外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用

外挂钢罩气垫式调压室施工技术研究与应用 二零二一年三月 目 录 1 项目立项背景与意义.....................................................................................................1 1.1 立项背景..................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状......................................................................................................1 1.3 立项意义..................................................................................................................1 2 工程概况..........................................................................................................................2 2.1 工程概况..................................................................................................................2 2.2 工程地质条件..........................................................................................................3 3 工程特点、难点及技术分析........................................................................................ 3 3.1 工程的特点和难点................................................................................................. 3 3.2 关键技术问题..........................................................................................................4 4 研究目标与技术路径.....................................................................................................4 4.1 研究内容与预期目标.............................................................................................4 4.2 研究方法与技术路径.............................................................................................4 4.3 科研小组成立情况................................................................................................. 4 5 外挂钢罩气垫式调压室施工方法研究与应用...........................................................6 5.1 气室开挖方法研究................................................................................................. 6 5.2 气室闭气方法研究................................................................................................. 9 6 主要研究成果................................................................................................................21 7 主要创新点....................................................................................................................22 8 结语................................................................................................................................ 22 8.1 工程应用效果及评价...........................................................................................22 8.2 经济效益................................................................................................................23 8.3 社会效益................................................................................................................23 1 项目立项背景与意义 1.1 立项背景 气垫式调压室又称为封闭式调压室，利用气垫内空气的膨胀以及压缩控制调 压室内水位的张罗幅度。气垫式调压室具有布置灵活、施工方便、经济环保、安 全可靠等优点，可适用于地形险峻、岩体质量较好、布置常规开敞式调压室困难 的电站，尤其适用于高水头、小流量的引水式电站和抽水蓄能电站。 由于地质条件的不同，国外的气垫式调压室大多利用围岩自身闭气，只有在 围岩闭气效果欠佳的情况下才考虑设置水幕闭气，即在气室上方设置一充水廊 道，并在廊道四周底角钻一系列深孔，孔内充满高压水，形成一个覆盖气室顶部 及边墙的伞状水幕，水幕水压高于气室压力 0.3～0.5MPa，人为增大气室外围的 地下水压力，使气室的漏气通道中朝向气室的压力梯度始终保持正值，避免内气 外渗。自一里、小天都电站均采用了水幕闭气方式。根据情况，水幕廊道可以采 用条形布置在气室的正上方，也可采用环形布置在气室的四周。 1.2 国内外研究现状 气垫式调压室于 1973 年首先应用于挪威的 Driva 电站，21 世纪初被国内尝 试用于青海的大干沟水电站，而国内第一个完整引用气垫式调压室的为自一里水 电站。因设计经验、地质条件等因素的影响，水幕闭气在国内的应用效果不理想。 金康电站开始尝试使用钢罩闭气，该工程采用“夹心式”钢罩方案，并设置平压 系统平衡钢罩内外侧的压力。由于钢罩闭气效果优于水幕，木座电站沿用了这一 闭气形式。但夹心式钢包施工程序复杂，施工难度大，因此民治电站对钢包方案 进行了改进，采用内挂钢罩+平压腔形式进行施工。 1.3 立项意义 根据探硐揭示的地质情况，民治电站气垫式调压室布置于微新岩体中，花岗 岩中裂隙较发育，布有 8 条小断层。岩体最大主应力方向与调压室轴线交角较大， 对洞室稳定有一定的不利影响。因此，民治水电站的气垫式调压室要最终成型， 就要通过合理的施工方法，既要能形成相应的地下洞室，又要保证气室不漏气。 因此，我部对外挂钢罩气垫式调压室施工的关键技术进行了认真、细致的研究和 实践，形成了一套成熟而有效的施工方法，解决了复杂区域地质环境中建造气垫 1 式调压室高压气体漏失量大的问题，可以为气垫式调压室进一步的推广应用提供 参考，特立项进行此课题研究。 2 工程概况 2.1 工程概况 民治水电站位于四川省雅安市宝兴县境内的东河上，为宝兴河梯级开发的第 二级。民治水电站采用拦河闸坝长隧洞引水至地下厂房发电方式，水库总库容为 88.0 万 m3，电站装机三台，装机容量为 105MW。电站开发任务主要为发电，无灌 溉、防洪、漂木等综合利用要求。 我公司承包建设的民治水电站厂区枢纽工程属民治水电站第三合同段（即 MZ/CⅢ标)，包括发电厂房、尾水系统、引水系统三大部分。 调压室位于引水隧道（隧）7+878.122 左侧，开挖尺寸为 102m（长）×12.2m （宽）×17.2m（高），衬砌后尺寸为 100m（长）×10.4m（宽）×16m（高）。 因开挖过程中遇围岩破碎地带，设计将调压室向山体内侧进行了平移，调整后连 接隧洞长 68.9m（（连）0+000-（连）0+068.9）、调压室 100m(（调）0+000- （调）0+100)。（参见图 2-1 厂区枢纽工程三维图）。 图 2-1 厂区枢纽工程三维图 2 2.2 工程地质条件 民治水电站厂区枢纽工程位于龙门山北东向构造带之中央断裂的南西段之 盐井断裂南东侧，区域构造背景较复杂。工程区历史及现今地震活动不强，据国 家地震局地质研究所对工程场地地震安全性评价结果，民治水电站场地地震基本 烈度为Ⅷ度。 气垫式调压室位于晋宁～澄江期斜长花岗岩及少量辉绿岩脉的岩体中，自然 边坡高陡，除局部缓坡及小型冲沟堆积不厚的崩坡积、洪积碎砾石土外，大部分 坡面基岩裸露，地形坡度一般为 60°～70°。 （1）气垫式调压室布置于微新岩体中，微新的花岗岩属较高强度、较高模 量、完整性较好的岩体，以Ⅲ类围岩为主，仅局部辉绿岩脉因岩石强度相对较低， 裂隙发育，岩体完整性差，属Ⅳ类，随机分布的小断层属Ⅴ类，总体上具备成洞 条件。据勘探资料，气垫式调压室轴线与小断层等主要结构面多呈大角度相交， 有利于洞室稳定，最大主应力方向约 125°与调压室轴线交角较大，对洞室稳定 有一定的不利影响，需采取适当的工程措施。 （2）地下水主要沿结构面呈浸润状（局部滴状）渗出，受结构面切割及不 利组合和地下水影响，围岩稳定性较差，以Ⅲ类围岩为主，局部Ⅳ类围岩。施工 时易在上、下游边墙及顶拱出现局部不稳定岩块，桩号 0+07m～0+20m 范围内， 裂隙密集发育，具碎裂镶嵌结构，分布有石英脉或石英团块，岩体完整性差，属 Ⅳ类围岩。 3 工程特点、难点及技术分析 3.1 工程的特点和难点 气垫式调压室由岩壁、钢罩和水面围成封闭式气室并利用气垫来控制水锤和 涌波，因此具有以下施工特点： （1）钻爆开挖应选择合理的爆破参数和装药结构，尤其是严格控制开挖轮 廓线的爆破，最大限度地减小开挖爆破对气室整体围岩的扰动以及对开挖线岩面 完整性的破坏，达到尽可能减少洞壁岩体漏水、漏气量的目的。 （2）钢罩混凝土施工首先应严格控制气室钢罩拼接与安装焊接的质量，同 3 时采取相应的措施使钢罩后的回填混凝土与钢罩结合紧密，既能确保气室闭气