（水力学及河流动力学专业论文）气垫式调压室过渡过程的计算研究.pdf

摘要 气垫式调压室过渡过程的 计算研究 学科名称：水力学及河流动力学 作者姓名：张晓宏 导师姓名：李建中教授 朱满林教授 ( 签名 ( 签名 ( 签名 摘要 气垫式调压室又称气压式调压室，世界上第一座气垫式调压室是在挪威的d r i v a 水电站建成于 1 9 7 3 年，在我国。真正意义上的气垫式调压室应用和研究工作起始于上世纪末，本世纪初。鉴于气垫 式调压室在我国的应用才刚刚开始，所需研究的问题较多，难以一涉及，本文仅就气垫式调压室的 过渡过程计算所涉及的几个闯题进行了研究。 ( 1 ) 气垫式调压室的水位涌浪计算 常规调压室的水力计算要计算室内最大，最小压力，即最高涌浪和最低涌浪，并在计算结果上加 一安全余度来确定调压室的尺寸气垫式调压室也是按同样的原则确定其尺寸的，在恒定流时，气体 体积和压力之间的变化规律符合波义耳气体定律，但是在引水系统过渡过程中，调压室内发生大波动 耐，气垫式调压室内气体动态特性具有一定的复杂性，所以在进行气垫式调压室的波动计算时，首先 必须尽可能遵循压力和体积实际的变化规律，建立正确的数学模型，其次，还要确定初始气室高度、 初始气室压力舶正确取值夙而得到气垫式调压室女g 水位源湟触计算办法 ( 2 ) 气垫式调压室引水系统的水锤计算 水锤计算采用特征线法除了应用连续方程和动力方程外，饕充分考虑到气垫式调压室的工作特 点，正确处理电站引水系统中可能出现的各种边界条件，重点建立了气垫式调压室的边界条件方程， 水轮机边界考廖了机纽转速变化对水锤压力升高的影响。 ( 3 ) 气垫式调压室波动稳定断面的确定 稳定断面研究是气垫式调压室研究中最主要内容之一。由于满足气垫式调压室水位波动稳定所需 的控制断面很大，往往为常规调压室的数倍甚至数十倍。不仅不经济，而且不利于结构稳定。本文提 出的气垫式调压室稳定断面计算公式，对合理减少稳定断面、节约工程投资尤为重要。 i 西安理工大学博士学位论文 ( 4 ) 气垫式调压室算例 对一个真实电蛄先进行设置常规调压室的过渡过程计算，再设计选用气垫式调压室，全面重点的 进行了气垫式调压室过渡过程的计算分析，通过比较进一步说明气垫式调压室存在的优缺点，提出研 究气垫式调压室过渡过程进一步应深入的工作。 上述几方面内容的创新点就在于。实现了对气垫式调压室过渡过程的全面系统的研究，较好地 解决了设有气垫式调压室的引水系统非恒定流计算过程中一直处于讨论、研究阶段的热点问题，为准 确计算、合理设计气垫式调压室提供了理论依据，对加速推广气垫式调压室在我国的应用有很大帮助 关键词：常规调压室气垫调压室水锤过渡过程 c a l c u l a b l er e s e a r c ho nf l u 】口dt r a n s 皿n t so f a i rc u s m o ns u r g ec h a m 皿e r s p e c i a l t y ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a m i c s d o c t o rc a n d i d a t e ：z h a n gx i a oh o n g s u p e r v i s o r ：l ij i a nz h o n g z h u m a n l i n a b s t r a c t a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rc a na l s ob en a m e dp n e u m a t i cs u r g ec h a m b e r t h ef i r s ta i rc u s h i o ns 嶂 c h a m b e ri nl h ew o r l dw a sb u i l ti nd r i v aw a t e rp o w e rp l a n ti nn o r w a yi n1 9 7 3 ，i no u r c o u n u y ，t h ep r o p e r a p p h c a t i o na n dr e s e a r c ho nt h es u b j e c to f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rs t a r t e da lf i l ee n do f l a s tc e n t m yo rt h e b e g i n n i n go ft h i sc o u n t r y i nv i e wo ft h ea p p l i c a t i o no fa i rc u s h i o n $ u r g ec h a m b e rb e i n gi nc r a d l ei no u r c o u n t r y , m a n yq u e s t i o n sn e e dt ob er e s e a r c h e d i ti si m p o s s i b l et oi n v o l v ea l lt h ep r o b l e m s t h ep u r p o s eo f 出i sp a p e ri so n l yt od i s c u s s s e v e r a lq u e s t i o n si n v o l v e di nt h ec a l c u l a t i o no nf l u i dt r a n s i e n t so fa i rc u s h i o n s u r g ec h a m b e r ( 1 ) c a l c u l a t i o no nw a t e rl e v e ls u r g eo f a j rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r h y d r a u l i cc a l c u l a t i o no f c o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r n e l l 8t oc a l c u l a t et h em a x i m u ma n dm i n i m u m p r e s s t n eo f t h ec h a m b e r , n a m e l yt h eh i g h e s tu p s u r g ea n dl o w e s ts u r g e 。a n da d d ss a f e t yc o e f f i c i e n tt ot h e r e s u l to f t h eh i g h e s tm a dl o w e s ts u r g et od e t e r m i n e 甘地s i z eo f s u r g ec h a m b e r t h ec o m p u t i n gm e t h o do f t h e s i z eo f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri st h e & l m l e 嬲c o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r t oc o n s t tf l o w , f i l ev a r y i n g r u l eb e t w e e ng a s e o u sv o l u m ea n dp r o s s t l l _ em e e t sb o y l eg a sl a w b u t , i nt r a n s i e n tp r o c e s so f w a t e rd i v e r s i o n s y s t e m , k i n e t i cd 瑚峨扯舡响s a co f t h eg a si na i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r h a sc e r t a i nc o m p l e x i t yw h e nt h e r ei s g r e a tf l u c t u a t i o ni ns u r g ec h a m b e r t h e r e f o r e w h e nc o m p u t i n gs u r g eo f a j rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , f i r s t l y , i t i sn e c e s s a r yt h a tg a s e o u sv o l u m ea n dp r e s s m em e e ta c t u a l r u l ea n di m p o r t a n tt oe s t a b l i s hc o r r e c tm a t h e m a t i c m o d e l s e c o n d l y , i n i t i a lh e i g h t 锄dp r e s s u r eo f t h ec h a m b e r s h o u l db ec 讲l 靠彻c dc o n e c t l y t h e nt h e c o m p u t i n g m e t h o do f w a t e rl e v e ls u r g eo f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri sa c q u i r e d ( 2 ) w a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o no f w a t e rd i v e r s i o ns y s t e mo f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r w a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o na d o p t sm e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c s b e s i d e sa p p l y i n ge q u a t i o no f c o n t i n u i t ya n d m o m e n t u me q u a t i o n , i ti sg r e a t l yi m p o r t a n tt os u f f i c i e n t l yc o n s i d e rt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a i r c u s h i o ns u r g ec h a m b e ra n dc o r r e c t l yd e a lw i t ha n yi m p o s s i b l eb o u n d a r yc o n d i t i o n so f w a t e rd i v e r s i o ns y s t e m o f h y d r o p o w e rs 喇0 l lt h ea 蚴l l t i o no f t h i sp a p e ri st oe s t a b l i s hb o u n d a r y c o n d i t i o ne q u a t i o no f a i r c u s h i o n 西安理工大学博士学位论文 s u r g ec h a m b e ra n dc o n s i d e rt h ee f f e c t so f v a t t i n go f s p e e do f r o t a t i o no f t h es e t so l lh e i g h t e n i n go f w a t e r h a r o i i l e rp r e s s u r ew h e nh a n d l i n gt h eb o u n d a r yo f w a t e r t u r b i n e ( 3 ) d e f i n i n gt h es t e a d ys e c t i o no f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r r e s e a r c h0 1 1s t e a d ys o o t i o ni so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t si ns t u d y i n ga i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r t o m e a tt h ew a t e rl e v e lf l u c t u a t i o no f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , q u i t el a r g ec o n t r o ls e c t i o ni sn e c e s s a r y , w h i c h i ss e v e r a lt i m e se v e nd o z e n so f t i m e st oc o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r t h a ti sn o to n l yd i s e c o n o m y , b u ta l s o g o e s a g a i n s ts t m e t u r a ls t a b i l i t y t h ec o m p u t i n gf o r m u l ao f s t e a d ys e c t i o no f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , p u t f o r w a r db yt h ea u t h o r , j sm o r ei m p o r t a n tt or e a s o n a b l yr e d u c es t e a d ys e c t i o na n ds a v ei n v e s t m e n to f p r o j e c t ( 4 ) c a l c u l a t i n ge x a m p l e o f a i r c u s h i o ns u r g ec h a m b e r t oa na c 缸l a lh y d r o p o w e rs t a t i o n , f i r s t l y , c a l c u l a t i o n0 1 1f l u i dw a n s i a n t so f c o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r ； s e c o n d l y , c h o o s i n g a i r c u s h i o ns u r g ec h a m b e ra n d a p p l y i n g t h e i n v e s t i g a t i v ea c h i e v e m e n t t o c o t m t a n a l y z e i t sf l u i dt r a n s i e n t s ，a n dt h e n ，i l l u m i n a t i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r t h r o u g hf m 咀l e rc o m p a r i s o n , t h ef u r t h e ri n - d e p t hs t u d yo f r e s e a r c h i n gf l u i dt r a n s i e n t so f a i fc u s h i o ns u i t e c h a m b e rw i l lb ep u tf o r w a r d t h er e s e a r c hr e s u l t so f t h ea b o v eh a v ep r e f e r a b l ys o l v e df i l eh o tp o i n tp r o b l e m sd i s e u s s e da n ds t u d i e di n t h ep r o c e s so f t h ec a l c u l a t i o no f w a t e rd i v e r s i o ns y s t e mu n s t e a d yf l o wo f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , o f f e r t h e o r e t i c a lb a s i st oa c c u r a c yc a l c u l a t i o na n dr e a s o n a b l ed e s i g no f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r , a n da r eh e l p f m t om a k ea i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e rm o r ep o p u l a r i z e di no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：c o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r ；a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e r ；, w a t e rh a m m e r ；t r a n s i e n tp r o c e s s 主要符号表 英文符号 f调压井断面面积 q 流量 p 压力 w 体积 l 管道长度 z 调压井水位 d 调压井直径 w 水体体积 t l惯性时间常数 h 血水轮机的主动力矩 m s发电机的阻力矩 q d 2 飞轮力矩 t 阀门相对开度 a 阀门开度 1 1效率 p 相对转速 c p定压摩尔热容 c v定容摩尔热容 主要符号表 英文符号 h水头 t 时间 a管道面积 p a大气压力 g重力加速度 n多方指数 耳计算常数 k水头损失 m力矩相对值 叫单位力矩 叫单位转速 g 单位流量 j惯性拒 k气室初始高度 p o气室初始压力 w o气室初始容积 角加速度 t温度 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：骞隆呦9 年月留日 学位论文使用授权声明 本 、剖亟! 鍪垂在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：窆燃导师签名 。 年6 羁幺日 辫 1 绪论 1 绪论 1 1 气垫式调压室的发展状况及应用现状 气垫式调压室又称气压式调压室、封闭式调压室或具有空气缓冲器调压室等。 世界上第一座气垫式调压室是在挪威的d r i v a 水电站，建成于1 9 7 3 年，挪威的最 后一座已建成的气垫式调压室t o r p a 水电站于1 9 8 9 年投入运行。1 9 8 9 年以后，挪威没 有再新建气垫式调压室，其原因不是由于该设计存在任何问题，而是因为受挪威政府对 水电开发政策的限制，几乎没有新的水电工程开发，因此也就没有了修建气垫式调压 室的机会，据查询，截至二十世纪九十年代末，其他国家还没有采用过气垫式调压室。 在我国，真正意义上的气垫式调压室应用和研究工作起始于上世纪末，本世纪初。 位于青海省格尔木市境内的大干沟水电站气垫式调压室是我国第一座应用于水电站的 小型气垫式调压室，电站共安装2 台1 0 w 水轮发电机组，单机设计流量1 6 m 3 s ，设计水 头6 9 m 。机组安装高程3 2 6 2 m 。电站引水系统管线全长约5 k m ，由迸水闸、低压引水管道、 溢流式调压井、压力钢管及气垫式调压室组成。其中，进水闸位于水库大坝左岸，进口底 板高程3 3 3 0 m ；低压引水管道( 隧洞) 总长4 4 9 3 m ，内径4 2 m ，其中现浇钢筋混凝土管道 4 3 8 1 m ，钢筋混凝土衬砌隧洞1 1 2 m ；溢流式调压井的井筒内径6 6 m ，净高1 0 5 4 m ，阻抗孔 内径3 m ，另在井筒内下部两侧设有长4 0 m 、宽4 m 、高5 m 的下室：压力钢管主管内径3 2 m ， 全长6 9 2 m ，后接不对称y 型分岔管和支管，两条支管内径2 5 m ，长度分别为1 5 1 5 m 和3 2 m 气垫式调压室设置在溢流式调压井下游5 9 0 m 处的压力钢管上方的地面上，是一个内径 1 0 m ，总高1 4 m ( 其中顶拱高2 3 6 m ) ，外包0 5 m 钢筋混凝土的压力钢罐，其底板高程3 3 0 2 m ， 底部阻抗孔内径2 5 m 。大干沟水电站于2 0 0 0 年7 月5 日试运行，于2 0 0 0 年8 月1 2 日 正式投入生产。2 0 0 1 年1 月，华能集团涪江水电有限责任公司投资控股的位于四川涪 江上游最大的支流火溪河上的自一里水电站开始研究采用气垫式调压室方案，并列入 了2 0 0 1 年国家电力公司科技项目计划。成都勘测设计研究院提出的自一里水电站气 垫式调压室设计方案。于2 0 0 3 年6 月通过了水电水利规划设计总院组织的专题审查， 2 0 0 4 年1 2 月2 6 日1 号发电机组并网发电运行。 自一里水电站为径流式电站，利用火溪河2 0 3 4m 和1 5 4 5m 2 间的落差，为规划中四个 梯级中的第二级，主要用于枯水期调峰当上游调节水库形成后，梯级可获得较好效益该 工程设计水头4 4 5 m ，最大引用流量3 4 m v s ，装机容量1 3 0 m w ，采用2 台混流机组，年均发电 西安理工大学博士学位论文 量4 0 0 g w 由，该电站包括低坝长引水系统、地下厂房、较短尾水洞进水口正常水位2 0 3 4 m 从进水口到厂房的引水隧洞总长1 0 o k m 引水系统包括：( 1 ) 8 5 3 7 m 长的非衬砌低压引水 洞，断面面积1 7 5 m ，包括2 7 m - 长的集石坑段：( 2 ) 一条4 3 2 m - 长：的圆形断面非衬砌隧洞和 断面面积1 6 6 m 的竖井，从低压隧洞1 9 7 8 0 0 1 7 1 4 1 0 0 m 高程；( 3 ) 一条5 7 5 m 长的非衬砌高 压隧洞，断面面积1 7 5 m ，包括另长度为2 7 m 的集石坑段：( 4 ) 一条1 9 0 m - 1 f ：的圆形钢衬段， 直径2 9 m ，包括一个竖井，高程1 6 9 6 0 0 1 5 4 3 o o m ；( 5 ) 一条2 2 0 m - 长- , ：的钢衬隧洞段，直径 2 9 m ；( 6 ) 连接水轮机的3 0 m - 长的岔管，直径为i 8 m ，水轮机到连接竖井到调压室的距离为 5 8 5 m 尾水洞长度约为2 0 0m 自一里水电站工程区地形呈“v ”形，两岸一般为4 0 。5 0 。 的峡谷，山嵴高程从2 4 5 0 0 0 2 6 5 0 o o m 在拟布置气垫式调压室的区域，地面高程 2 1 1 5 0 0m ，调压室顶拱高程1 7 2 0 0 0m ，上覆岩体厚度为3 9 5 m ，侧向最小水平埋深3 2 3 m 自一里岩石为花岗岩夹杂变质捕虏体，围岩稳定性好，在气垫式调压室设计区域未揭示断 层和软弱带，岩体坚固适合调压室的施工，岩体支护仅需适量的锚杆和喷射混凝土对于 气垫式调压室一个重要的要求就是岩石应力应大于气室内( 和隧洞内) 压力约2 0 ，自一里 水电站的静压为3 2 5 m p a ，最大冲击压力达到3 8 m p a 上覆岩体最小埋深4 0 1 m ，侧向距离 3 2 1 m ，地面平缓，自一里水电站地处九寨沟旅游风景线上，施工公路高差很大，公路沿 线地形陡峻，施工难度大，采用气垫式调压室方案，有效地解决了厂内交通和风景线 上的环境保护问题。 华能集团投资的另外一座位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内的小天都水电站，系 瓦斯河干流梯级开发的第二级，电站为径流式引水电站，装机3 * 8 0 m w , 引用流量7 7 7 m 3 s ， 毛水头3 9 2 5 m ，因3 1 8 国道沿线地形险峻，常规调压室方案存在较为突出的厂内交通问题 和风景区环境保护问题，设常规调压室和隧洞施工支洞的施工公路总长达8 9 k m ，施- - 3 1 8 国道干扰较大，投资亦较高，另外，常规调压室竖井上部和上室处于、v 类碎裂、散体 结构的围岩中，施工难度较大。为解决这些问题，自2 0 0 2 年4 月开始了气垫式调压室方案 的设计研究工作，并提出了设计方案，2 0 0 3 年1 月通过了水电水利规划设计总院组织的专 题审查。2 0 0 4 年初，和白一里电站同一业主的几座水电站也准备采用气垫式调压室方案， 目前正在研究中。国内外几座地下气垫式调压室主要工程特性见表l l 。 2 1 绪论 表1 - 1 国内外气垫式调压室主要工程特性 t a b l e l 1m a i ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ri na n da b r o a d 工程装机容流量 调压室总洞室横断洞室长气室容 岩石类型 气室气 名称量( ( m 3 曲 体积( m 3 )面积( m 2 )( m )积( r n 3 )压( m p a ) d 订v a 1 4 03 8 96 7 0 0 1 l o6 6 3 0 0 0条带片麻岩 4 o 1 _ 2 j u k a l3 52 3 5 6 ，啪1 3 04 84 0 0 0 花岗片麻岩 o 6 2 4 o k s a l 2 0 65 5 61 7 0 0 02 3 57 71 3 0 0 0 花岗片麻岩 3 每4 4 s i m a 5 0 01 2 51 2 0 0 01 9 05 5l o o 花岗片麻岩3 3 - 4 8 o s a9 06 7 5 1 2 5 0 01 5 0 - 1 8 07 11 0 0 0 0 片麻花岗岩 1 8 1 9 k v i l l d a l 1 2 4 03 2 2 61 3 6 0 0 02 6 0 - 3 7 03 2 08 8 5 0 0混合片麻岩3 3 - 4 1 t a o o r d 8 21 3 1 2 0 0 01 3 01 51 0 0 0 条带片麻岩 6 5 7 8 b r a t t s e t 8 04 3 51 0 0 0 09 01 0 06 优) o 千枚岩 2 3 - 2 5 u l s e t 3 71 6 84 s o o 9 0 5 33 6 0 0云母片麻岩2 3 - 2 8 t o r p a 1 5 04 8 51 2 0 0 0 9 01 3 31 0 0 0 粉沙岩 3 8 - 4 4 小天都 2 4 07 7 72 2 5 4 01 3 81 6 0花岗岩4 3 5 自一里 1 3 03 41 1 9 2 79 0 1 3 09 1 7 2 云母花岗岩 3 7 8 - 2 8 5 1 2 气垫式调压室的特点及运行中存在的问题 气垫式调压室作为一种性能优越的水锤和涌波控制设施，通过气室内高压空气形成的 “气垫”来控制调压室内水位波动幅值，因省掉了常规调压室下部很长的斜井或竖井；隧 洞纵向接近直线，洞线缩短：( 图1 1 ) 调压室全部在地下，省掉了山坡明挖和上井公路； 调压室位置选择更为自由，特别适用于地形险峻地区高水头、小流量的中小型水电站，具 有对植被环境破坏影响小、工期短、投资省、引水发电系统布置灵活等优点，特别是和高 压隧洞不衬砌技术、地下厂房喷锚支护技术配套使用，其经济上的优越性更加明显。 总结挪威气垫式调压室的运行经验，气垫式调压室的主要缺陷是运行过程中的气室漏 气问题，这也是困扰挪威个别调压室无法正常工作的主要原因，这一问题的解决要从几方 面去做工作，首先，气垫式调压室的主要设计原则与不衬砌高压隧洞和竖井的设计原则基 本相同，但由于岩体的透气能力远远高于透水能力，因此对岩体透气性的控制更加严格。 3 西安理工大学博士学位论文 气垫式调压室位置的选择应满足以下准则【1 ，例： ( 1 ) 围岩质量准则：挪威对气垫式调压室的岩体质量要求没有明确的规定。关键在 于岩体进行必要的支护后必须保持长期稳定，另外，岩石自身应能抵抗非常高的水压力作 用。因此，应选择岩石强度高( 坚硬岩) 、岩体相对完整、洞室稳定性好的位置进行气垫 式调压室布置，避开较大的不利地质构造和岩溶发育地区i 、类围岩具有布置气垫式 调压室的基本地质条件。 上 图1 - 1 气垫式调压室与常规调压室的比较 f g1 - 1c o m p a r i s o no f a i rc u s h i o ns u r g ec h a m b e ra n dc o n v e n t i o n a ls u r g ec h a m b e r 水位 ( 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 准则对气垫式调压室设计是必须满足的，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。 ( 3 ) 最小地应力准则：最小覆盖厚度经验准则属于简单极限平衡法，该方法仅考虑 岩石的重力。然而地形对谷坡内的实际地应力影响很大，许多情况下还存在相当大的构造 应力和残余应力。因此，为确保国岩不发生水力劈裂和气压劈裂破坏，最小地应力准则 就显得更为必要。即要求岩体地应力中的最小主应力应大于调压室内的最大内水压力和气 体压力；更确切地说，应是岩石中节理内的法向压力大于调压室内最大气压和水压力。对 于坚硬完整的花岗岩而言，一般具有5 1 0 m p a 左右的抗拉能力，水压力要劈开没有裂 4 1 绪论 隙的完好岩石是很难的，因此，应根据地应力的量值和方向，核算最不利节理面上的法 向应力是否满足最小地应力要求。当然，不考虑主地应力和节理的方向，而直接按实测的 最小主地应力来控制，设计上是偏于安全的。 ( 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，洞壁岩体透水率要求小于1 0 l u ，如大于 1 0 l u ，应进行固壁灌浆处理。 ( 5 ) 地下水压力梯度准则：如果岩体的渗透性不是很低，为了使空气损失控制在允 许范围内，使围岩内的水压力大于气垫压力是至关重要的。气垫式调压室位置的天然地下 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，就可以避免 漏气，这是避免气流向外泄漏的准则 若拟建气垫式调压室位置的天然地下水位较低，低于最高气体压力水头，或者天然地 下水位不确定，则需要设置水幕，人为地产生必要的孔隙水压力，以解决漏气问题。 水幕的工作原理就是人为地增加气垫周围的地下水压力1 2 2 - 2 目，即在气垫室上布设一排 排钻孔，有时也可沿着气室侧壁布置( 如t a o o r d 水电站) ，这些钻孔与维持所有钻孔中永 久水压力的水泵相连。如果水幕压力很高，足以使所有可能的漏气途径中水压力均高于气 垫调压室的气体压力，则决不会出现漏气现象。水幕压力通常不超过气垫压力0 5 m p a 。 孔隙水压力与气垫压力比如果小于1 ，且上覆岩体厚度薄，岩石渗透性较大，则需要设置 水幕。相关经验表明，如果地下水压力和调压室内气体压力之比小于0 9 ，则漏气量将迅 速增大，如果该值大于1 1 ，与消散在水道中的损失相比，通过岩体的漏气并不是很重要。 设置水幕后，岩体的渗透性不再成为主要控制条件。水幕的布置以封住气垫室使气体在水 幕压力下不外泄为原则，水幕可以设置在气垫室上部的专门廊道中，以倾斜向下的伞形进 行布置，像t o r p a 、k v i l l d a l 、小天都、自一里等水电站，也可以像t a o o r d ，水电站那样， 不设置专门的水幕廊道，而在洞室顶部和边墙上部进行钻孔。 挪威k v i l l d a l 水电站气垫式调压室气体压力4 m p a ，围岩孔隙水压力与气体压力比为 0 6 ，1 9 8 1 年开始运行后，气体渗漏量达2 4 0 m 3 h ( 为o o c 、1 个大气压下的渗漏值，下同) ， 产生了不允许的空气漏失，1 9 8 3 年设置了水幕后，漏气现象完全消除。该工程共有水幕 孔4 7 个，孔径为5 1 e m ，最大孔距2 0 m 。水幕布置如图1 2 所示 西安理工大学博士学位论文 图1 - 2k v i l l d a l 电站调压室及水幕布景 f i g 1 - 2 a r r a n g e m e n t o f s u r g ec h a m b e r a n d w a t e r c u r t 2 j n i n k v i l l d a l h y d r o p o w e rs t a l i o n t a i j o r d 水电站调压室气垫压力在6 5 7 7 7 m p a 之间，围岩孔隙水压力与气体压力 比仅为0 4 8 0 5 6 m p a 之间，1 9 8 2 年开始运行，漏气量达1 5 0 m 3 h 。由于电站的空压设备 能力有限，难以让调压室有效地工作，所以在1 9 8 2 1 9 9 0 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，但未能奏效，后来不得不加设水幕。总共1 6 个 水幕钻孔的孔径均为5 6 c m ，分别设于洞室顶部，边墙上部。运行实践表明，当水幕设计压 力高于气垫压力o 3 m p a 时，调压室的漏气现象消失。 图卜3t a f j o r d 电站调压窒水幂平面 f 培1 - 3p l a n eo f s u r g ec h a m b e ra n dw a t e rc u l t a i ni nt a t j o r dh y d r o p o w e rs t a t i o n t o r p a 水电站气垫式调压室的气体设计压力为4 4 m p a 。由于地形限制，上覆岩体厚度 仅为最大水头的o 5 倍，最大孔隙水压力小于2 2 m p a ，围岩孔隙水压力和气体压力比值 为o 5 或更低。该水电站最初计划在调压室周围通过大量的灌浆减少和控制空气漏失，后 来得知k v i l l d a l 水电站水幕确实有效后，改变了原有计划，决定在t o r p a 水电站也建水幕。 6 1 绪论 水幕钻孔共计3 6 个，孔径为6 4 c m 。水幕廊道高出气垫顶部l o m 。运行试验证明，水幕的 设置是完全必要的。水幕若不工作，漏气量可达4 0 0 i n 3 l l 。当水幕压力高于气体压力0 2 m p a 时，漏气现象就完全停止了。上述3 个工程，水幕的耗水量均不超过1 0 u s ，所以运行费 用增加并不多。 通 4 b “ 图1 - 4t o r p a 电站调压室及其水幕 f i g 1 - 4s u r g ec h a m b e ra n dw a t e rc u r t a i ni nt o r p ah y d r o p o w e rs t a t i o n 由于空气溶解于水，尤其是在更高的压力下，水可以溶解更多的气体，并将气体带 走，所以这部分空气漏泄总是存在的，可通过设空气压缩机的办法，对气室进行定期或不 定期补气，自一里水电站在国内首次采用气垫式调压室，由于设计、施工等方面的原因， 调压室漏气较严重，四台1 5 m 3 充气空压机连续运行才能维持发电所需的气垫厚度，这相 应增加了机械设备的投入、维护保养费用。 为确保气垫调压室安全、可靠运行，必须对气垫调压室内的水位和气压进行实时监控， 通常需要设置两套监控系统，根据实时监测数据，自动开启、关闭空压机或排气阀，从而 对气垫调压室的运行状态实现全自动控制当调压室内水位、气压处于大波动过程中时， 空压机和排气阀是绝对不容许开启的，否则会破坏气垫调压室的大波动特性但在引水 道停机检修时，则须先打开排气阀以降低气室内的气压，否则在引水道关闭进口闸门进 行放空排水时，由于气室内气体的急剧膨胀将可能引起气体喷入引水道或室内温度骤降 结冰等事故，挪威s i m a 和b r a t t s e t 电站曾发生过类似现象另外，对于采用水幕防漏 设施的气垫调压室，水幕供水管的水压和流量也需要进行实时监控。 1 3 气垫式调压室过渡过程研究综述 早在1 9 0 0 年，气垫式调压室的研究工作就已经开始【l o j ，到本世纪三十年代，随着泵 7 西安理工大学博士学位论文 站、工业管网及长距离流体输送管道建设的蓬勃发展，作为性能优越的涌浪控制设备及防 止水力共振手段，气垫式调压室得到了广泛应用【1 1 1 ，但气垫式调压室在水电建设中的应用 并不普及，其具体时间可以追溯到八、九十年前，当时，美国在小型引水式水电站建设中 首先提出了气垫式调压室的设计，并付诸于实践，由于没有考虑调压室及机组稳定方面的 要求，导致了系统的运行不良，影响了水电站的正常工作，不久就废置了，这些问题大多 数可能归因于水轮机调速器，而并非封闭式气垫调压室本身的问题。1 9 7 3 年，挪威的d r i v a 电站首次将气垫式调压室应用于大型高水头电站，而世界上一些研究气垫式调压室较早的 国家，如日本、西德等，尚未建造过气垫式调压室。我国对于气垫式调压室的研究始于七 十年代后期，但真正在水电工程得以实现的是青海省格尔木河上的大干沟水电站。关于气 垫式调压室过渡过程方面的具有针对性、实质性研究也才真正随着开展起来。例如： ( 1 ) 2 0 0 0 、2 0 0 3 索利生、张健等所做的“气垫式调压室研究进展”、“大干沟水电站 气垫式调压室水力特性及运行控制”、“气垫式调压室内气体动态特性研究”结合我国首 例含气垫式调压室水电站青海大干沟水电站引水系统的水力计算及模型试验研究成果， 对气垫式调压室的气体漏损及其防治对策、气体特性及其数值模拟、水力性能及稳定断面、 模型试验和运行观测等方面的国内外研究进展进行综述，针对大干沟水电站水力一机械系 统，建立了计入发电机组和调速器运行特性的电站孤立运行的系统状态方程组，经计算分 析得出结论：如果选择合适的调速器参数，该电站仍可以保证系统运行的小波动稳定性。对 波动稳定分析用的仍然是挪威r s v e e 教授提出的气垫式调压室小波动稳定性临界稳定 断面积计算公式：f 1 = f ( i + n p o k ) ，并在文章中探讨了今后的研究方向。 ( 2 ) 2 0 0 4 年夏勇、许唯临等撰写的“自一里水电站气垫式调压室研究”，通过对该 工程基本条件的分析，计算了气垫式调压室的水力参数，包括水和空气压力、最小水垫深 度、管道渗水、漏气等，对水力控制方法进行了分析，确定了空气压力和水位检测系统计 算了气垫式调压室的水力参数，包括水和空气压力、最小水垫深度、管道水渗、漏气等， 对水力控制方法进行了分析，确定了空气压力和水位检测系统成果可供类似工程参考 ( 3 ) 冷鸿斌于2 0 0 5 年发表的论文“小天都水电站气垫式调压室工程地质条件研究” 认为气垫式调压室方案是在工程地质条件好的前提下替代传统开敞式调压井的较为经济 实用和环保的方案。国内对气垫式调压室的研究正处于试验应用阶段，迄今尚无建成的先 例。四川省甘孜州瓦斯河小天都水电站工程，地质条件较好，有建气垫式调压室和高水 头引水隧洞的可能性。方案的可行性取决于工程地质条件，因此对拟建气垫式调压室位置 8 1 绪论 的工程地质条件的研究显得尤为重要。 鉴于气垫式调压室在我国的应用才刚刚开始，所需研究的问题较多，一些同行专家、 学者或机构在该领域做了大量的开创性研究， 以中国水电工程顾问集团公司教授级高工方光达为代表的一批在挪威工作或学习过 的专家所做的“水电站气垫式调压室的主要设计问题”、“气垫式调压室在水电厂的应用”、 “气垫式调压室设计的探索”等等，为气垫式调压室的设计提出了指导性方法。 彭守拙、彭天玫、刘启钊、索利生、陈鉴治、陈家远、季奎等国内一些非恒定流方面 的著名教授撰写的“国外瞬变流研究进展”、“调压室波动稳定研究”、“水电站气压式 调压室系统小幅度波动的稳定条件和过渡过程”、“设有气垫式调压室的引水系统研究”、 “调压室水位波动的若干问题”、“空气制动调压室”等论文应用不同方法，从不同方面 就气垫式调压室过渡过程中的一些问题进行了研究，取得了开创性的成果，为后来的深入 研究打下了良好基础。 大家熬知，气垫式调压室要在长距离发电有压引水系统中得到象常规调压室那样被广 泛应用，气垫式调压室过渡过程的研究是这一领域的研究重点之一，是要首先解决的