野三河水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計與運行研究

保慶順，楊仕志，嚴(yán) 謹(jǐn)

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北武漢 430070）

野三河發(fā)電引水系統(tǒng)布置在右岸，由進水口、壓力引水隧洞、1、2號施工支洞（兼放空洞、進人檢修門洞）、穿橋（河）明鋼管段、調(diào)壓室、岔洞及支洞等六部分組成，引水線路全長8 403 m。水庫正常蓄水位664.00 m、發(fā)電死水位635.00 m、極限死水位630.00 m；發(fā)電引用流量24.24 m3／s，隧洞進口底板高程625.00 m、水輪機安裝高程384.50 m，隧洞靜水頭279.50 m。

1 氣墊式調(diào)壓室布置

前期階段選擇了常規(guī)阻抗式調(diào)壓井和氣墊式調(diào)壓室進行比較，因阻抗式調(diào)壓井施工工期長、施工難度大，最終選用了運行條件略麻煩、但布設(shè)位置靈活、施工簡單、技術(shù)可靠、造價低廉的氣墊式調(diào)壓室方案，布置詳見圖1。

氣墊式調(diào)壓室布置在引水隧洞尾部，其通過一連接洞與下平洞在8＋137.75樁號處結(jié)合，該結(jié)合點距廠房265 m；調(diào)壓室設(shè)計斷面為馬蹄形，開挖斷面凈高16 m、凈寬16 m、縱軸線長57 m，底板高程為392.88 m，高于發(fā)電洞洞頂2.05 m，適中可靠，底板和邊墻鋼筋混凝土襯砌厚1.5 m，頂拱部位鋼筋混凝土襯砌厚度為1.3 m。從施工簡單、結(jié)構(gòu)安全、閉氣效果等方面考慮，連接洞和調(diào)壓室平面呈“L”字形，連接洞長92 m，寬3.2 m、高3.2 m的圓拱直墻型斷面型式，襯砌厚度0.8 m或1.0 m，與調(diào)壓室連接段底板高程為392.88 m（與調(diào)壓室底板同高），其后以1∶15的坡度與發(fā)電隧洞相接于387.625 m高程；并布置連接洞以40°交角逆流向從左側(cè)與發(fā)電引水隧洞岔接。

為解決調(diào)壓室的充、排氣及施工問題，在調(diào)壓室縱軸線下游端設(shè)置了充、排氣洞（兼施工支洞），該洞長107.83 m，并在該處設(shè)置充氣用空壓機室。充、排氣洞為寬4.1 m、高4.7 m的圓拱直墻型斷面，洞頂與調(diào)壓室頂部高程同高為407.88 m，底板高程為403.18 m，與調(diào)壓室相接的30 m為封堵段，封堵段后底板采用1／500的底坡使底板由403.18 m抬至403.30 m高程。封堵段每個斷面布設(shè)8個固結(jié)灌漿孔，孔深5 m、排距2.5 m。封堵段混凝土內(nèi)埋設(shè)充、排氣管及相關(guān)監(jiān)測設(shè)施［1］。

為增加調(diào)壓室的閉氣效果，采用混凝土內(nèi)夾鋼板的措施，鋼板厚度為12 mm，鋼板布置在鋼筋混凝土襯砌距迎水面0.5～0.6 m處，底板和邊墻距底板2.0 m高度范圍內(nèi)不設(shè)鋼板。同時調(diào)壓室每個斷面布設(shè)18個深10 m、排距2.5 m、灌漿壓力為4.5～5 MPa的高壓固結(jié)灌漿孔，為無蓋重高壓灌漿；同時在頂拱100°范圍內(nèi)作回填灌漿，回填灌漿管沿隧洞環(huán)向布置，向下引至底板進行灌漿。

調(diào)壓室橫剖面圖如圖2。

2 氣墊式調(diào)壓室防漏氣襯砌方式選擇

保證氣墊式調(diào)壓室不漏氣或少漏氣是十分重要的，如果漏氣，運行過程中還要不斷地對氣室進行補氣，既麻煩又增加高昂的運行成本，在很大程度上失去了氣墊式調(diào)壓室的優(yōu)點和意義。

針對調(diào)壓室的襯護類措施，初設(shè)階段研究過三個方案：①內(nèi)襯鋼板的纖維混凝土襯砌方案；②內(nèi)夾鋼板的鋼筋混凝土（摻纖維）襯砌方案；③內(nèi)表面刷防滲涂料的鋼筋混凝土（摻纖維）襯砌方案［2］。為防止調(diào)壓室內(nèi)放空檢修等工況時，外壓過高而引起襯砌失穩(wěn)，需適當(dāng)降低調(diào)壓室周圍的地下水位，設(shè)計在調(diào)壓室周圍布置排水減壓幕。經(jīng)綜合比較，從混凝土內(nèi)表層也可布置鋼筋、底板便于澆筑，可用50 cm厚的鋼筋混凝土作為鋼板的銹蝕保護層，也有利于鋼板的穩(wěn)定等方面考慮，推薦采用內(nèi)夾鋼板的鋼筋混凝土襯砌方案。最終選取50 cm厚C30纖維微膨脹鋼筋混凝土＋12 mm厚鋼板＋100 cm厚C30微膨脹鋼筋混凝土襯砌方案。

3 調(diào)壓室襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定措施

有鋼板襯護方案內(nèi)壓失穩(wěn)并不是控制工況，內(nèi)壓工作時，內(nèi)壓荷載主要由圍巖承擔(dān)，襯砌結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)少部分。失穩(wěn)的主要危險，在于外壓，而關(guān)鍵又在于外壓時襯砌結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定［1］。

經(jīng)分析研究選擇排水洞、排水孔法來求穩(wěn)。即在調(diào)壓室頂上方和室周邊布設(shè)常規(guī)的排水洞，從這些排水洞在室頂和周邊鉆設(shè)排水孔［2］。運行中，平時就大大降低了圍巖山體的地下水位，大大降低了外水壓力。當(dāng)內(nèi)壓大時，有圍巖抵抗，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不足考慮。內(nèi)壓降低、甚至放空時，外壓早已是大大降低了的，不至影響襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。因此設(shè)計最終選用排水洞、排水孔法以求襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這種排水，也有利于廠房主洞室的安全穩(wěn)定。

4 調(diào)壓室的水力計算

將引水隧洞、調(diào)壓室和機組（包括尾水洞）作為一整個系統(tǒng)進行了過渡過程數(shù)值分析計算。

4.1 托馬穩(wěn)定斷面計算

氣墊式調(diào)壓室斷面積的確定方法與開敞式調(diào)壓室類似，即托馬（Thoma）臨界穩(wěn)定斷面積乘以氣墊式調(diào)壓室綜合系數(shù)再乘以放大系數(shù)K，見下式［3］：式中：n為氣體的多變指數(shù)（又稱氣體壓縮指數(shù)，Polytropic Index）。當(dāng)氣墊式調(diào)壓室從一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)所需時間較長，如數(shù)十分鐘以上，調(diào)壓室內(nèi)的氣體在該過程中溫度幾乎不變，則近似視為恒溫過程，取n＝1.0。若研究過渡過程中出現(xiàn)的極值，如機組甩負荷到調(diào)壓室出現(xiàn)最大壓力，或機組增加負荷到調(diào)壓室出現(xiàn)最低壓力，所需時間很短，一般在1 min左右。在該過程中，氣體與室壁間、氣體與水體間還沒來得及進行熱傳導(dǎo)或還來不及進行充分的熱傳導(dǎo)，因此可近似視為絕熱過程，則n＝1.4［4］。p0為氣室內(nèi)的初始氣壓，以水頭（m）表示。l0為氣室初始有效高度，m。

計算得出總水頭損失為16.364 m。

經(jīng)多方案多工況計算，確定穩(wěn)定斷面為500 m2，擬設(shè)計為廊道形，斷面為馬蹄形，斷面凈高13.7 m、凈寬13 m、縱軸線長54.5 m，底板高程為392.88 m，高于發(fā)電洞洞頂2.0 m以上。

4.2 氣室控制常數(shù)設(shè)計值CT0的選擇計算

氣室控制常數(shù)設(shè)計值CT0（PL值）選擇計算。氣室控制常數(shù)設(shè)計值CT0是帶有氣墊式調(diào)壓室水電站中過渡過程非常重要的參數(shù)。當(dāng)氣室控制常數(shù)設(shè)計值取得較大時，氣墊式調(diào)壓室內(nèi)的最大氣壓、最高水位和蝸殼最大動水壓力較低，對水電站過渡過程是有利的。但此時氣墊式調(diào)壓室內(nèi)的最低水位也較低，因此CT0的取值將受到氣墊式調(diào)壓室內(nèi)設(shè)計安全水深的限制［3］。經(jīng)計算優(yōu)化后，當(dāng)CT0＝1 524.814 m2時，調(diào)保參數(shù)及調(diào)壓室涌浪較優(yōu)，在CT0值為1 422.62～1 702.14 m2時均能滿足設(shè)計要求。為滿足調(diào)壓室涌浪要求，在運行期當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)CT0值由于漏氣減小至1 422.62 m2時，需啟動空壓機補氣至設(shè)計值；當(dāng)調(diào)壓室內(nèi)CT0值由于上升至1 702.14 m2時，需開啟排氣閥降壓至設(shè)計值。

4.3 室內(nèi)最高、最低涌浪水位計算

本工程設(shè)計階段進行了大量工況下大波動過渡過程計算，獲得了眾多的計算成果。其中，室內(nèi)最高涌浪水位402.06 m，低于室頂4.52 m，最低涌浪水位398.06 m，高于室底板5.18 m，即大于2.0 m，完全滿足設(shè)計要求；室內(nèi)最大和最小氣壓則分別為3.202 0 MPa和2.110 7 MPa。

4.4 小波動過渡過程的計算

本階段進行了14個工況下小波動過渡過程計算，得到了眾多成果，整定出合理調(diào)速器參數(shù)。計算成果表明，小波動調(diào)節(jié)品質(zhì)良好，室內(nèi)水位波動幅度不大。

4.5 水力干擾過渡過程的計算

本階段還進行了多工況下水力干擾過渡過程的計算，獲得了眾多的成果、認識和結(jié)論。其中，計算成果表明水力干擾對運行機組穩(wěn)定性的影響程度較多地嚴(yán)重于小波動的影響，但波動總趨勢是收斂的，且調(diào)節(jié)時間相對較短，機組穩(wěn)定性總體較好［5］；增負荷引起的水力干擾微于甩負荷引起的水力干擾，其直接原因就是室內(nèi)水位波動振幅較小些［6］。

5 調(diào)壓室運行期補氣情況

自2012年10月投入商業(yè)運行以來，調(diào)壓室運行總體情況較好，漏氣量在可接受的控制范圍內(nèi)。在近10年的運行過程中，在調(diào)壓室內(nèi)漏氣后已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的補氣模式。在機組正常運行期間，2臺空壓機（75 kW，5 m3／min）補氣36 h，可達到設(shè)計值，隨之停機36 h后再次啟動，反復(fù)運行。補氣時間達到40～50 h，比運行期時間稍長。目前未出現(xiàn)過補氣過量而導(dǎo)致開啟排氣閥的情況。

6 結(jié) 語

經(jīng)設(shè)計充分論證，在采用常規(guī)調(diào)壓室難度較大時采用氣墊式調(diào)壓室是合適的；經(jīng)多年實際運行實踐證明，運行期補氣不多，證明采用的防漏氣措施是合理的，可供類似工程參考借鑒。