地下气垫式调压室首次采用钢管闭气型式的应用

张团

郭元元

杨兴义

1 前言

气垫式调压室具有引水系统布置灵活、施工简便、对周围环境影响较小以及投资少等特点，近年来被越来越多的应用于高水头、小流量的中小型电站。地下气垫式调压室防渗设计关键是封闭高压气体、防止渗漏，目前已采用的闭气型式主要包括围岩闭气、水幕闭气和罩式闭气三种结构型式。挪威已建的气垫式调压室工程主要采用围岩闭气和水幕闭气，国内已建的地下气垫式调压室工程中，自一里和小天都水电站采用水幕闭气，金康、木座和阴坪水电站采用罩式闭气。

该电站气垫式调压室上游引水道采用明钢管型式，沿河岸布置，如采用地面气垫式调压室，气室内的气压近4MPa，气室的设计难度相当大，为此考虑设置地下气垫式调压室。气室区域的围岩以Ⅲ类为主，但山体单薄，规范所要求的埋深、地应力和渗透条件均不满足，传统的气室闭气型式不适合该电站，该电站创新地提出了一种适用于地下气垫式调压室的钢管闭气型式。

2 气垫式调压室结构布置

气垫式调压室由气室和连接隧洞组成。气室平面为长条形，长35m，断面采用圆形，直径7m。气室中心线与压力管道中心线夹角为55°，布置在压力管道右侧。气室布置见图1～图3。

气室底板高程1523.00m，初始水面高程1525.70m，初始水深2.7m，最小水深1.6m。气室托马稳定面积72m²，实际采用面积140m²，安全系数K=1.9。气室设计气体压力3.20MPa，最大气体压力3.85MPa，最小气体压力2.76MPa。

气室采用“钢筋混凝土+内衬钢板”结构型式，圆形断面和端墙部位的混凝土厚均为70cm，气室内表面的钢板厚度均为14mm，材质为Q345R。气室开挖后采用φ25、L=4.5m系统锚杆支护，锚杆间排距1m，入岩4m，外露50cm与钢衬的加劲环焊接。气室混凝土和围岩之间布置了系统排水管网。气室与压力管道最小水平净距15m，气室底板高于压力管道顶拱3m，两者间通过连接隧洞连接。连接隧洞采用埋管型式，钢管直径1.7m，钢管外侧回填混凝土。

3 钢管结构设计

气室采用圆形内衬钢板断面后，整个气室相当于一个承受内压的压力钢管（区别在于气室内为高压气体，且外部无渗透水压），仅考虑内压工况。按《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）埋管设计规定，当上覆盖厚度不满足附录B式B7要求时，钢管不能考虑围岩承载，但仍可取埋管抗力限值进行厚度估算，采用Q345R材质时，钢板的计算厚度为64mm。由于该工程为小型工程，施工队伍不专业，采用大厚度的压力钢管，在安装、焊接等质量上不容易保证；另外，采用这种厚板钢材，投资较大，不经济。因此，有必要针对气垫式调压室的具体情况，研究薄钢板防渗，外侧钢筋混凝土受力的可行性，将钢板厚度尽量减小，以节省工程量和确保施工质量。

3.1 钢管、钢筋混凝土及围岩联合受力分析

为尽可能发挥外侧混凝土及围岩的作用，钢管的厚度不宜厚，按《水电站压力钢管设计规范》（DL/T 5141—2001）的规定，直径7m的钢管，为保证安装刚度，构造厚度可取14mm。为了掌握钢管、钢筋混凝土及围岩的联合受力及分载比，采用三维有限元方法，对气室钢管不同边界及参数下进行应力和变形计算分析。

假定钢管、外侧混凝土及围岩紧密结合，当外侧材料参数变化时，钢板的整体应力变化不大，为42～60MPa，远小于钢管的允许应力。但外侧混凝土的拉应力比较大，超过了混凝土的抗拉强度，需要配置钢筋，限制其裂缝开展，以保证混凝土能向围岩传递内压。由计算可知，外侧材料变形模量，弹模，泊松比等越高，钢板的应力越小（但变化范围不大），外侧混凝土承担的内水压力越大。以上方案的计算均未考虑钢板与外侧混凝土之间的间隙，两者紧密结合，变形最大也不到2mm，导致钢板的应力水平很低。但实际由于施工的原因，钢板与混凝土之间的，以及混凝土与围岩之间存在缝隙是必然的，一旦存在大于2mm以上的缝隙，钢板应力水平势必超过60MPa。

3.2 钢管、钢筋混凝土间存在缝隙受力分析

由于施工导致的钢管外周缝隙实际是不均匀的，有限元计算也很难模拟施工导致的不规则缝隙。计算时假定钢管与混凝土之间存在均匀的缝隙值，进行敏感性分析。当管周存在3mm的均匀缝隙时，钢板首先向外变形，以充满缝隙，最后再与混凝土接触。当钢板变形大于3mm时钢板与混凝土联合承担内压，混凝土与钢板一起变形约为4.9mm（模型采用点对点的接触行为，实际情况是整个单元面发生接触），此时钢板的应力为410MPa，但未达到钢板的抗拉强度510MPa（钢板未拉坏）。

假定钢管外周均匀缝隙值为5mm，此时混凝土与钢板一起变形约为6.5mm，钢板应力已经接近了抗拉强度，应力为480MPa。综合以上分析，当外围缝隙值越大，钢板变形越大，应力增加越快，混凝土承担内水压力的比例越低。

3.3 小结

实际上钢板与外侧混凝土之间的缝隙根本不可能是均匀的，缝隙的大小也很难界定。因此上述计算仅为理论研究。总体趋势是，外围缝隙条数越少，分布范围越小，缝隙深度越小，围岩与混凝土之间的联合承担内水压力作用越是明显。另外值得一提的是，某设计院在水电站埋藏式岔管研究中，验证了很多成果。其中最重要的一条就是，无论钢板采用多厚，最后围岩分担内水压力的比例是非常高的，也就是说钢板的应力很小，围岩分担内水压力的比例基本达到70%以上。该院在西龙池水电站还做了专门的原型模型试验，也验证了这一点。但限于国内目前未见相关实际工程支撑，只采用了40%以内的围岩分担比例，以确保安全。

根据以上计算分析，本电站气室钢板采用14mm，外侧钢筋混凝土结构是合理可行的。根据运行期实测的钢板应力计数据，最大实测钢板应力为50MPa，与计算值吻合。气室内气压主要传递至外侧钢筋混凝土，内衬钢板应力水平较低。

4 结语

该水电站于2014年2月建成发电，至今运行良好，气室钢板和钢筋应力计等监测数据成果正常合理。本电站采用的钢管闭气结构型式，在国内外地下气垫式调压室设计中尚属首次，与传统的罩式闭气比较，气室内的闭气钢板为连续的封闭体，在最大气体压力3.85MPa的条件下，依然能够采用很薄的钢板厚度（主要依靠钢筋混凝土承担高内压），该技术应用前景非常巨大，值得以后的工程人员深入思考和其他小型工程应用参考。

参考文献

［1］中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.水电站气垫式调压室关键技术及应用研究项目总报告［R］.成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2007.