影响气垫式控压室位置选择的几个控制条件

挪威已建的10座气垫式调压室设计一般遵循不衬砌隧洞的有关设计准则，中国已建的自一里水电站、小天都水电站及在建的木座水电站3座气垫式调压室，对其布置设计是仁者见仁、智者见智。事实上，合理进行气垫式调压室的布置设计，对保证气室及水幕的安全、可靠及经济运行具有十分重要的意义。文章通过挪威9个工程及中国3个工程共12座气垫式调压室布置设计的资料，论述并总结了影响气垫式调压室位置选择的控制条件、气垫式调压室与水道立面布置的关系、交通检修洞、空压机室等附属洞室的布置、气室形状及水幕布置设计等方面内容，希望能够和该方面的专家们一起探讨。

1影响气垫式调压室位置选择的几个控制条件1. 1地应力条件地应力条件是气垫式调压室位置比选时必须满足的必要条件，一般称之为*小主应力准则，即*小主地应力应大于气垫式调压室的*大内水压力和*大气体压力，更确切的说，应是岩石中节理内的法向压力大于调压室内*大气压和水压力。

问题的关键在于*大内水压力或*大气体压力的代表值是按动水压力或动态下的*大气压考虑，还是采用静态工况下的对应值。有的认为*小主应力应按大于*大动水压力或动态气体压力考虑，并留有1. 4～1. 6倍的安全系数。通过研究挪威数个工程的资料后认为，上述的设计观点是不合适的，甚至是不正确的。这样做的结果，过于严格地限制了调压室位置的可选范围，同时有可能使位置选择在距离不利构造附近的地方，对调压室的安全运行带来不利影响，如木座气垫式调压室的专题设计。

挪威经验准则是*小主应力应大于正常运行条件下的*大静内水压力或相应的*大气体压力，同时考虑不小于1. 2的安全系数。其理由是气垫式调压室的调保计算成果应保证*大动水压力或相应气体压力不超过正常运行情况下的15%～20%.根据中国的实际情况，*小主应力准则可明确为*小主地应力不小于*大动水压力或相应气体压力，但*大动水压力的取值应考虑到水力学计算和实际运行之间的可能误差。因为动水压力情况的持续时间短暂，即使*小主地应力瞬间小于*大动态气压或水幕压力亦不会出现气压或水力劈裂，水幕的*大压力按气室*大动态气压设计应是合适的。

对地应力的测试应以水力致裂法为准，它比解除应力法等更接近压力隧洞的实际工作情况，以及更具有大比尺岩体试验的有效性。对地应力的取值应有一个整体范围的概念，而不应局限在气垫式调压室所处的局部位置。在局部地应力条件不能满足地应力准则时，通过实测值对地应力场进行三维有限元回归分析，合理确定*小主应力值。

托帕电站调压室内的*大静态空气压力为4. 4 M Pa，水幕设计的压力为4. 9M Pa，较调压室空气压力有0. 5M Pa的超压。工程总计进行了5组35个水力劈裂试验，在靠近厂房及与之相连的隧洞系统处进行了A和B组测试，这2组测得的承压水压力为5. 2～11. 9M Pa.在气垫调压室上游洞中进行的C组试验，其测定结果用来作为气垫式和水幕设计的依据，这组试验的承压水压力为4. 3～7. 3M Pa，*低压力值为4. 3M Pa，小于*大静态空气压力。在调压室隧洞中进行了D组试验。虽然在很长的试孔中一些测试失败，但可信的测试所得承压水压力为4. 5～5. 0M Pa.

由于测试所得的局部*小承压水压力（*小地应力）不能满足大于1. 2倍*大静态空气压力为414 M Pa的要求，考虑到地应力应在一定的范围内整体起作用，故综合各测点成果，*小主应力值按517 M Pa考虑，并作为调压室和水幕的设计依据。

1. 2地质构造条件调压室位置的选择应十分重视不利地质构造的影响。一般要求选择岩石强度高（坚硬岩）、岩体较完整、洞室稳定性好的位置布置气垫式调压室，避开较大的不利地质构造和岩溶发育地区。为使岩体具有较好的抗渗性，围岩应选择、类围岩为主，尽量避开裂隙发育的地区。调压室本身部位及其周围小范围内的岩体质量并不必有过高的要求，但其外围应至少有50～100 m左右完整区域岩体，以封闭漏气和漏水。特别是在50 m以内范围内，不宜有较大的断层、节理破碎带等不利构造，当这些构造垂直隧洞走向，且倾角较陡时，条件更为不利。它不仅会形成漏水、漏气通道，甚至会因渗水后，结构面的有效应力降低，而造成水力劈裂破坏。

1. 3岩体抗渗透条件及地下水位条件（1）岩体的抗渗性岩体渗透性是确定洞壁岩体漏水、漏气量的重要指标，特别是当漏气量较大时，将直接增加运行费用，甚至影响气垫式调压室的正常运行，而不得不重新进行防渗加固处理或增加水幕措施。应尽可能选择透水性微弱的岩体进行气垫式调压室布置，中国几个气垫式调压室的设计，对洞壁岩体透水率要求小于1. 0 L u的要求，和挪威已建成的工程相比，标准偏低，值得进一步探讨洞壁透水率的标准。

可以看出，大多数气垫式调压室围岩的透水率均远低于1 L u.Kvilldal、Tafjord两工程透水率较大，运行中漏气较严重，补漏处理方案中采取了增设水幕的措施，O sa气垫式调压室透水率近1 L u，运行过程中发生了相对空压机容量而言不可接收的漏气量，不得不在电站运行8个月后停机检修，Torpa渗透系数较大，地下水位较低，第1次在设计中主动考虑设置了水幕。

Kvilldal水电厂调压室的围岩孔隙水压力与空气压力比为0. 6， 1981年开始运行，气垫压力4M Pa，运行后气体渗漏量达240 N. m 3 h，产生了不允许的空气漏失， 1983年设置一道水幕并投入运行后，漏气现象完全消除。

Tafjord电站围岩孔隙水压力与空气压力比也仅为0. 48～0. 56， 1982年开始运行，调压室气垫压力在6. 5～7. 77M Pa之间，运行当年即发现调压室漏气，漏气量150 N. m 3 h.尽管比Kvilldal电站小，但电站的空压设备有限，难以让调压室有效地工作，所以在1982～1990年间，该电站调压室完全充水，形同虚设。开始曾进行了灌浆修补工作，但未能凑效，后不得不加设水幕。

O sa电站气垫式调压室，尽管在施工中进行了有效的水泥灌浆和化学灌浆，同时在洞顶采用喷锚支护，但运行后不久发生约900 N. m 3 h的漏气，这与可供使用的空压机容量2 320 N. m 3 h相比是不可接收的，因而在电站运行8个月后不得不停机检修，漏气处理用了3个月时间。工程包括6 800 m钻孔，灌入水泥36 t，化学灌浆5 500 L ，灌浆集中在渗漏严重部位。补漏处理后，漏气量稳定在80 N. m 3 h，尽管这仍是所有运行的气垫式调压室中的*高值，但空压机可充分适应气垫运行的需求。

相对而言，尽管中国几座电站的气垫式调压室位于花岗岩等岩石强度较高的岩体内，但由于裂隙及砂岩俘虏体等不良地质现象发育，岩体透水性均远高于挪威有关工程，尽管大部分岩体的透水率小于1L u，达到了一般防水帷幕的标准，但由于岩体的透气性可能会达到透水性的100倍，对气垫式围岩的灌浆仍是必要的，灌浆的标准也应相应提高，笔者认为至少不应大于0. 1 L u.

（2）地下水位气垫式调压室位置的选择应考虑到周围山体的地下水位情况。天然地下水压力若高于气垫压力，在运行过程中，朝向气垫的地下水压力梯度是正的，就可以减少甚至避免漏气，从而可以减少气垫式的防渗处理工程量及空压机的补气运行费用。

如果拟建气垫式调压室位置的天然地下水位高度，低于*高气体压力水头，或者天然地下水情况说不清楚，在岩体透水性又较大时，采取工程措施对控制气垫式内气体的渗漏是十分必要的。一方面，可以采用固壁灌浆措施，使围岩的透水率降到0. 1 L u以下甚至更低，这样的处理方案费用可能较大，只要施工质量有一点疏漏，就可能前功尽弃；另一方面，是需要设置水幕，人为地产生必要的水压力，以解决漏气问题。

（3）岩体间水力梯度要求气垫式调压室周围因施工通道和其他洞室的布置，总会存在一定的临空面。临空面的存在，缩短了高压水流及气体的渗透通道长度，加大了岩体间的水力梯度或气压梯度，这对控制漏气量是十分不利的，甚至会发生水力劈裂及气压劈裂破坏，应尽可能加大渗径长度。根据自一里气垫调压室补漏加固并结合中国高压隧洞设计经验，水力梯度宜根据围岩的完整性和透水性情况取为3～5左右。达不到要求时，应采用钢筋混凝土衬砌加固结灌浆的措施延长渗径。

1. 4调节保证要求气垫式调压室距厂房的*短水平距离应不小于高压不衬砌隧洞对钢衬段长度的要求，这不仅取决于地质条件，而且取决于水头、厂房规模和方位，按挪威经验，一般取静水头12%～20%.在已建、在建工程中， Tafjord电站气垫式调压室距离厂房*近，距水轮机的距离仅为150 m ，其他大部分为350～680 m ，有3个工程超过1 000 m ，已建的*大值为1 300 m.

气垫式调压室应尽可能的距离水轮机近一些，以提高调保效果，但*小距离应考虑到厂房的布置和失事后对厂房安全的影响，并保证抗渗安全的要求。*大极限的距离应根据调保计算来确定。

2气垫式调压室位置与水道立面布置的关系在采用气垫式调压室方案时，引水隧洞一般采用缓坡布置（俗称一坡到底）较为合理经济。这种布置方案，省掉了常规调压室方案下游引水道上很长的高压竖井或斜井，使隧洞埋深增加，更有利于采用不衬砌隧洞，减少隧洞衬砌工程量；同时调压室可以尽量靠近厂房布置，对水击波的反射有利，可减少水击压力、增加机组的稳定性，对电站运行有利；另一方面，隧洞纵坡基本可和沿河公路一致，大大缩短了常规调压室方案因施工调压室和低压段隧洞所需的上山公路，极大程度减轻甚至避免了对环境破坏的不利影响，使一些制约水电工程建设的敏感问题得到了解决。

但受设计经验和建设技术的限制，以及考虑到围岩质量、地应力条件、施工交通条件等方面的要求，也不乏采用缓坡段隧洞及其后接压力斜井或竖井的布置方式，特别是在一个国家早期建设的高水头电站时。

自一里水电站为四川涪江支流火溪河的第2个梯级电站，位于水牛家水电站下游，约10 km引水隧洞和地下厂房位于火溪河右岸。电站装机2台，总装机容量130MW.电站*大水头474. 14m ，*小水头439. 95 m ，*大发电引用流量33. 16 m 3 s.

自一里气垫式调压室为中国第1个研究应用的气垫式调压室，考虑到引水隧洞若采用“一坡到底”的布置方式，隧洞80%左右为高压洞段，相应的气垫式调压室*大气压将超过500 m ，另外，长高压隧洞沿线地质情况不明朗，施工和将来电站运行中不可预见的因素较多，且工程工期紧张，各施工支洞不宜做大的调整。因此从稳妥的角度出发，自一里气垫式调压室方案的引水隧洞未采用“一坡到底”的布置方式，而是采用在气垫式调压室前采用竖井集中压低洞线，在上平段和下平段之间的中平段上设置气垫式调压室。引水隧洞低压段总长约8 600 m ，总高差约40 m ，隧洞平均纵坡约0. 45% ，调压室前的一级竖井高度约260 m ，下游二级竖井的高差约150 m ，下平段静水头约484 m ，气垫式调压室和引水隧洞中平段连接处的静水头约337 m.

Sim a水电站气垫式调压室设计于1973年，电站*大毛水头1 152 m ，考虑到当时气垫式调压室的设计经验，引水隧洞没有采用平均坡度1∶9的一坡到底，气室处水头达780m的布置方案。实际采用的方案为1∶14的缓坡引水隧洞加近600 m水头的高压斜井布置方案，气垫式调压室布置在缓坡引水隧洞的左侧上方，气垫室处水头约490 m ，距离水轮机距离约1 300 m.Kvilldal水电站第1台机组1981年12月投入运行，也是采用了气垫式调压室设置于缓坡隧洞段，其后接4条高差约90 m的压力斜井布置方案。

U lset水电站1985年2月投入运行，气垫式调压室设置在5‰的缓坡段上，调压室后262m处接高差70 m的压力斜井。其他设置气垫式调压室的电站，引水隧洞均采用缓坡布置方案，典型的布置有Jukla、O ksla、O sa、Torpa、小天都、木座等水电站。小天都水电站位于四川康定县境内的瓦斯河上，其上游为木格措风景区， 318国道沿河通过，引水发电系统均位于瓦斯河右岸，地下厂房内装机3台，总装机容量240MW ，电站设计毛水头392. 5 m ，电站*大发电引用流量77. 7 m 3 s.

引水隧洞采用平均纵坡为5. 6%的“一坡到底”布置型式，并在水轮机上游490 m左右处设连接管和气垫式调压室相联。引水隧洞总长约6 182m ， 100～450 m水头的洞段约占5 000 m ，压力隧洞水平埋深一般500～800 m ，垂直埋深一般300～750 m ，满足挪威准则对不衬砌隧洞要求的覆盖厚度，绝大部分洞段采用不衬砌结构或喷锚结构。

调压室气垫式围岩为斜长花岗岩、花岗闪长岩，以类围岩为主，其水平埋深450～500 m ，垂直埋深435～500 m ，水力致裂法实测岩体*小主地应力7. 88～10. 12M Pa，大于调压室内*大气压。

调压室选择避开了2个裂隙和挤压破碎带发育的斜长花岗岩与闪长岩接触带，距离接触带的*近距离约200 m.气垫式调压室位于引水隧洞右侧，设计尺寸为156 m×9. 6 m×15. 5 m （长×宽×高） ，气室内水垫深3 m ，气室与引水隧洞采用竖井连接，气室顶部设置有宽8 m的城门洞型水幕室，底板高出气室顶拱15 m ，水幕压力4. 25M Pa，水幕孔深35～60 m.

气垫式调压室的设计气体压力3. 75M Pa，*大气压4. 35M Pa，*小气压3. 35M Pa，设计气体体积18 048 m 3。木座水电站为四川涪江支流火溪河的第3个梯级电站，位于自一里水电站下游，约12 km的引水隧洞和地下厂房位于火溪河左岸。电站装机2台，总装机容量100MW.电站*大水头289. 01m ，*小水头261. 75 m ，额定水头262. 7 m ，*大发电引用流量43. 02 m 3 s.

其引水隧洞采用纵坡为1. 5%～5. 5%的“缓坡到底”布置型式，气垫式调压室距离水轮机约300 m左右，围岩为凝灰质黑云母变粒岩，饱和抗压强度大于100M Pa.设计初拟气垫式调压室位置的设计气压为2190 M Pa，*大气体压力3. 63M Pa，水力致裂法实测岩体*小主应力б3 = 5. 37M Pa，气垫式调压室围岩以类为主，其*小埋深约250 m ，满足挪威准则要求。由于初拟的气垫式调压室位置紧挨着上游的挤压破碎带J1，专题审查要求根据施工开挖后揭露的地质条件，对调压室的位置和轴线进行必要调整。

3气垫式调压室交通检修洞、空压机室等附属洞室的布置气垫式调压室位置确定之后，调压室施工交通洞、检修洞、空压机室、堵头位置的布置合理与否，水幕室的布置合理与否，关系到气垫式调压室的成败，中国刚开始修建气垫式调压室时，对此方面认识不足，这已被后来的运行实践所证明。尽管挪威专家没有关于附属洞室及水幕室布置设计方面的理论和经验介绍，他们给自一里咨询时，也未重视这方面的问题，这可能与受邀专家不一定是亲身参与挪威气垫式调压室设计或者说是对布置设计没有深刻研究的专家有关。挪威的气垫式调压室布置设计遵循了正确的理念，尽管这些理念没有被总结出来，但它贯穿于挪威已建的8个气垫式调压室中。

O ksla水电站，气垫式调压室*大静水气垫压力为4. 4M Pa，气室布置在引水隧洞右侧，交通洞和空压机室布置在隧洞的左侧，交通洞和引水隧洞连接处采用带伸缩节的敞式钢管封堵，仅有的附属洞室交通洞，其临空面距离气室的*小距离大于100 m.

B rattset水电站，气垫式调压室*大静水气垫压力为2. 5M Pa，气室布置在引水隧洞左侧，交通洞和空压机室布置在隧洞的右侧，交通洞和引水隧洞连接处采用装门的混凝土塞封堵，仅有的附属洞室交通洞，其临空面距离气室的*小距离大于150 m.

U lset气垫式调压室*大气垫压力2. 8M Pa，其施工交通洞、检修洞、观测洞均采用距气室下游260 m远的A号横洞，运行期用钢闸门封闭。Kvilldal水电站，气垫式调压室*大气垫压力4. 1M Pa，后期补做的水幕*大设计压力5. 1M Pa，气室布置于引水隧洞左侧，周围300余m范围内没有其他附属洞室及临空面，施工期运输交通洞进口和空压机室位于*后一个压力岔管的下游侧。

Torpa水电站，气垫式调压室*大气垫压力414 M Pa，水幕*大设计压力4. 9M Pa，气室布置于引水隧洞左侧，周围200 m左右范围内没有其他附属洞室及临空面，**的一个附属洞室施工期运输交通洞位于隧洞的左侧，空压机室布置于堵头外的交通洞内。

总结挪威气垫式调压室的布置经验，主要有以下3点：一是附属洞室尽量的少，且洞室的临空面距离气室尽量的远；二是气室和交通洞、空压机室等洞室尽量分开布置于隧洞的两侧；三是气室至临空面的水力梯度或气压梯度一般在1～5之间。水力梯度取决于岩体的完整性和透水性，附属洞室的布置应能尽量降低岩体间的水力梯度，以减少漏气和漏水量；附属洞室和气室分开布置于引水隧洞两侧，则由于隧洞本身高压水的阻隔，抬高了气室周围的地下水位，阻挡了气室内气体向临空面的渗漏。

比较中国自一里和小天都的气垫式调压室设计，自一里气垫式调压室周围有隧洞交通支洞、水幕室交通洞、气垫式交通洞、地勘探洞等多个临空面，且均位于隧洞的左侧，水幕孔的*短渗径仅约30 m ，气室的*短渗径仅40多m ，相对于其3. 23 M Pa设计气体压力和3. 73M Pa水幕的设计压力，水力梯度显然难以满足要求，在初期运行时，出现大量漏水、漏气现象是必然的。在补强方案的咨询时，提出了加大几个交通通道的混凝土衬砌和固结灌浆范围，并加深高压固结灌浆深度至8～10 m ，衬砌范围按实际渗径不小于100 m控制，以尽量使水幕孔周边区域，在稳定渗流期，维持较高的地下水位的建议。

小天都工程的附属洞室布置，存在和自一里相类似的问题，具体的布置设计尚需要等待实际运行的考验。

4气室形状与水幕布置设计气室的形状有条形和回型、V型等布置型式，这主要取决于气垫洞室的规模和地质条件，以有利于减少渗漏和洞室稳定为原则。条形气垫式的轴线一般和隧洞成斜交。除Kvilldal和Torpa气垫式调压室外，国内外的气垫式调压室多采用条形布置。水幕的布置设计， Kvilldal、Tafjord是后期改建的，无专门的水幕室，通过钢管将高压水注入到气室的周边岩体内形成水幕， Torpa气垫式调压室是**个设计中就考虑采用水幕的工程，水幕室设计在回型气室中间的上部，为一直径5～6 m的穹顶桶状体，水幕廊道底板高出气垫顶部10 m ，水幕室和气室之间用混凝土塞封堵，水幕的范围覆盖了整个调压室顶部以及边墙。

中国有关工程的水幕室布置设计和Torpa完全不同，采用和气垫式平行的水幕廊道，其体积空间较大，水幕室充水时，在气垫式和水幕室压力差较大时，两者之间的岩体容易被击穿，其结构上存在不利的一面，值得今后进一步研究改进， Torpa的水幕室布置是值得借鉴的主要型式。

5几点体会（1）气垫式调压室位置选择及附属洞室、水幕室等的布置设计，是关系气垫式调压室成功与否的关键。

（2）*小主地应力应按大于*大动水压力或动态气体压力，并留有1. 4～1. 6倍的安全系数过于保守，*小主应力应大于*大动水压力或不小于1. 2的*大静水压力。

（3）气室外围应至少有50～100 m厚度的完整岩体，特别是在50 m以内范围内，不宜有较大的断层、节理破碎带等不利构造，以封闭漏气和漏水。

（4）提高气垫式调压室围岩的防渗标准，灌浆后的围岩透水率应至少不大于0. 1 L u.

（5）采用气垫式调压室方案的引水隧洞，应尽量采用“缓坡到底”的布置型式。

（6）应尽量减少附属洞室的数量，且洞室的临空面距离气垫式应尽量的远，气垫式至临空面的水力梯度或气压梯度宜小于5，*好小于3；气垫式调压室和交通洞、空压机室等洞室尽量分开布置于隧洞的两侧。

（7）应尽量减少水幕室的空间体积，避免水幕室和气垫式之间岩体结构发生不利后果。