CN110528476B - 一种具有双层闭气结构的气垫式调压室及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双层闭气结构的气垫式调压室。它包括钢筋混凝土衬砌、气室、排水孔，设有二层防漏气结构，分别为第一层防漏气结构和第二层防漏气结构；所述第一层防漏气结构由钢衬和所述水垫层组成；所述第二层防漏气结构由所述水垫层和水层组成；所述钢衬固定连接于所述钢筋混凝土衬砌内侧、且与所述钢筋混凝土衬砌呈分离设置；所述水垫层设于所述钢筋混凝土衬砌下部。本发明具有闭气效果好、施工方便的优点。本发明还公开了具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法。

Description

一种具有双层闭气结构的气垫式调压室及其使用方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，更具地说它是一种水利水电工程中使用的一种水锤和涌波控制建筑物。更具体地说它是一种具有双层闭气结构的气垫式调压室。本发明还涉及一种具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法。

背景技术

水利水电工程中的调压室是一种用于抑制水锤和波涌的装置，其作用是减少压力水道的水锤压强、提高机组的运行稳定性和供电质量。常规调压室上部与大气相通，室内水面压力与大气压相同，当电站负荷调整时，水面升降幅度较大，调压室体积也较大。当围岩岩体质量较好，埋深及最小地应力满足条件的情况下，可采用气垫式调压室，上部呈封闭状态并充以压缩空气，下部为“水垫”。利用气室内高压空气形成“气垫”来抑制气室内水位高度和水位波动幅值，液面压强较高。由于气垫式调压室水面升降幅度均较小，其体积也相应比常规调压室小。

20世纪70年代以来，国外已建的气垫式调压室的共同点是利用围岩承载，高压空气或高压水直接作用在围岩上，气垫式调压室一般可以靠围岩本身、灌浆加固或者水幕来防止漏气。例如，世界上最早采用气垫式调压室的挪威Driva水电站等，对调压室的地质条件、围岩抗渗性要求较高。21世纪初，国内开始建设以水幕为闭气手段的气垫式调压室，但监测数据表明，气垫式调压室漏气量较大，约为挪威已建水电站的气垫式调压室漏气量的数十至数百倍，存在补气频繁、电站管理难度增加及费用较高的问题。后期部分工程采用了罩式气垫式调压室，主要采用钢板封闭焊接形成罩体，紧贴在钢筋混凝土衬砌表面，防渗漏气效果得到了改善。

该种型式闭气“钢罩”在施工期作为混凝土浇筑的模板，需在钢罩内侧安装支撑钢罩(模板)浇筑混凝土的排架，并与钢罩有效固定，混凝土浇筑完毕还需将排架和钢罩分离，施工组织、方式复杂，工序搭接干扰多；钢罩缺乏防腐，容易在运行中水、气环境下发生锈蚀；单层的闭气钢罩在钢罩发生锈蚀后，其室内的高压气体容易从混凝土裂缝中漏到围岩中，导致漏气量增大。

现有申请号为200620034933.3；专利名称为《气垫式调压室密封罩》；其公开了一种适宜于在岩石天然渗透性较大的地质条件下采用的气垫式调压室上使用的密封罩；但是该种型式闭气“钢罩”在施工期作为混凝土浇筑的模板，需在钢罩内侧安装支撑钢罩(模板)浇筑混凝土的排架，并与钢罩有效固定，混凝土浇筑完毕还需将排架和钢罩分离，施工组织、方式复杂，工序搭接干扰多；钢罩缺乏防腐、且防腐层在与排架进行分离时易破坏，容易在运行中水、气环境下发生锈蚀；其采用单层的闭气钢罩，单层的闭气钢罩在钢罩发生锈蚀后，其室内的高压气体容易从混凝土裂缝中漏到围岩中，导致漏气量增大。

现有申请号为201820709227，专利名称为《一种气垫式调压室的罩体结构》，其公开了一种采用抗疲劳、耐老化、抗撕裂的内衬层的气垫式调压室的罩体结构；但其采用单层的、与钢筋混凝土外壳通过粘合剂粘贴的内衬芯层(尼龙布或橡胶板)作为柔性罩体闭气结构对粘合剂、内芯材料的性能要求较高，选择不当或保护不当容易造成缺陷，高压气体容易从芯层、混凝土裂缝中漏到围岩中，导致漏气量增大。

现有申请号为200620034778，专利名称为《罩式气垫式调压室》，其公开了一种利用高压空气形成气垫来抑制水位高度和水位波动幅值的罩式气垫式调压室；该种型式闭气“钢罩”在施工期作为混凝土浇筑的模板，需在钢罩内侧安装支撑钢罩(模板)浇筑混凝土的排架，并与钢罩有效固定，混凝土浇筑完毕还需将排架和钢罩分离，施工组织、方式复杂，工序搭接干扰多；钢罩缺乏防腐、且防腐层在与排架进行分离时易破坏，容易在运行中水、气环境下发生锈蚀；单层的闭气钢罩在钢罩发生锈蚀后，其室内的高压气体容易从混凝土裂缝中漏到围岩中，导致漏气量增大。

因此，亟需研发一种施工组织、方式简单，闭气效果更好的气垫式调压室。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种具有双层闭气结构的气垫式调压室，闭气效果好，既具有罩式闭气的优点，又能弥补罩式闭气产生施工缺陷影响闭气效果的缺点；本发明设于钢筋混凝土衬砌内侧的钢衬在施工时采用后置方式，即将钢衬在工厂分片焊接加工后，再将钢衬放置在钢筋混凝土衬砌内侧，通过连接杆和钢板凳固定在钢筋混凝土衬砌上，钢衬与钢筋混凝土衬砌之间留有一定距离，施工工序互不干扰，方便灵活。

本发明的第二目的是为了提供所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法，操作简便，闭气效果较好。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种具有双层闭气结构的气垫式调压室，包括钢筋混凝土衬砌、气室和排水孔，其特征在于：设有二层防漏气结构，分别为第一层防漏气结构和第二层防漏气结构；

所述第一层防漏气结构由钢衬和所述水垫层组成；

所述第二层防漏气结构由所述水垫层和水层组成；

所述钢衬固定连接在所述钢筋混凝土衬砌内侧、且与所述钢筋混凝土衬砌呈分离设置；

所述水垫层设于所述钢筋混凝土衬砌下部。

在上述技术方案中，所述气室为所述水垫层和所述钢衬围成的空间；

所述钢衬呈倒U形结构、且开口端插入水垫层以下的深度大于或等于1.5m。

在上述技术方案中，有空腔设于所述钢衬、所述钢筋混凝土衬砌与所述水垫层之间；

当所述气室加压充气后，所述水层填充在所述空腔内。

在上述技术方案中，所述排水孔预埋在所述钢筋混凝土衬砌内、且钻进所述钢筋混凝土衬砌的围岩内的深度为3m～5m。

在上述技术方案中，所述钢衬由多片钢板片焊接而成；

所述钢板片上设有肋板和钢套筒；

所述肋板有多根；所述钢套筒有多个；

所述钢套筒固定在二个所述肋板的连接处。

在上述技术方案中，有钢板凳预埋在所述钢筋混凝土衬砌内；

有连接杆与所述钢板凳焊接连接；

所述钢套筒套在所述连接杆上、且与所述连接杆焊接连接。

在上述技术方案中，所述钢衬、钢板凳及连接杆上均设有防腐层。为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：向气室内充气，第一层防漏气结构内的压强增加、与空腔形成压差；

步骤二：压差将水垫层中的水压入空腔，水垫层中的水沿空腔向上运动、直至将空腔内的残余空气驱赶、吸收，形成闭气的水层。

在上述技术方案中，所述排水孔一端与所述空腔连通。

本发明具有如下优点：

(1)本发明由于采用了双层闭气结构的技术方案，利用第一层防漏气结构作为封闭气室高压空气的首要手段，第二层防漏气结构在第一层防漏气结构长期运行过程中、局部产生缺陷漏气后能继续作为封闭气室高压空气的结构，闭气效果较好；本发明为具有良好闭气特性的双层闭气结构，既具有罩式闭气的优点，又能克服单一罩式闭气产生的施工、罩体缺陷影响闭气效果的缺点，且施工方便灵活；能避免高压空气的渗漏带来的风险，降低电站运行中的补气频率，从而降低运行维护成本；

(2)本发明解决了在地质条件满足要求的情况下，高水头电站中设置气垫式调压室闭气的技术难题；本发明有利于减少地表开挖，使建筑物布置更加灵活，符合环保要求；本发明适宜于岩石闭气条件一般的地质条件而采用的气垫式调压室，使在围岩闭气性一般的地下，采用气垫式调压室成为可能，使气垫式调压室的具备扩大应用范围的可能性，扩大气垫式调压室的应用范围；

(3)本发明第二层防漏气结构在检修时形成的连续的空腔作为钢筋混凝土衬砌与钢衬之间通畅的排水通道，避免钢衬承受高水头的外水作用失稳；

(4)本发明施工组织、方式简单，工序搭接干扰少、闭气效果好；

(5)本发明设于钢筋混凝土衬砌内侧的钢衬在施工时采用后置方式，即将钢衬在工厂分片焊接加工后，再将钢衬放置在钢筋混凝土衬砌内侧，通过连接杆和钢板凳固定在钢筋混凝土衬砌上，钢衬与钢筋混凝土衬砌之间留有一定距离，施工方便、灵活；本发明钢板片上设有肋板，所述钢板片与肋板通过焊接形成刚度较大的肋板结构，不易变形，利于运输与安装；

(6)本发明钢衬、钢板凳及连接杆等金属结构上均做防腐处理，防止钢衬等钢结构由于长期接触高压气体、水体引起的腐蚀情况。

附图说明

图1为本发明的平面布置图。

图2为本发明的剖面布置图。

图3为本发明主视结构示意图。

图4为图3的A处放大图。

图5为图4的A-A向视图。

图6为图5的B处放大图。

图7为本发明钢板凳结构示意图。

图4、图5、图6中表示有焊接符号，焊接符号的箭头指向被焊焊缝。

图中1-引水隧洞,2-连接隧道,3-气室,4-钢衬,4.1-钢板片,5-水垫层,6-肋板,7-排水孔,8-钢筋混凝土衬砌,9-钢套筒,10-钢板凳,11-连接杆,12-防漏气结构,12.1-第一层防漏气结构,12.2-第二层防漏气结构,13-空腔,14-水层。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：一种具有双层闭气结构的气垫式调压室，包括钢筋混凝土衬砌8、气室3、排水孔7，气室3的四周在地下岩石中开挖形成，地下洞室通过锚杆、喷混凝土等手段保持稳定后，浇筑钢筋混凝土衬砌8；

设有二层防漏气结构12，分别为第一层防漏气结构12.1和第二层防漏气结构12.2；通过设置双层防漏结构，进一步防止在大面积钢衬4焊接过程中局部产生或长期暴露在高压气体、水体内而产生的锈蚀缺陷导致的气体外漏的情况；闭气效果好；

所述第一层防漏气结构12.1由钢衬4和所述水垫层5组成；第一层防漏气结构12.1为闭气的首要手段；

所述第二层防漏气结构12.2由所述水垫层5和水层14组成(如图2、图3所示)；所述第二层防漏气结构12.2的空腔13在加压充气运行前，有空气充填在空腔13内；

第二层防漏气结构12.2的空腔13在加压充气运行后，水垫层5中的水沿空腔13向上运动、直至将空腔13内的残余空气驱赶、吸收，形成闭气的水层14，作为第二层闭气结构，增强闭气效果；

第二层防漏气结构12.2也可在检修时作为钢筋混凝土衬砌与钢衬之间通畅的排水通道，避免钢衬承受高水头的外水作用失稳；

所述钢衬4固定连接于所述钢筋混凝土衬砌8内侧、且与所述钢筋混凝土衬砌8呈分离设置(如图2、图3、图4所示)；钢衬4与混凝土衬砌8之间预留一定间隙，当向气室3内充气时，水垫层5的水会沿钢衬4与混凝土衬砌8之间的空腔向上运动、并将空腔内的残余空气驱赶、吸收，直至在钢衬4和混凝土衬砌8之间形成闭气的水层14，水层14和水垫层5共同作为第二道闭气结构，第二层防漏气结构在第一层防漏气结构长期运行过程中、局部产生缺陷漏气后能继续作为封闭气室高压空气的结构，增强闭气效果；

所述水垫层5设于所述钢筋混凝土衬砌8下部(如图2、图3所示)；水垫层5为第一层防漏气结构12.1和第二层防漏气结构12.2的组成部分，且为形成水层14提供水流条件。

进一步地，所述气室3为所述水垫层5和所述钢衬4围成的空间；第一层防漏气结构12.1由钢衬4和水垫层5构成；向气室3内充气，第一层防漏气结构12.1内的压强增加，与第二层防漏气结构12.2的空腔13形成压差，压差将水垫层5中的水压入第二层防漏气结构12.2的空腔13，直至将第二层防漏气结构12.2的空腔13内的残余空气驱赶、吸收，形成闭气的水层14(如图2、图3所示)；

所述气室3与引水隧洞1通过连接隧道2连通(如图1、图2、图3所示)；连接隧道2将引水隧洞1中的水引入气室3，作为水垫层5，为第一层防漏气结构12.1和第二层防漏气结构12.2形成水层提供水流条件；

所述钢衬4呈倒U形结构、且开口端插入水垫层5以下的深度大于或等于1.5m；钢衬4和水垫层5形成第一层防漏气结构12.1(如图2、图3所示)，保证本发明的密闭性。

进一步地，有空腔13设于所述钢衬4、所述钢筋混凝土衬砌8与所述水垫层5之间；当所述气室3加压充气前，有空气填充在所述空腔13内；

当所述气室3加压充气后，所述水层14填充在所述空腔13内(如图2、3、图4所示)，形成闭气的水层14，与水垫层5联合，共同作为第二道闭气结构，第二层防漏气结构在第一层防漏气结构长期运行过程中、局部产生缺陷漏气后能继续作为封闭气室高压空气的结构，增强闭气效果。

进一步地，所述排水孔7预埋在所述钢筋混凝土衬砌8内、且钻进所述钢筋混凝土衬砌8的围岩内的深度为3m～5m(如图2、图3、图4所示)；水轮机组在增加负荷或丢弃负荷的时候，钢筋混凝土衬砌内外会产生压力差，一端与封闭水体连通，一段钻入基岩的水平、垂直方向有一定间距的点阵状排水孔7可以起到平衡或减小钢筋混凝土内外压差的作用，在气垫式调压室放空检修时，围岩内的地下水可以通过排水孔到达第二层防漏气结构12.2内的空腔，然后经第二层防漏气结构12.2的空腔排到气室3底部，再通过连接隧洞2排入引水隧洞1，这样可使钢筋混凝土衬砌8在各种工况下均承受较小的荷载。

进一步地，所述钢衬4由多片钢板片4.1焊接而成(如图5、图6所示)；

所述钢板片4.1上设有肋板6和钢套筒9；钢板片4.1与肋板6通过焊接形成刚度较大的肋板结构(如图5、图6所示)；利于运输与安装；

所述肋板6有多根；所述钢套筒9有多个；

所述钢套筒9固定在二个所述肋板6的连接处(如图5、图6所示)；钢套筒9的孔口与每片钢衬(即钢板片4.1)之间均间采用焊接连成整体；设于钢筋混凝土衬砌内侧的钢衬在施工时采用后置方式，即将钢衬在工厂焊接加工呈整体后，再将钢衬置入钢筋混凝土衬砌内侧、通过钢板凳和连接杆固定于钢筋混凝土衬砌上，施工方便、灵活；施工组织、方式简单，工序搭接干扰少、闭气效果好。

进一步地，有钢板凳10预埋在所述钢筋混凝土衬砌8内；

有连接杆11与所述钢板凳10焊接连接；

所述钢套筒9套在所述连接杆11上、且与所述连接杆11和钢板片4.1焊接连接(如图4、图5、图6所示)；钢衬4通过钢套筒9与连接杆11焊接连接，使钢衬4与钢筋混凝土衬砌8之间的的空腔13连续通畅，用以形成第二层防漏气结构的水层14。

在混凝土达到龄期后，一定厚度的带肋钢板钢衬分片通过套筒套在连接杆11上，钢套筒9的孔口与每片钢衬(即钢板片4.1)之间均间采用焊接连成整体；形成封闭的倒U形结构插入水垫5以下一定深度，作为第一层防漏气结构。

再进一步地，所述钢衬4、钢板凳10及连接杆11上均设有防腐层、且在焊接处补涂防腐层；防止由于长期接触高压气体、水体引起的腐蚀情况。

参阅附图可知：所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法，包括如下步骤，

步骤一：向气室3内充气，第一层防漏气结构12.1内的压强增加，与第二层防漏气结构12.2的空腔13形成压差；

步骤二：压差将水垫层5中的水压入第二层防漏气结构12.2的空腔13，水垫层5中的水沿第二层防漏气结构12.2的空腔13向上运动、直至将第二层防漏气结构12.2的空腔13内的残余空气驱赶、吸收，形成闭气的水层14(如图2、图3、图4所示)。

进一步地，所述排水孔7一端向内伸出所述钢筋混凝土衬砌8、与所述第二层防漏气结构12.2的空腔13连通(如图2、图3、图4所示)；在所述气室3放空检修时，所述第二层防漏气结构12.2作为围岩地下水的排放通道；

如图2、图3、图4所示，水轮机组在增加负荷或丢弃负荷的时候，钢筋混凝土衬砌8内外会产生压力差；一端与封闭水体连通，一端钻入基岩的水平、垂直方向有一定间距的点阵状排水孔7可以起到平衡或减小钢筋混凝土内外压差的作用；

在所述气室3放空检修时，所述第二层防漏气结构12.2作为围岩地下水的排放通道；即，在本发明所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室15放空检修时，围岩内的地下水可以通过排水孔7到达空腔13，然后经空腔13排到气室3底部，再通过连接隧洞2排入尾水洞，这样可使钢筋混凝土衬砌8在各种工况下均承受较小的荷载。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室及其使用方法与现有技术的气垫式调压室相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本发明所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室及其使用方法与现有技术的气垫式调压室相比，施工组织、方式简单，闭气效果好，能适用于岩石闭气条件一般和较差的地质条件。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.一种具有双层闭气结构的气垫式调压室，包括钢筋混凝土衬砌(8)、气室(3)和排水孔(7)，其特征在于：设有二层防漏气结构(12)，分别为第一层防漏气结构(12.1)和第二层防漏气结构(12.2)；

所述第一层防漏气结构(12.1)由钢衬(4)和水垫层(5)组成；

所述第二层防漏气结构(12.2)由所述水垫层(5)和水层(14)组成；

所述钢衬(4)固定连接在所述钢筋混凝土衬砌(8)内侧、且与所述钢筋混凝土衬砌(8)呈分离设置；

所述水垫层(5)设于所述钢筋混凝土衬砌(8)下部；

所述钢衬(4)由多片钢板片(4.1)焊接而成；

所述钢板片(4.1)上设有肋板(6)和钢套筒(9)；

所述肋板(6)有多根；所述钢套筒(9)有多个；

所述钢套筒(9)固定在二个所述肋板(6)的连接处；

有钢板凳(10)预埋在所述钢筋混凝土衬砌(8)内；

有连接杆(11)与所述钢板凳(10)焊接连接；

所述钢套筒9套在所述连接杆(11)上、且与所述连接杆(11)焊接连接。

2.根据权利要求1所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室，其特征在于：所述气室(3)为所述水垫层(5)和所述钢衬(4)围成的空间；

所述钢衬(4)呈倒U形结构、且开口端插入水垫层(5)以下的深度大于或等于1.5m。

3.根据权利要求1或2所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室，其特征在于：有空腔(13)设于所述钢衬(4)、所述钢筋混凝土衬砌(8)与所述水垫层(5)之间；

当所述气室(3)加压充气后，所述水层(14)填充在所述空腔(13)内。

4.根据权利要求3所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室，其特征在于：所述排水孔(7)预埋在所述钢筋混凝土衬砌(8)内、且钻进所述钢筋混凝土衬砌(8)的围岩内的深度为3m～5m。

5.根据权利要求1所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室，其特征在于：所述钢衬(4)、钢板凳(10)及连接杆(11)上均设有防腐层。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：向气室(3)内充气，第一层防漏气结构(12.1)内的压强增加、与空腔(13)形成压差；

步骤二：压差将水垫层(5)中的水压入空腔(13)，水垫层(5)中的水沿空腔(13)向上运动、直至将空腔(13)内的残余空气驱赶、吸收，形成闭气的水层(14)。

7.根据权利要求6所述的具有双层闭气结构的气垫式调压室的使用方法，其特征在于：所述排水孔(7)一端与所述空腔(13)连通。