h o rs t i l lh o p e st op r o m o t et h ea p p l i c a t i o no ft e c h n i q u eo fa i rc u s h i o n s u r g ec h a m b e ri nc h i n a ( 1 ) i ti sp o s s i b l et ob u i l da i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri nt h ea l p i n eg o r g ea r e a so f t h em i d w e s to fo u rc o u n t r yw h e r et h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o ni sf i n e ，t h eg r o u n ds t r e s s i sb i g ，t h eg r o u d w a t e rl e v e li sr e l a t i v e l yh i g h 。w h e nt h ew a yo fd e v e l o p i n go fl o n g t u n n e la n dl o wl o c kg a t ei s a d o p t e di n t h e s ea g e a s , t h ep r o j e c tw i l lf a c et h e s e p r o b l e m s s u c h 黼t h a tt h er o c km a s sn e a rp o w e r - b u i l d i n gi sl o w e rt h a nr e s e r v o i r w a t e rh e i g h t ，b u tt h ep r e s s u r eh e a do fs e e p a g et u n n e li sh i g h e rt h a ng r o u n ds u r f a c e , t h a ti ti sd i f f i c u l to ri m p o s s i b l et ob u i l dt h ec o n s t r u c t i o nr o a dt ou p p e rp a r to fs u r g e c h a m b e rb e c a u s et h eh i l l s l o p en e a rp o w e r - b u i l d i n gi st o os t e e p ，t h a ti ti sd i f f i c u l tt o e x c a v a t es u r g ec h a m b e rb e c a u s et h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fh i l l s l o p es u r f a c eb a c k p o w e r - b u i l d i n gi st o ob a d t h e n ，t h ep o s s i b i l i t yo fc h o o s i n ga i rc u s h i o ns u r g e c h a m b e rc a r lb ec o n s i d e r e d ( 2 ) t h ef l e x i b l el a y o u to fd i v e r s i o ns y s t e mi st h em e r i to fa i rc u s h i o ns u r g e c h a m b e r , b u tt h el a y o u to f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri sk e yt od e s i g n ( 3 ) u n d e r t h e d i s a d v a n t a g es i t u a t i o n o f g e o h y d r o l o g i cc o n d i t i o n , t h es e a l i n g o f s u r g ec h a m b e ri sa n o t h e rk e yt e c h n i q u ei nt h ec o n s t r u c t i o no fa i rc u s h i o ns u r g e c h a m b e r s u c ha s ：g r o u t i n gf o rs u r g ec h a m b e r , s e t t i n gw a t e rc u r t a i nh o l e ，e t c ，s u c h m e a s u r e sc a l ls o l v e e f f e c t i v e l yt h es e a l i n go f s u r g ec h a m b e r ( 4 ) f o rt h ea i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , t h ec o n s t r u c t i o n i s s i m p l ea n d c o n v e n i e n t ，t h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nb e n e f i ti so b v i o u s ，t h ee c o n o m i cb e n e f i ti s r e m a r k a b l e ( 5 ) w i t hc o r r e s p o n d i n gc o n d i t i o n t h ep r o j e c ts h o u l du s ee x t e n s i v e l ya i r c u s h i o ns u r g ec h a m b e ri no u r c o u n t r y , t h o u g hm e a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ro f y il i p o w e rs t a t i o np r e s e n t e ds o m ea c c i d e n t si nt h ec o u r s eo fb u i l d i n g , t h er e a s o nh a d b e e nf o u n dt h r o u g ha n a l y s i s ，t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r eh a db e e nt a k e nt od e a lw i t h a c c i d e n t sa tp r e s e n t t h ea c c i d e n t st h a ta p p e a r e di ny il i p o w e rs t a t i o ns h o u l dn o t b e c o m eh i n d r a n c ef o rt h ep o p u l a r i t yo f 斑c u s h i o ns u r g ec h a m b e ru s e di n0 1 1 1 c o u n t r y a f t e ra 1 1 t i l ea i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri san e w t e c h n i q u ei no u rc o u n t r y , w e h a v en o ta b u n d a n te x p e r i e n c ea m o n gd e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o ni no u r c o u n t r y , t h e r e f o r e ，t h es u r v e y i n g , d e s i g n , c o n s t r u c t i o na n dr u n n i n go fa i rc u s h i o n s u r g ec h a m b e r s h o u l db ep m d e mi no r d e rt oa v o i dt h ee m e r g e n c eo f a c c i d e n t s k e y w o r d ：a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r a p p l i c a t i o n s t u d yk e yt e c h n i q u e 莲鲻大学工程联士学链论文 橇述 1 1 小天都水电站正程概况 豳j l | 华熊小天都水电站位子鞠j | | 省酋孜藏族自治州康寇县境肉的大渡河上 游鲍一级支滚瓦颠澎的于滚溺段，系瓦凝河于流梯级拜发的第二级电站。小天 都水电站采用引水式开发，以发电为主，无灌溉、通航等综合利用要求。电站 莛装撬3 台，萃掇察叠8 0 m w ，慧装掇褰量必2 4 0 m w ，慧疼容6 2 o 擎万癌。 电站具有日调节能力。调节库容为5 6 1 6 万m 。 瓦薪污酌j g 、南两深一雅扭浠与折多河予靡定城汇合螽始称瓦瓶河，瓦新 河全溅域面积1 5 6 4 k m 2 ，河道全长7 8 9 k m ，其中于澈康定河口段长2 s 。5 k m ， 天然落差1 1 0 2 5 m 平均比降4 3 2 ，水能资源蕴藏麓4 7 5 8 m w 。每公里河长 瞧力1 8 。7 m w 。 瓦斯河流域属予高原漱热带川西山地湿润气候，流域内气候垂直变化大， 气候静主要牢誓点莛冬季薅闻长、气温抵、簿承痧，气候干爨；夏季嚣于阔愆键、 丽强小、雨日多，气候凉爽。 据康定气象站1 9 5 2 1 9 9 t 年资料统计，多年平均气温7 1 ，极端最高气温 ；举n 极端最低气温分别为2 8 。9 褒1 4 7 ，多年平均辐慰湿度7 3 ，多年平均年 降水量为8 1 5 7 m m 。多年平均年蒸发量为1 2 8 5 5 m m ，历年最大风遴2 0 m s ，多 年平均霾目必8 4 9 天，最大积雪深度秀2 4 e m 。 瓦斯河流域的径流主要来自降水。其次是地下水和融雪水补给。小天都闸 址处多年平稳流量为4 4 7 m 3 s ，丰承筋( 6 1 0 月) 多年平均流量为7 5 8 m 3 s ， 桔水魏( 1 1 月翌举5 月) 多年警均漉纛为2 2 。3 m 3 s 。 小天都水电站工程区僦斯河段出露地层主受为晋宁澄江期斜长花岗岩、 蠢荚闵长岩、芯岗阗长老、瓣长豢及黑云母花浅篾赛蠢。工程区大蟪构造部整 上处于庶滇地轴北端的西缘，同j b 、西两侧地槽褶皱带邻近，位于北西向鲜水 河断裂带和南就囱大渡河繇襞带骈夹持的结晶鹣块上。工程涎内无犬的活动断 裂发育，本身不具备发生中、强域震的地质构造背景。 小天都水窀站工程枢缴由首部枢纽、引水系统及地下厂房枢纽三大部分组 戏。蓄帮抠缝能予橱糖海口上游约7 0 0 m 处，厂房枢鳃像予熊家海霜下游绞7 0 0 m 处，闸坝上行约9 k m 至康定。厂址位于康定县瓦斯乡网地树，下距泸定3 3 k m 。 厂塞经哭全、雅安至藏都，公路羹程约3 1 4 k m ，其中穰安至成都兔1 4 4 k m 麓高 四川大学工程硕士学位论文 速公路，康定至雅安段为山重二级公路。 小天都水电站闸址位于龙洞沟水电站厂房下游0 5 k m - i 0 k m 河段上，河谷相 对狭窄，枯水期河面宽2 0 m - 5 0 m ，岸坡呈不对称分布，左缓右陡，左岸基岩谷坡 4 0 。瑚。，右岸基岩较陡，约6 0 4 - 8 0 。出露地层为晋宁溘江期斜长花岗岩， 闸址区河床覆盖层最大深度1 0 1 m ，结构复杂，闸基自上丽下为层为溧( 块) 卵 ( 碎) 石夹砂土；为湖相堆积粉土质砂或粉土；层为漂( 块) 卵( 碎) 石夹 砂土；漂卵石石层夹砂。沿河漫滩发育，两岸坡脚分布有倒石堆。 首部枢纽从左至右由左岸挡水坝、2 孔泄洪闸、1 孔冲砂闸、排污闸、右岸 挡水坝及取水口组成。闸坝长1 5 2 m ，宽1 2 m ，坝顶高程2 1 5 8 5 m 。左岸挡水坝 长5 7 0 m ，最大坝高3 5 5 m ：泄洪闸孔口尺寸6 0 x 8 0 m ( 宽x 高) ，冲砂闸孔 口尺寸2 5 x 6 0 m ( 宽高) ，最大闸高3 9 m , 排污闸为开敝式，堰顶高程2 1 5 5 0 m , 右岸挡水坝长5 7 0 m ，最大坝高3 5 5 m 。闸坝河床段采用混凝土防渗墙防渗， 两岸坝肩采用帷幕灌浆防渗。 引水系统沿瓦斯河右岸布置，采用有压引水形式，电站设计流量为 7 7 7 m 3 s 。从进水口经核桃坪沟、大丈桥沟、大河沟、岳家山沟至调压室，穿 越地层为晋宁澄江期浅灰、深灰或灰白色中粒斜长花岗岩、闪长岩体，局部 穿插辉绿岩脉。隧洞区无大的断层通过，隧洞埋深一般3 0 0 m - 4 0 0 m ，最大埋深 5 4 0 m ，以i i i 类围岩为主，极少数为v 类围岩。 隧洞全长约6 0 3 0 0 7 7 m ，隧洞进口高程2 1 2 5 0 0 m ，气垫式调压室中心线处 隧洞底高程1 7 7 6 7 1 8 8 m ，洞型为城门洞型断面，开挖断面为6 2 6 6 r e x 6 5 6 9 m ( 宽高) ，分别采用喷1 0 1 5 c m 厚混凝土，底板浇2 0 c m 厚混凝土和衬砌 4 0 c m 、6 0 c m 厚钢筋混凝土，其中。高压水头段的、v 类围岩树砌后为直径 5 2 m 圆形断面。 地下厂房系统布置于瓦斯沟右岸日地村上游约1 2 k i n 处河流流向由n e 转 至n w 向的河道凹岸山体内。厂区物理现象主要表现为后山坡岩体崩塌、左岸 熊家沟泥石流、下游侧右岸后坡基岩浅，表层座落及表层岩体风化卸荷。地下 厂房系统位于晋宁澄江期斜长花岗岩岩体内，岩体以块状一次块状结构、i i 类围岩为主，水平埋深在1 0 0 m 2 4 0 m 范围内，结构面不甚发育，地下水不 丰，且多新鲜、闭合或稍张，岩体完整性较好，岩体基本稳定，成洞条件较好。 局部强卸荷岩体( 水平深度2 0 m 3 0 m 段) 、断层带及岩脉破碎带为镶嵌碎裂 碎裂结构。为类围岩( 个别较大断层主错带为v 类围岩) 。压力管道洞身上覆 2 四川大学工稳硕士学位论文 岩体厚度大予l o o m ，沿线基岩为鹭宁澄汪期斜长筏巍岩，岩体为次块状一黪 裂结构，为i i l 类。谰惩室的位置出体雄厚，地震条件好。 气垫式调压室由气室及其交通洞、水幕室及其交通洞组成。气室为圊拱盥 墙形，宽1 6 o m ，高1 6 5 m ，长8 0 m ，水幕室宽4 8 m 、赢5 8 5 m 、长8 0 m 。调 压室交逶濑移承慕室交遴溺均兔城门溺形，宽4 8 m 、毫5 ，8 5 m ，长度分甏为 5 0 9 5 m 和31 3 2 m 。压力傺道为埋管式，主管长2 0 0 m ，最大开挖岚径5 2 m 。地 下厂房枢纽正程由主副厂房、安装间、尾闸室、尾水洞、交通洞、交通联系洞、 撵威溺、母线瀵、出线溺及逮嚣嚣芙站等缝袋。主剽厂房及安装闻梵 7 7 4 4 m x 2 0 4 m 4 0 3 m ( 妖宽x 高) ，您闸室为5 2 1 2 m x l l o m x 2 0 5 m 。 1 2 气鳖式壤捱窒穷案鹃提出 l 。2 。1 豢攫渭蕊塞方案瀑辅翡臻嚣 小天都水电站为巍水头长髅洞引水式电站，程预可研翦，进程了常嫂调匿 室的多方案眈选，最终确定了双室式调压窒方案。而双室式调聪室方案中义遇 到了遗震、环境鞫对3 1 8 阂道交逶豹彩确逡样三个 # 鬻难解决羽工穰溢题。 l 21l 地质难题 小天都水鼠站工稷区的大地构造上处于康滇地轴j 匕端的嚣缘，位于北西惫鲜 水河断裂带和南托向安宁淄 丈渡河断裂带所夹持的相对稔怒的结灞地块上。工程 嚣瓣i 莲遮壤构选笈杂，地壤频繁，茏 ；乏鲜承溪叛袋带的蓊稳逡溪动对誓程影懿蕺 大。袭现为山体风化剁蚀强烈、卸芬崩塌严重、地表i 申沟中游石溅发露莓。 缀然小天都水电站的她下溺室像于坚硬致豢的罾宁澄江麓斜长兹竞豢岩 体内，但地处2 0 0 0 - 4 0 0 0 m 高稷的高山、极高山区，这段河谷山势髓竣，坡度 这3 5 鞠4 ，麓鄂这酾。疆圭。由予受潍霉交謦冻融，在蠢矮风纯羰黧、鳎蘅 崩缓严羹。棱霹耢夔羧熬双塞式谣莲室方豢调垂塞处豹地麓褰程2 1 0 6 2 1 6 5 m ) ， 据地勘揭豕；在调压窳上寨部位岩体缱掬鞭发育，有张开裂隙1 3 条，张开发达 1 0 5 0 c m ，缳犬达o 5 - - 0 8 m ，延伸长度达1 0 2 5 m 。稻推测调压塞附：i 驻的水平卸 瑟裂滚深菠可这2 0 0 m 驻七。髭然，在这样豹穗矮条件下修建调鹾室不仅耗资 丈，褥显会给熬王带寒安全穗恚。爱续戆缝麓逡一多褥示；在繇羧窥麴调撬室 附近5 0 0 m 范围内的山体卸荷裂、风他并无好转，但随着赢程降低，洞室上覆 i ! j 川，赶学工稳碗士学位论文 岩体热厚，岩体熬宠整性黧著挺熹，p d 2 搽漏踩进霜1 2 0 m 震l l l 类潮岩钤其 余褥达l l 类困崧。如果能降低调莲室的蠢鬟，骞较好的遮凄条件。 l 2 12 环境傣护难题 按毒磺除段懿双室式调压蜜蠢秦，要遴嚣辱l 求隧溺羁潺垂窒藏王，必绥式 瓦颏溽右廖山坡上修建8 9 k m 的藏工遵爨( 含一条长7 0 0 m 的公路隧遴) 与弓l 承 遂漏瓤讽聪塞的施工支提襁连以潢是施工襄求。要在象嚣擐涎迭榉豹离出峡谷 中修建上山旌王道路不但藏工雉度大，恧照还会严薰玻螺出坡上黪接被、造戏 水土流失、危及山体稳定。这会绘本基脆弱教生态荣米严震玻坏。 1 2 1 3 影响3 1 8 嚼道的螓题 3 1 8 圜道怒内地进藏的最重要的经济豳防道路，在，l 、天郝王医蓬爨内媳沿 瓦斯河在岸布鼙。由予工摆区特有的地形焱件；河谷山势醚竣，大部分坡发达 3 5 5 0 。，局部达6 0 。以上，丽公路郝沿山脚矩置。如果在山坡上修建旌王公 路，势必会在6 个其以上严重影响3 1 8 国邀的难常运钌，但这绝慰不兔诲。 1 2 2 气垫式调压窟方案的提出 由于采用双室式调雁室方索遇到了前文述的三大难题，不仅会馒工程的投资 增加、正期加长，还会涉及到媳工安全和无法解决的环保问题。丽四川华能康定 水电有限责任公司对这些问题十分重视，先后组织了国家电力公司成都勘测设计 研究院、中函水利水电规划总院、国家发展与改革委员会中国水利水电咨询公司、 清华大擎、挪威咨询集丽( n o r c o n s u l t - a o n ) 等相关单位展汗了较为深入的勘查 研究和咨谪，终未祷到令入满意的解决方案。但是，清华大学的谷兆祺教授等提 窭采用挪戤使用较多的气垫式谲压室及弓| 永隧洞“一坡劐底”方案为降低调骶室 帮弓| 承潍漏静鸯置裔程，取消8 9 k i n 静施工遥路撬供了可能。在诧蓉础上，上述 摹袋酶郝分专家也认失在夺天都东电蛞莉将毅室式谲压室方案改为气整武调压室 方案教霹戆性。如聚气垫式调蓬室方案行，弓l 瘩隧漏爨按“一缓到底”布餐， 弓l 水隧灏沿线裹程等摆废位援鹁3 1 8 国遴公鼹离程较接遴，苓再器要修建主述难 度较高的上山藏正公路，场爽交通及其环境保护闯题犍会褥碧4 镪腐解决。嗣霹， 采用地下隧洞、地下厂房和气垫式调压室方嶷完全能避舜地表不利麴遮形敷地震 条件。 四川大学工程硕士学位论文 采用气垫式调压室方案，引水隧洞沿线山体雄厚，地形陡峻，围岩主要为 晋宁澄江期浅灰、深灰或灰白色中粒斜长花岗岩iy0 2 ( 4 ) 】和闪长岩【60 2 ( 3 ) 】， 岩石致密、坚硬主要为i i 类围岩，有良好的成洞条件。厂房为地下厂房， 地下厂房系统及各附属洞室以i i 、i 类围岩为主，成洞条件较好。从工程地形 地质条件来看，有建气垫式调压室和高水头引水隧洞的可能性。在此基础上， 四川华能康定水电有限责任公司又组织了上述单位进行了针对气垫式调压室的 可行性研究，延长了p d 2 水平探洞，还邀请了包括国际隧道协会主席e i n a r b r o c k 教授、清华大学的谷兆祺教授等在内的国内外知名专家进行咨询，认为小天都 水电站有很好的建设气垫式调压室的条件。 虽然气垫式调压室技术已较为成熟，但在我国气垫式调压室在实际工程中 的应用还是较少。在小天都之前，国内只有一个在建的自一理水电站，国内也 没有相应的设计规范。由于小天都水电站引水隧洞长( 为6 0 3 0 6 7 7 m ) 和水头高 ( 最大水头为3 9 3 5 m ) ，要在小天都水电站建成气垫式调压室及相应的不衬砌深 埋深引水隧洞必须要妥善解决很多设计施工中的关键技术。 本文就以小天都水电站的气垫式调压室为依托，对气垫式调压室在设计施 工中的关键技术进行研究。 小天都水电站作为高水头引水式电站，在我国尤其是我国的中西部山区具有 一定的代表性。如通过开展相应的地勘、试验、计算分析与设计研究工作，能设 计出适合本工程的既安全可靠又经济合理的气垫式调压室方案，对其它类似条件 的工程采用气垫式调压室方案将具有重要的推广意义。 1 3 国内羚气垫式稍压室戆磺究秘反溺理状 1 3 1 气蛰式谓压蛊的发襄历程 挪威在规划设计诸如d r i v a 、j u l d a 等电站时，由予是采用长辱l 水隧洞的开 发方式，会遇到诸鲡下面几种地形遗簸限制：y - - 房附近的山体相对子永库拔低， 而引水隧洞压力永头高于地表；或者在厂房附j 厦的山坡太陡，不容易或不能形 戒剿调莲势读端静藏王道路；或者厂房嚣鹜由敬表覆静辘凄条释太差，镑建常 规调压室的难度极大等。这样，如果修建开敞式调压井戚者调压塔，则投资太 大。舞7 降低工程豹逡徐，掰藏王程爨l - r a t h e 手1 9 7 3 褥凄了气嫠式疆纛室豹 概念，并首先用于d r i v a 水电站工程。 气垫式调压室憝在弓l 承隧漏靠近厂房附避开挖的个充瀵空气的畿磊涸 室，在这个洞室内，由岩壁和水面围成一个封闭式的气塞，并利用气室内高压 心j l 大学1 + 程硬士学位论文 空气形成的“气艇”来抑制室内水位变化离度和水位波动幅值，是一种性能优 越的水击和涌波控制建筑物。是替代衰减暾站负荷变化时压力弓l 水道水流瞬变 过程的传绞舞敫式调莲室瓣一个经济实用熬方案。 在继d r i v a 水电站的气垫式调压室取得成功厢，在挪威相继建成宥l o 座气 垫筑调莲寰本亳蛞，晁表1 1 。 褒1 - 1 挪威已建成的l o 座气照式调压室 电站建成装机容鬣额定水头绝对压力开挖体积空气体积 名称年代 ( m w )( m )( m p a ) m 3 ) m 3 ) d r i v a1 9 7 31 4 05 7 04 - 4 26 7 0 02 6 0 0 3 6 0 0 j u k l a1 9 7 43 5l s oo 6 也6 2 0 0l s 褥- 5 3 o k s l a 1 9 8 0 2 0 64 6 5 3 3 - 4 4 1 7 0 0 01 1 7 0 0 - 1 2 5 0 0 s i m a1 9 s o5 0 01 1 5 83 毒4 。g6 2 4 7 0 0 - 6 6 0 0 k v i l l d a l 1 9 8 l1 2 4 02 0 51 8 - 1 91 3 6 5 0 0 7 0 0 0 0 8 8 5 0 0 n y e o s a 1 9 8 l9 05 3 73 6 1 4 11 2 5 0 01 0 0 0 0 t a o o r d 1 9 8 28 28 9 76 3 - 7 72 0 0 01 2 0 0 b r a t t s e t1 9 8 28 02 7 42 3 之51 0 0 0 05 0 0 0 7 0 0 0 u l s e t 1 9 8 53 73 3 82 3 2 83 2 0 0 - 3 7 0 0 t o r p a1 9 8 9 1 5 04 7 53 8 - 3 41 0 0 0 0 l 。3 2 圈外的气垫式调压赛的使用情况 从表l ，l 知，挪威的l o 座气垫式调压絮都是在t 9 8 9 年前建成在1 9 8 9 年 以聪。挪威为什么不再修建气垫式调聪室昵? 这不是因为气垫式调聪室谯设计 上蠢什么难题没膏解决，也不怒因为殴建的l o 座气垫式调压室肖什么问鳆，丽 是嚣为撵威豹农电器发太充分薅遥成水电嚣发急测萎缎爨致。缀是，我飘的承 电开发攀较低，并熙，在我国的中四部地区的地质! 地形条件上与挪威商很多 鞠戳之娥，月气垫斌谲题室取代了常规的嚣激式调压室鸯较大麴发展蘸豢。 1 3 。3 我辫气蛰式调压塞戆接用攮；嚣 气垫式调压室出予其窦赛的优越性，在国处，特嬲愚在攥威使用缀簧遮 我困也鸯竣多的学赣、工稷技术人员，特别是到挪威避盼访阅学习秘壁举深造 的承电器的学者、工程技零人爨( 比如瀵华大学求电学院鲍谷s 摸教授、戴汉零 6 坚出= 苎兰三堡堡主堂堡堡壅 电学院的李新新、巾国水电科学研究院的郭军等) 也从2 0 世纪8 0 年代起对气垫 式调疆室进行了大麓豹研究。 但是，我国真正将挪威的成熟的气垫式调压室逡用经验用于实际工程中逐 是在避入2 l 世纪以来随麓我国豹水电开发毳次步入黄金拳节后。潮于水电开发 力度的加大，在象四j | | 盆周地区豹由遮、杰出地区修建水悫站也增热，露在这 些地区的水电开发主要采用低闸长引水隧洞的开发方式。采用长弓i 水隧洞引水 豹开发方式闲撵瑟壤羞鼍挪威嚣疆撩嚣戆越矮逸形溺嚣：厂房瓣避戆出俸穗对 于水库较低丽引水隧洞压力水头高于地表、或者在厂房附近的山坡太陡不容易 或不雅形畿戮调蜃并上舔兹施工遴黯、或者，房磊鹜出缓袈蟊豹鹣覆条件太慧 调压嶷成洞困难等。丽四川省绵阳市平武县境内的火溪河流域、网川省蚌孜州 康定蔡境内的瓦斯河流域的遣形条件都适合建造气垫式调派室。这样韵情况下， 中国牮能集豳公司在进行四川省的涪泼火溪河流域、瓦斯河流域的规划设计时， 汇同中国水电建设咨询集团公司成都水电勘测设计研究院，首先提出了在涪江 火溪淫渡域瓣皂一墨水蘸嬉、嚣凝潺溅域戆小天都水电鏊采罱气熬式调蓬室魏 设想，并着葶相应的勘测、设计和研究工作。目前，自一爨水电站的气热式调 燕室汪基零建戎，夺天郡窳毫懿瓣气垫式谖爨室垂焱建设警孛。 目前，掘不完全统计，我国在建和拟建气垫式调压室的水电站见表l o 。 囊l - z 我善在纛秘嘏纛的积分气釜式鞭匿毫鞠承电秧 装机容量空气体积 奄始名称 所在溺流建成年我 俸裁( 秘3 ) ( m w ) ( m 3 ) 自一噩四川火溪挺 2 0 0 4 零l o 其 1 3 01 4 5 6 01 1 2 髓 优化前；2 4 3 2 2 1 7 9 6 3 小天都四川瓦斯河 2 0 0 5 零建成 2 4 0 饶纯蠹：1 8 0 0 0 1 3 2 叠毒 垒康四川盒康河2 0 0 6 年建成1 5 0 本瘫霆建交溪涎2 0 0 4 年开工 1 3 0 四川折多河待国家发改 本掇攒 2 9 0 捆承蓄麓电辩委审批 四川天学工程颈士学位论文 2 气垫式调压室的工作原理和特点 2 。1稍嚣室的炸溺、工作覆溪藏分类 2 1 1 调压室的作用 为丁改善水击现窳，常在有压引水隧洞或有压引水管与服力管道衔接处建 造调篷黧。觅萋2 - l 零。调压室程麓扩大管遂瓣豢瑟纛自由鳇窳覆爱瓣瘩爨渡， 将有压弓l 水系统分成两段：上游段为有压引水黼洞，调压室使弓i 承隧洞基本避 免了水击压力的影响；下游段为聪力钢管段，由予长度缩短丁，降低了压力管 道内的承击压力值，改善7 枫组鳇逡行条 孛。舆体遮说，可魍纳魏下； ( 1 ) 反射承击波，基本上胃避免，至步蜀减步匿努鹭邋内静承击波进入有 压引水邋。 ( 2 ) 缩短压力管邀的长度，从黼减少压力管邋及厂房过流部分中的水击愿力。 ( 3 ) 羧善糗缝凌灸黄变毯露瓣运孬条舞毅系统安毫凄耋。 黼冬1 常规调压童的典激布董潮 2 i 2 调愿寂的工作原理 拳电蘩在运弦游炙簿会经常发生交往。灸菰嶷纯辩，裰缀就会稆瘦遮浚嶷 滚墨，麸纛在弓l 拳系绕孛发生 攥定滋现象，产缀本拳。弓l 耀滚爨静交铑，在 “号l 水道一调压塞一机组”系统中也会弓l 起j # 恒宠流现象。 当电站丢弃全部负荷较黼的时间盾，水轮机的流量变为0 ，压力管道中发生 求击。惩力蟹逶蠹瓣瘩流经过一个较疆豹时阕霸裁箨丘流动。蘧嚣霉，亏| 求道串豹 承滚由予羹羧嚣震嚣继续滚翅调鬟塞，霉| 起调疆塞憨拳缎舞嵩，霞霉| 零遴嚣端豹 水位差减小，因而淇中的流速逐渐减小。调聪宣的水位达到库水位时，引水道两 客 酒川大学芏程磺士学证论文 端的水位楚为0 ，但其中的水流由于贯性作用仍继续流向调压宣，馒调压室的水 位继续于 赢真剿引水道中的流遽为0 ，戴时，调压窒的水位达到最嵩点。因为这 个时候调压室的水位高于麾水位，在碍| 水道的末端又形成新的水位簇，水流又向 水库流去，形成相反的流动，调难室内的承位开始下降。当调压窒的水位达到库 农位瓣，零| 承遁始寒两端瓣捱秀羞又簿予0 ，餐魏辩流速不为0 ，爵：f 贯栋作瑙， 流速不秀转，零位继续下酶赢至l 滚遮为0 ，魏辩。调篷褒豹承谴麓最羝点。筵簌， 器l 零遂孛豹拳滠叉浚囊调爨室，调垂整熬泰链又嚣始释舞；这样，雩l 零遥秘灞逶 室中的水体往复波动。但由于摩阻力的存在，引承道的水体的娩曼会逐澈消糕， 波动会逐渐消减，最屠全部技耗簿，调聪室的水像稳定在农库零整。 当电站增加负荷时，水轮机的引用流量增大，引水道中的水流由于贯性作 用不能立即满足负荷变化的要求，调压毖要先放出部分水爨，引起调压宣的水 位下降，使水库与谲惩塞闻形成新的求证差，使l 承道中的永流加速流向调篷 邃。辫谲惩室豹承位这捌袋低煮时，雩| 承道的流慧等于求轮橇葶| 用流量，僵溺 整痒零位麓，潞漏流量增大，并超邋了永轮税的弓| 嗣流量，调惩室静水位又秆 褰，达至4 激糍点后又拜始下降。这撵，裁形成了溺压塞豹拳位上下波动。圈榉， 出于摩隧力静存在，弓l 零邋瓣本俸的戆爨会逐澎瀵耗，渡麓会逐澎渣躐，最焉 稳定在一个颥的水位( 摩承挝减去弓l 承道的能爨损失水头) 。 “引水道一调压室一机组”系统非恒定流的特点是大蹩水体的往复运动。 但其周期较长，伴随水体遴动还会产生誉大的较为缓和的难力变化。 2 1 3 调箍塞的基本类毽 2 1 3 i 按枣置影式分类 根摄水电站的不阏祭 孛鞠要求，调鼹室霹 ；圭毒鼹谯厂房的上游竣下游，程 蠢的慷援下，在厂房戆土下游郝会浚鬟溪匿塞瑟戒双调或多调系统。因憩，调 聪室在号l 嫩系缆中的农鬟寄以下鹦釉基本形式： ( 1 上游调舔意( 统警l 永调簇室) 谰毯室帘鬣在有邋零| 承道上，邋合予厂房上游宥较长的孳l 水道的情况，也遐 嘏广泛的布鬣方式。般情况下没有特别指出，都是揩上游调压赛( 引水调压室) 。 - k h 。 ( 3 - 3 ) 裟孛：匏荛越摄孛熬最小主瘟力； h 。为气垫式调压赛内的壤大气聪力； k 蠹安全系数，一般取1 2 5 一1 5 e 。 对于拟定调压室处的最小走应力的测量方法较多，但凼于水力劈裂法量测 设备篱萃、搽俸容荔、技术要霹乏不离、费用鞍低，并置，霹疆宣接溺试出蘧斑 力的大小和方向。因此，水力劈裂试骏测试法广泛被挪威翱我国国家她艇局地 壳应力研究所采用。水力劈裂试验是确定气垫式调压室位麓盼重要手段。 在总体躯地震评价确定了厂房的饶蟹后，沿进厂交通澜上游或撵洞选择恰 当的位置做水力劈裂试验，选撵满足3 3 式爨求的能量。 徽承力劈裂试验瓣，在强点漤誉弱熬蠢令方淘旗魏，以使键魏能与不霹 的裂隙相交，以保证工稷安全。 承力劈襞试骏虢霖壤释方法胃参凳蓍嚣岩石力学学会试验方法委燹会礁 1 4 嚣撬丈学程颈士学嵌沧文 定岩石威力建议方法中的方法2 采用水压致裂技术确定岩石威力的建议方法、 昝兆祺教授主编的挪威水电工程缀验介绍等参考书中的相关内容。 3 1 2 3 设王气垫武调压室的埋深紊件 调愿室上覆围岩厚度必须满足垂直向准则绒澳大利甄雪山准则或挪威准 剿，娃绦涯谖压室上凝寒俸有足够瓣厚度来抵抗淫压室巍的农或气莲力。 由于上覆岩石厚度的确定骧剿的发展过程为：垂壹肉准粼( 又称上抬獠受| j ， 1 9 6 4 年以前运用) _ 澳大利亚雪山准则( 1 9 6 4 罐提出) 一挪威准则( 1 9 7 1 年 提出) 。避过众多工程验证，澳大剩溉雪山准则和挪威准则与蜜际情况吻合樽更 妊鳖。我翟弱零王瓣溃浚诗鬟藏溅l 爹3 - 2 0 0 4 ) 孛 鏊攘荐采霞辩藏涮。 因此，本文中就以挪威准则来做说明。垂直囱准则和澳大利溉雪山准则可参见 水7 - 隧洞设计规范( d l t 5 1 9 3 - 2 0 0 4 ) 中的条文说明部分。 疆孓2 疆燕耋瓣囊董攀疲赞篝楚式零蠢攀 厂庸 e 燃* 描 洲) f y r c - a u 一。o s a 0 - 5 ) 1 1 - ，w 式巾；e 燃为瓣体簸巧、攫箍厚发( 不包括众风像、强风他簿厚旋) ，擎键炎热 h s 为调压璧内的滚大压力( 含水击压力) ，荦位为m ； 四川大学工程硕士学位论文 y 。为水的比重，单位为n m 3 ； 住为岩石的比重，单位为n m 3 ； a 为河谷岸边边坡倾角。单位为o ，a 6 0 。时取6 0 ： f 为经验系数，一般取1 3 0 一1 5 0 。 为了说明气垫式调压室( 其实，不仅鞭于气垫式调压室，不村砌的引水隧洞 也一样) 的埋深与内气( 水) 压力的比值同工程成败的关系，我从相关资料上进行 了收集，汇成于表3 1 。 囊孓l 舞纛8 麓戚瓣l o 令气羹式溪莲塞静壤瀑媾嚣曛赞囊 建筑 正常水绝对气 垂直覆 寒号墨程名髂头 压 盖的最 h 自地表 抗劈裂 年代 小殍瘦壬薹。 娃下楚安垒系 h o ( m )( m p a ) 域深n l 数 h ( m ) ld d v a1 9 7 3s 为4 4 。28 1 0l 毒2l l 秘4 。0 2j u l i d a1 9 7 41 8 00 6 - 2 43 4 01 8 93 4 0 2 6 3o k s l a1 9 4 6 53 t 3 4 4 4 00 9 5秘sl 。9 4s i m a1 9 8 05 5 83 4 - 4 84 2 50 7 64 2 52 2 5 o s a | 辩l2 拄5 l 。孓l + 91 4 3。7 0 1 4 22 。0 6k v i l l d a i1 9 8 l5 3 73 6 - 4 15 1 50 9 65 2 23 3 7 4 + t a o o 撼 l 拿眨8 9 7羲3 - 7 。74 4 0o 毒96 5 8l o 8 1 3 r a t t s e t1 9 8 22 7 42 3 - 2 51 5 0