小天都水電站氣墊調壓室閉氣補強的方案研究

張 良， 殷 家 慶， 吳 俊， 王 福 科

(四川華能康定水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

氣墊式調壓室是10多年前自挪威引進的一項技術，在高山峽谷區采用此技術可以減小工程投資，同時具有良好的經濟和環保效益。目前國內已建的氣墊式調壓室防漏氣措施方案有兩種：一是對圍巖自身進行灌漿的同時，輔以在其周邊設置長期運行的高壓水幕；二是采用鋼罩方案確保氣室的氣密性。由于國內地質條件的復雜性，采用第一種方案建成的氣墊調壓室漏氣量較大、運行成本較高。而采用鋼罩方案，由于施工空間制約，調壓室施工難度大、作業條件差，造價較高，如工藝控制不好，同樣達不到理想效果。為充分發揮氣墊式調壓室優勢，需要對防漏氣工程措施作進一步的改進，達到既能減少投資，又能達到漏氣量小的目的，以減少運行期補氣量，降低運行費用。我們在小天都水電站放空檢查后對氣墊調壓室采取了閉氣補強處理措，達到了預期效果，為同行提供參考和經驗借鑒。

1 小天都電站概況

小天都水電站于2003年6月開工，2005年12月投產發電。電站位于四川省甘孜州康定縣境內，系大渡河一級支流瓦斯河梯級開發規劃的第二級電站，電站為高閘引水式，具有日調節性能，電站裝機容量240 MW，工程主要以發電為主，兼顧下游生態環境用水。電站由首部樞紐、引水系統和地下廠房樞紐三大部分組成，額定水頭358 m，裝3臺80 MW混流式機組，設計引用流量77.7 m3/s。

小天都電站引水隧洞采用“一坡到底+氣墊式調壓室”布置方案，系國內首次采用此方案，取得了可觀的經濟和環保效益。引水隧洞布置于瓦斯河右岸，沿線山體雄厚，地形陡峻，為高程2 000～3 000 m高山區。洞室圍巖主要為晉寧～澄江期淺灰、深灰或灰白色中粒斜長花崗巖和閃長巖，巖石致密、堅硬引水隧洞巖石主要以花崗石高水頭引水隧洞長約6 km，承受最大內水水頭450 m。

2 氣墊式調壓室設計和運行情況

2.1 氣室設計情況

在氣墊室位置選擇和設計過程中，建設單位和設計單位做了大量的咨詢和論證工作。在設計階段為優選氣墊式調壓室位置，在PD2平洞、壓力管道(管)共進行了8組現場水壓致裂法地應力、高壓壓水試驗，保證氣室位置有足夠的巖體壓覆厚度和地應力避免氣體產生劈裂效應。

氣墊式調壓室由連接洞、氣室、水幕廊道及其交通洞組成。水幕室位于氣室上部，氣室和水幕室均為一字型布置，氣室(長×寬×高)為80×16×15.5～19.97(m)，水幕廊道斷面尺寸為80×4.8×5.85(m)。水幕室內沿氣墊式四周鉆水幕孔，間排距3 m，通過高壓水泵向水幕廊道注水，形成“傘”字形水幕。氣室正常運行氣壓為3.76 MPa，水幕壓力較氣室壓力超壓0.5 MPa，起到防止氣室漏氣的目的。

在開挖后，氣墊室總體情況和預想的有較大差異。氣室局部因地應力高有巖爆出現，總體巖體狀況并不理想，大部分表面節理和裂隙發育，特別是拱肩下部一約寬2.5 m斷層破碎帶橫穿整個邊墻。加之施工時控制爆破掌控欠佳，巖體表面起伏較大，多處發生小規模塌方。為此，氣室大部分巖體均采取了錨桿支護，局部進行掛網和噴混凝土支護。為確保氣室氣密性，對氣室圍巖采取系統性水泥高壓無蓋重固結灌漿處理，灌漿孔深8.0 m，同時對所有臨時通道堵頭均進行高壓固結灌漿。

2.2 氣墊式運行情況

在氣墊調壓室運行初期，水幕廊道堵頭外和氣墊式堵頭外交通洞沿線均出現多處漏氣點，部分點位大量水氣逸出。根據監測數據，氣室漏氣量約15 m3/min左右。主要原因是：(1)當時國內缺乏工程經驗，在氣室附近布置了包括氣室交通洞、水幕廊道交通洞、PD2地質探洞、PDs地質探洞等4條支洞，氣室附近臨空面過多。(2)氣室附近存在3條寬度0.5～2.5 m寬度不等的斷層，最大一條斷層水平向橫穿氣墊式。(3)巖石裂隙發育，雖經系統灌漿，但由于巖體各向異性特點，仍未能保證氣室氣密性。(4)水幕孔深度偏淺，未能覆蓋氣體逃逸范圍。

氣墊調壓室運行后，隨著時間的推移，漏氣量逐漸增加。到2016年1月，測得的漏氣量達到35～40 m3/min。由于漏氣量大，為維持氣墊調壓室水位，空壓機運行數量多(4臺10 m3/min+2臺10 m3/min)，導致運行成本高、人員疲于應對空壓機系統的維護保養工作。

在小天都電站投產運行后，因各種客觀原因一直都未進行過放空檢查。為此，為確保電站安全運行，決定放空引水系統進行檢查，同時對氣墊調壓室進行閉氣補強處理。

3 氣墊式調壓室處理方案和技術準備

3.1 氣室內方案比較

國內某電站因氣室漏氣量過大無法正常運行，采取了系統性補強灌漿和氣室巖體表面局部涂刷環氧涂層措施，減少了漏氣量。除此之外，再沒有其他類似經驗可供借鑒。公司和電站原設計單位進行了多次研究和討論，比較了三種處理方案：

方案1：鋼罩方案。采用鋼板進行閉氣，即鋼板外掛襯砌混凝土表面。

方案2：局部補強方案。放空后對氣室內滲水點或異常點進行化學灌漿或固結灌漿；對水幕交通洞和氣墊式交通洞漏水和漏氣點進行襯砌，并進行局部固結灌漿。

方案3：內涂材料+局部灌漿。放空后對氣室內滲水點或異常點進行化學灌漿或固結灌漿，之后在巖體表面涂刷高分子材料。對水幕交通洞和氣墊式交通洞漏水和漏氣點進行襯砌，并進行局部固結灌漿。

方案1從理論上來說，閉氣可靠度高，但由于僅有1#支洞預留的2×2.5 m進人門洞可利用，施工通道受限，施工難度大，施工時間需要近一年時間。況且鋼板加工尺寸小，焊縫太多，漏氣風險增加，處理費用和發電損失將超1億元。方案2施工簡單，時間短，處理費用和發電損失小，但不能保證能大幅降低漏氣量。方案3施工也較簡單，時間較短，處理費用和發電損失較小，且有較高可靠度減少漏氣量。

3.2 方案擬定

經與設計單位進一步研究討論后，小天都電站氣室閉氣補強方案如下：

(1)氣室內采用方案3進行閉氣補強處理。處理方案見圖1。

圖1 氣墊調壓室氣室處理方案

(2)在以氣室內部處理為主基礎上，同時對氣室交通洞和水幕廊道交通洞漏氣點密集部位進行混凝土襯砌，并進行定點固結灌漿。延長水幕廊道孔，加深8 m。氣室交通洞和水幕廊道交通洞加固處理方案見圖2。

圖2 調壓室交通和水幕廊道洞加固處理方案

4 補強處理實施情況

4.1 氣室噴涂材料選擇

在不同的運行工況下，氣墊式調壓室防滲涂層將承受氣壓和水壓差的作用，設計單位對表面防滲閉氣材料特性要求為：具有較高的抗拉強度和抗裂能力；與巖石或混凝土具有較高的粘結強度，防止外水壓作用下脫落；具有較好的防滲閉氣性能，要求滲漏系數小于10-8cm/s；具有一定的柔性，能適應圍巖在各種運行和檢修情況下的變形；具有較好的耐久性；材料能在潮濕環境下施工和固化；施工方便，不需要大型施工設備，能適應小天都電站所能提供的施工條件。

我們對設計、施工、材料廠商進行了廣泛的市場調研。目前在防滲工程中采用的主流材料有環氧、丙烯酸鹽和聚脲。經過材料性能和環境適應性比較，環氧類防滲材料涂層強度高，與混凝土粘結力強，有一定韌性(韌性通過配方調整能夠使涂層的韌性滿足設計要求)。綜合考慮上述情況，結合電站實際條件，最終決定在小天都電站調壓室檢修中采用環氧涂層材料。我們邀請了國內多家環氧產品廠家進行了現場實驗，重點關注指標是抗滲性能與巖體粘結強度。

試驗結果，我們選擇了性能最好的PSI-HY-Ehp環氧樹脂。PSI-HY-Ehp防滲抗沖耐磨涂層材料分為底涂和面涂，由A，B兩組分組成，其中A組分由低粘度環氧樹脂及其它高硬度高耐磨無機材料混合而成，所用環氧樹脂類型為特殊雙酚A類型；B組分由環氧樹脂固化劑混合其它無機材料組成，其固化劑由傳統T31固化劑改性而來，屬于新型酚醛胺(PAA)環氧固化劑。

4.2 放空檢查情況

小天都電站于2017年11月1日停機，6日引水系統全線放空。經檢查，引水隧洞混凝土全襯砌段、噴錨支護段、底板混凝土均運行良好。未采取噴錨支護段沿線有不同程度和大小不一的掉塊，5 km未支護段掉落石塊約180 m3。調壓室以下混凝土襯砌段和壓力鋼管段狀況良好。

氣墊式與引水隧洞間的連接洞淤積較為嚴重，淤積至頂部洞頂剩余約1.6 m，通道面積減小已嚴重影響了水氣交換調壓作用。氣墊式底部淤積厚度0.5～1.2 m。氣墊式圍巖無掉塊現象，原交通洞堵頭拱間以上接觸面均滲水，破碎帶均有不同程度滲水，多處呈線狀水。部分巖面有白色物質析出，疑似為原灌漿物質析出所致。

4.3 補氣補強工作重點和難點

(1)工期短，工程內容較多，施工準備時間太短，臨建工程量大且條件受限，需采取措施保證進度。

(2)裂縫封堵、聚氨酯化學堵漏灌漿和環氧灌漿是為涂料噴涂施工的先行工作，能否在計劃時間內完成防滲堵漏灌漿，達到堵漏目的，為涂料噴涂提供工作面，是保證施工質量和進度的關鍵。

(3)涂料噴涂施工是調壓室防滲閉氣的重要工序，如何控制好施工質量是本工程的重點和難點之一。

4.4 調壓室氣室處理實施情況

放空后，經過對氣墊式狀況觀察和分析，在方案基礎上進行了調整和細化?？傮w處理工藝為：清理底部淤積物→氣室巖體表面初步清洗和處理→巖壁滲水部位堵漏→巖體滲水部位和破碎帶化學灌漿→排水孔處理→巖體表面清洗并處理至表干狀態→環氧涂涂料噴涂。在布置好通風機、照明線路后，開始氣室施工作業。具體實施方案如下：

4.4.1 清理底部淤積物

采用裝載機裝車，用小型農用車將淤積物自引水隧洞和原1#支洞運出洞外。

4.4.2 巖體表面初步清洗和處理

清除松動巖塊，割除原氣墊式系統錨桿露頭，以確保安全和便于補強作業。經過多年運行后，因補氣空壓機補氣，氣室巖體表面積攢了大量油污，為此采用了高壓水和清洗劑進行清洗。在清洗過程中，在氣室底板布置攔擋設施，收集油污。為保證灌漿效果和防漏氣目的，采用環氧砂漿充填大于2mm巖石縫隙。

4.4.3 巖壁滲水部位堵漏。

右邊墻頂拱肩以下有橫穿整個調壓室破碎滲水帶，破碎帶長80 m, 寬1.5～2.5 m，滲水極為分散，局部成線狀流水，采用聚氨酯和環氧樹脂堵漏，孔深0.5 m，間排距0.5～1 m。處理后，堵漏效果不好，因此采用了鉆設排水孔，排水孔深度2 m。對于呈線狀流水處鉆設集中排水孔。

4.4.4 化學灌漿

為保證達到氣室閉氣效果，對破碎帶、滲水部位及有白色物體析出部位進行環氧樹脂化學灌漿。將原設計方案調整為：灌漿孔間排距1 m ～1.5 m，孔深1.5～2 m。在處理過程中參建各方高度重視灌漿質量管理和效果檢測工作。從處理完成后氣室運行情況看，化學灌漿是防漏氣主要處理手段。

4.4.5 排水孔處理

在化學灌漿完成后，試圖將排水孔進行封堵，但效果不好，水又從其他部位滲出，無法實施環氧涂層施工。為此決定采用不銹鋼管一直延伸至氣墊調壓室水位以下，確保氣體不溢出。

4.4.6 氣室巖壁清洗和處理

在完成灌漿后，清洗巖壁油污和粉塵、松動小石塊，保證環氧涂層與巖體之間粘結強度。另外對于表面存在尖角的巖體，采用人工倒角，避免在氣室高壓狀態下，尖角處的涂層受到應力集中而受到破壞。

4.4.7 環氧涂料涂刷

工藝流程為：基面清理及檢查→施工分區→缺陷修補→基面清理→底涂噴涂(褐色)→面涂噴涂(灰色)→質量檢查。

巖體完整地段涂層厚度3 mm，破碎帶部位涂層厚度4 mm。由于巖體起伏不平，人工涂刷難度大，且難于控制質量。之后經過現場試驗，施工單位購買了德國產噴涂機進行噴涂，大大提高了施工效率。且由于涂料由噴嘴中高速噴射而出，涂料可以深入巖面裂隙將其填充密實，而這個問題是人工涂刷工藝難以解決的，同時由于涂料與巖面的高速撞擊，涂料與巖面之間的結合也較涂刷工藝更加緊密，尤其在調壓室頂拱部位，噴涂較人工涂刷工藝涂料與巖面之間的結合更加牢固，大大提高了施工質量。

4.4.7.1 底涂施工

常規區域(噴涂厚度為3 mm的區域)底涂厚度為1.0 mm，巖體相對破碎的區域(噴涂厚度為4 mm的區域)底涂厚度為1 mm，待基面干燥及前期基面修補材料凝固后，采用毛刷、刮板將防滲材料噴涂于基巖表面，噴涂施工應用力必須均勻一致。噴涂施工應沿同一走向噴涂，以保證涂層的厚度均勻和表面平整，對于滲水較多部位，重點進行聚氨脂堵漏，局部輔助環氧灌漿。

4.4.7.2 面涂施工

常規區域(噴涂厚度為3 mm的區域)面涂厚度為1.5 mm，噴涂一次，巖體相對破碎的區域(噴涂厚度為4 mm的區域)面涂厚度為3 mm，分兩次噴涂，每次1.5 mm。噴涂施工應沿同一走向噴涂，以保證涂層的厚度均勻和表面平整。

4.4.7.3 噴涂施工質量檢查

(1)基面檢查：噴涂前確?；娓蓛舾稍铮缬心Y水汽等，可使用棉紗將明水拭干；

(2)陰角處噴涂：陰角等部位不宜一次性成面，應使用毛刷進行多次噴涂，確保噴涂厚度，并保證平滑可靠。

(3)噴涂順序：本工程噴涂4 mm厚的部位刷4次，3 mm厚的部位刷3次，相鄰涂層層均采用不同顏色，噴涂一次后需待檢查驗收完成后，方可進行下一層施工。

(4)涂料使用：涂料應攪拌均勻，隨拌隨涂，拌好的涂料應在30 min內用完，避免材料浪費。涂層噴涂厚度應滿足設計要求。

(5)涂層檢查：施工完畢后，對施工面進行檢查，表面應處于平整光滑狀態，不得有粗糙、松散、可視氣孔、鼓包、白化、墜落現場，如發現有漏涂或有缺陷部位，進行二次噴涂或人工修補。

4.4.7.4 養護及拉拔檢測

防滲涂層(面涂)施工完畢后7 d內做好保護措施，設立醒目的警示牌，防止堅硬物撞擊等，防滲涂層養護完成后進行抗拉試驗檢測，驗收合格后拆除施工腳手架。

4.5 調壓室交通洞和水幕室交通洞處理實施情況

4.5.1 調壓室交通洞

氣室交通洞TJ0+294.185―TJ0+483.756 m段的各個滲漏點作局部灌漿處理如下：沿漏氣點(面)周圍鉆孔(見圖3)，深入基巖4.0 m，每處不少于4孔，采用聚氨酯類化學材料灌漿、封孔，反復幾個循環，直至不出現氣泡；沿漏水點(面)周圍鉆孔(見圖4)，深入基巖4.0 m，每處不少于4孔，采用水泥灌漿、封孔，反復幾個循環，直至不出現滲水；對混凝土表面破損的地方可用環氧膠泥進行修補。

4.5.2 水幕廊道交通洞

(1)水幕廊道交通洞TJ’0+000.000―TJ’0+300.301 m段的各個滲漏點作局部灌漿處理，處理方式與氣室交通洞相同。

(2)水幕廊道交通洞TJ’0+177.040―TJ’0+237.040 m段加厚襯砌(在襯砌以前對漏水點作局部化灌或水泥固結灌漿)，再進行回填灌漿。

4.6 質量控制要點和措施

為確保氣墊調壓室閉氣補強成功，在氣室內施工過程中，監理工程師和公司專業技術人員全程進行嚴格把關，保證工序質量。質量控制要點為：

圖3 邊墻襯砌漏氣點處理示意圖

圖4 邊墻襯砌漏水點處理示意圖

(1)首先保證堵漏和排水孔效果，保證巖體無可視滲水。

(2)保證環氧砂漿充填巖石縫隙質量，不遺漏任何一處縫隙，保證環氧灌漿質量。

(3)環氧涂料噴涂前，保證巖石表面干凈，無巖粉和油污，巖體表面處于表干狀態。

(4)安排專職質檢人員全程旁站噴涂施工，從基面處理到涂料配制，再到每一層涂料噴涂都實行全程旁站制度。

(5) 相鄰層涂料要使用不同的顏色進行區分，確保每一層都是全面覆蓋

(6) 排水孔處理重點是采用環氧砂漿堵塞好排水管和孔之間縫隙，堵塞深度不得少于10 cm；保證管接頭連接和焊接質量，并采用環氧樹脂涂刷接頭表面，排水管伸入設計最低水位，保證不漏氣。

5 閉氣補強效果

由于時間短，且實施難度太大，本次處理工作沒有對水幕孔進行鉆孔加深。電站于2018年2月6日恢復發電，較原計劃提前21 d。完成補強處理后，開始隧洞充水充氣工作。在未啟動水幕加壓泵和水頭低于2 MPa情況下，氣室水位下降較快，在水頭超過2 MPa后，水位下降慢，達到3 MPa之后水位不再下降，漏氣量增大，于是，立即啟動水幕超壓。隨著水幕壓力逐步增加，漏氣量明顯減小，在達到設計超壓0.5 MPa后，漏氣量為10～12 m3/min，小于預期的14 m3/min。電站于2018年2月6日恢復發電，較原計劃提前21 d。自從電站恢復發電后至今，氣室漏氣量穩定，大大減少了補氣空壓機數量，降低了運行成本和發電機組運行安全風險。

6 結 語

小天都電站氣墊式調壓室漏氣量并未如國外電站那樣隨著時間推移而減少，雖然本次處理效果好于預期，但漏氣量與挪威已建電站比較仍有差距。引水式電站采用氣墊式調壓室的確會帶來經濟和環保效益，但如漏氣量大，會給機組運行帶來安全隱患，使運行人員疲于應對補氣設施的維護和檢修工作。

(1)從本次補強后充水充氣情況分析，環氧涂層承受氣壓壓力在2 MPa左右。雖然環氧抗壓抗拉強度高，但由于受環境條件、施工工藝影響和制約，涂層中出現眾多微小氣泡、施工缺陷等不利因素。環氧涂層薄弱部位在高壓擊穿后所起作用已很微弱，主要還是固結灌漿和超壓水幕孔在起閉氣作用。

(2)對于利用圍巖和水幕防漏氣的氣墊室，由于受開挖爆破和高地應力影響，巖石圈均有不同深度松動范圍，因此，應增加固結灌漿深度，同時提高灌漿壓力。在灌漿材料選擇上，以水泥灌漿為主，而化學灌漿是重要的補充手段，斷層是重點處理部位。

(3)水幕廊道內設置的水幕孔要適當延長，保證水幕孔孔底高程達到氣墊室初始運行水位，以達到封住漏氣通道目的，減少氣室漏氣量。