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【摘 要】 本文主要从水电站调压井发展趋势、调压室的作用、设计优化原则等进行了详细的阐述。
【关键词】 水电站;调压井;优化
一、前言
水电站调压井对工程整体的影响非常大，水电站规模的更大也对调压井的施工技术增加了难度和挑战。
二、水电站调压井工程发展趋势
随着我国水利事业的蓬勃发展，水电建设工程逐渐西移，越来越多的大型甚至超大型水利工程项目正处于规划、设计和建设之中。这些工程的特点是：工程规模巨大、枢纽建筑物多、坝址多位于高山峡谷之中，由于受地形及水力条件约束，在建和即将开发的很多大型水电工程开发方式为引水式，因此，今后将有不少大型调压井工程要建设，其工程规模越来越大，而且工程所处地质条件也相当复杂。因此，开展并总结调压井工程设计与关键施工技术研究是十分必要的。研究成果不仅对同类工程有重要的参考价值，也必将有力地推动我国调压井工程设计与施工技术进步。调压井的设计建造有下列特点：
1.水电站建设规模增大、引水隧洞增长，调压室的流量也相应增大;
2.伴随流量大、引水系统增长，调压室的内径也愈来愈大;
3.我国近年来大兴水利，水电建设迅猛发展，水利施工中常会碰到不良地质条件，调压室所处的地形地质条件日益复杂化;
4.随着结构设计技术的不断发展，在充分利用地质、地形条件与已开挖洞室的同时，调压室的布置与结构型式更为多样。国内外建成和在建的调压室结构样式呈现多样化发展，意大利的贝而德思（BardS）水电站带下室调压井，其下室呈螺旋形，头部与尾部都同竖井连接，前后高差有4.5米，下室采用.螺旋形，从而使得上下部之间形成了一个较大的坡度，非常有利于空气和水流的进出。
三、调压室的作用
水电站在运行过程中常常会遇到负荷突然变化的情况，例如因事故突然丢弃负荷，或在较短时间内启动机组，这时，由于导水叶的快速开启和关闭，将不可避免的在水电站有压引水管道中出现“水锤”现象。它是由水流的动能引起的，当管道末端流量急剧变化时，压力也随之变化。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则压力下降，导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳中引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
为了改善水锤现象，减小水锤压力在引水道中的传播，常在有压引水隧洞或有压引水管与压力管道衔接处建造调压室。在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，将有压引水系统分成两段：上游段为有压引水隧洞，调压室使隧洞基本上避免了水锤压力的影响;下游段为压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中的水锤值，改善了机组的运行条件。
四、设计优化原则
1.原有调压井的面积主要由两扇事故闸门的布置所控制，优化设计应在满足闸门布置和大波动稳定要求的前提下，用调整和改变调压井断面来减少调压井的面积，以达到节省工程投资和加快工程进度的目的。
2.改变调压井断面型式后必须满足水力学条件，并在最高、最低涌浪时不影响原布置的限定条件，能满足调节保证要求。
3.调压井断面型式改变后，须使调压井结构的应力、应变限制在设计允许范围内，并能满足施工、运行的要求。
4.根据地形地质和电站的总体布置要求，调压井顶部不允许溢流，避免影响电站厂房的安全。
5.要求结构简单，施工方便，不影响工程的工期。
6.如果适当处理调压井底部结构，使井筒底部结构的整体刚度加大，接近固端边界条件，则优化后井筒的结构应力将减少很多。
7.施工期应力分析。调压井围岩构造应力已基本释放，所以地应力很小，施工开挖所引起的调压井壁和隧洞洞壁的附加应力（二次应力）也很小。施工期井壁的最大主应力在竖直方向，为拉应力，最大值为0.18MPa，最小主应力在水平方向，为压应力，沿井壁的拉应力随高度而减少，故施工期井筒开挖是安全的，其径向应力均为压应力，开挖中关键位置在底洞扩大断面。
五、调压井的开挖施工技术
某水电站为引水式日调节水电站，其主要任务为发电，电站总装机容量56MW，主厂房共设置三台混流式水轮发电机组，其中两台容量为23MW，一台为10MW;电站保证出力10.2MW，装机年利用3805小时。该水电站有效改善了当地的电网结构，缓解用电紧张的局面，一般情况下电站承担系统基荷，如果不在汛期也承担系统峰荷，水库按照日调节的方式运行。
1.在本工程中，调压井的围岩主要是碎石土与砂砾石，按照常规的施工方法需要采用大开挖的方案，这种方法便于施工，不过工程量相对较大，特别是本水电站调压井的最小埋深也有41.5m，因此不适用大开挖的方案。如果采用竖井开挖的方法，需要投入较强的一次超强支护，不过与开挖方案相比，这种施工方法的工程总量、总投资还是相对较低，所以竖井方案的优势相对较大。不过由于该调压井处于碎石土及砂砾石围岩，并且需要开挖的高度达到了41.5m，因此要对具体的施工方案再进行论证。如果施工过程中可以保证一次开挖支护设计方案的稳定性，并能保证施工质量及安全性，则竖井施工方案的可行性就比较高。经过分析后最终决定采用竖井一次支护方案进行施工。
2.为提高井壁口的稳定性，竖井顶部设置一道C20钢筋混凝土锁口圈梁;井身也要喷射200mm厚的C20混凝土，紧贴岩面的位置要设置重型工字钢拱架，间距设置半米左右，工字钢之间的连接采用钢筋焊接的方法，全断面喷层中部也要挂设钢筋网;还要在全断面采用菱形布置的方案设置系统长锚杆，锚杆长为4-5m，直径22mm，间距为0.5m，一共34根。不过需要注意一点，在砂砾石围岩中设置系统长锚杆可能会降低锚杆的支护效果，这种情况下锚杆只是起到固定钢拱架的作用，因此要增加注浆钢管，采用梅花形设置，注浆钢管的长度为6m，直径为42mm，注浆扩散到岩体中，可以将松散的岩体固结起来，使得锚杆、锚管、钢拱架等结构连接起来，大幅提升围岩的稳定性与整体性;要注意把注浆钢管、钢拱架焊接成一个整体，可以进一步保证施工质量。
3.水平洞段开挖施工工艺流程为：
（一）測量布孔→钻孔→装药连线→爆破通风→安全处理→出渣→地质素描→初喷混凝土及锚杆施工→清底，通过以上流程循环进行完成水平洞段工程。
（二）调压竖井开挖包括导井和主井两部分，导井部分流程为：测量定位→浇混凝土机座→反井钻机就位→正向钻导向孔→安装扩孔钻头→反向扩孔;
（三）导井完工后，即可进入主井挖掘施工，其流程为：测量放样→钻孔→装药爆破→通风排烟→安全处理→出渣→喷锚支护/井底出渣，通过此流程循环进行完成调压竖井工程。
（四）施工支洞开挖支护的流程为：施工准备→造孔→爆破→排险→出渣，在交叉洞口位置进行锁口支护，锁口后按照循环流程采取全断面开挖，开挖成型后及时按要求进行喷锚支护施工。
（五）引水洞采用单作业面施工，采取、短进尺，弱爆破，强支护的施工手段，支护与开挖交替进行，采用钢拱架+锚固锚杆+喷混凝土+超前锚杆进行联合支护。
（六）调压上室及通气洞开挖过程中，为保证施工安全，须交替进行爆破作业并采取，超前支护，短进尺，弱爆破，强支护的施工手段，具体来说，调压室通气洞采用先导后扩的方法，调压上室及通气洞挖掘同步进行，开挖成型后及时按要求进行喷锚支护施工。
六、结束语
水电站调压井的施工应该根据周围具体地质情况作出相应调整，才能使水电站整体的安全系数得到提升。
参考文献：
[1]邹云鹤.调压井开挖过程有限元模拟及流体倒灌仿真分析.昆明理工大学.2012-01-01.
[2]刘国伟.水电站调压井围岩参数反分析及开挖稳定性仿真分析.四川大学.2005-05-01.
[3]陆雪萍.水电站调压井结构有限元分析.昆明理工大学.2011-05-01.
【关键词】 水电站;调压井;优化
一、前言
水电站调压井对工程整体的影响非常大，水电站规模的更大也对调压井的施工技术增加了难度和挑战。
二、水电站调压井工程发展趋势
随着我国水利事业的蓬勃发展，水电建设工程逐渐西移，越来越多的大型甚至超大型水利工程项目正处于规划、设计和建设之中。这些工程的特点是：工程规模巨大、枢纽建筑物多、坝址多位于高山峡谷之中，由于受地形及水力条件约束，在建和即将开发的很多大型水电工程开发方式为引水式，因此，今后将有不少大型调压井工程要建设，其工程规模越来越大，而且工程所处地质条件也相当复杂。因此，开展并总结调压井工程设计与关键施工技术研究是十分必要的。研究成果不仅对同类工程有重要的参考价值，也必将有力地推动我国调压井工程设计与施工技术进步。调压井的设计建造有下列特点：
1.水电站建设规模增大、引水隧洞增长，调压室的流量也相应增大;
2.伴随流量大、引水系统增长，调压室的内径也愈来愈大;
3.我国近年来大兴水利，水电建设迅猛发展，水利施工中常会碰到不良地质条件，调压室所处的地形地质条件日益复杂化;
4.随着结构设计技术的不断发展，在充分利用地质、地形条件与已开挖洞室的同时，调压室的布置与结构型式更为多样。国内外建成和在建的调压室结构样式呈现多样化发展，意大利的贝而德思（BardS）水电站带下室调压井，其下室呈螺旋形，头部与尾部都同竖井连接，前后高差有4.5米，下室采用.螺旋形，从而使得上下部之间形成了一个较大的坡度，非常有利于空气和水流的进出。
三、调压室的作用
水电站在运行过程中常常会遇到负荷突然变化的情况，例如因事故突然丢弃负荷，或在较短时间内启动机组，这时，由于导水叶的快速开启和关闭，将不可避免的在水电站有压引水管道中出现“水锤”现象。它是由水流的动能引起的，当管道末端流量急剧变化时，压力也随之变化。导叶关闭时，在压力管道和蜗壳中将引起压力上升，尾水管中则压力下降，导叶开启时则相反，将在压力管道和蜗壳中引起压力下降，而在尾水管中引起压力上升。
为了改善水锤现象，减小水锤压力在引水道中的传播，常在有压引水隧洞或有压引水管与压力管道衔接处建造调压室。在较长管道中设置调压室，缩短了管道长度，减小相长，可以缓和水击，减低水击压强。由于调压室利用扩大的断面和自由水面反射水锤波，将有压引水系统分成两段：上游段为有压引水隧洞，调压室使隧洞基本上避免了水锤压力的影响;下游段为压力管道，由于长度缩短了，从而降低了压力管道中的水锤值，改善了机组的运行条件。
四、设计优化原则
1.原有调压井的面积主要由两扇事故闸门的布置所控制，优化设计应在满足闸门布置和大波动稳定要求的前提下，用调整和改变调压井断面来减少调压井的面积，以达到节省工程投资和加快工程进度的目的。
2.改变调压井断面型式后必须满足水力学条件，并在最高、最低涌浪时不影响原布置的限定条件，能满足调节保证要求。
3.调压井断面型式改变后，须使调压井结构的应力、应变限制在设计允许范围内，并能满足施工、运行的要求。
4.根据地形地质和电站的总体布置要求，调压井顶部不允许溢流，避免影响电站厂房的安全。
5.要求结构简单，施工方便，不影响工程的工期。
6.如果适当处理调压井底部结构，使井筒底部结构的整体刚度加大，接近固端边界条件，则优化后井筒的结构应力将减少很多。
7.施工期应力分析。调压井围岩构造应力已基本释放，所以地应力很小，施工开挖所引起的调压井壁和隧洞洞壁的附加应力（二次应力）也很小。施工期井壁的最大主应力在竖直方向，为拉应力，最大值为0.18MPa，最小主应力在水平方向，为压应力，沿井壁的拉应力随高度而减少，故施工期井筒开挖是安全的，其径向应力均为压应力，开挖中关键位置在底洞扩大断面。
五、调压井的开挖施工技术
某水电站为引水式日调节水电站，其主要任务为发电，电站总装机容量56MW，主厂房共设置三台混流式水轮发电机组，其中两台容量为23MW，一台为10MW;电站保证出力10.2MW，装机年利用3805小时。该水电站有效改善了当地的电网结构，缓解用电紧张的局面，一般情况下电站承担系统基荷，如果不在汛期也承担系统峰荷，水库按照日调节的方式运行。
1.在本工程中，调压井的围岩主要是碎石土与砂砾石，按照常规的施工方法需要采用大开挖的方案，这种方法便于施工，不过工程量相对较大，特别是本水电站调压井的最小埋深也有41.5m，因此不适用大开挖的方案。如果采用竖井开挖的方法，需要投入较强的一次超强支护，不过与开挖方案相比，这种施工方法的工程总量、总投资还是相对较低，所以竖井方案的优势相对较大。不过由于该调压井处于碎石土及砂砾石围岩，并且需要开挖的高度达到了41.5m，因此要对具体的施工方案再进行论证。如果施工过程中可以保证一次开挖支护设计方案的稳定性，并能保证施工质量及安全性，则竖井施工方案的可行性就比较高。经过分析后最终决定采用竖井一次支护方案进行施工。
2.为提高井壁口的稳定性，竖井顶部设置一道C20钢筋混凝土锁口圈梁;井身也要喷射200mm厚的C20混凝土，紧贴岩面的位置要设置重型工字钢拱架，间距设置半米左右，工字钢之间的连接采用钢筋焊接的方法，全断面喷层中部也要挂设钢筋网;还要在全断面采用菱形布置的方案设置系统长锚杆，锚杆长为4-5m，直径22mm，间距为0.5m，一共34根。不过需要注意一点，在砂砾石围岩中设置系统长锚杆可能会降低锚杆的支护效果，这种情况下锚杆只是起到固定钢拱架的作用，因此要增加注浆钢管，采用梅花形设置，注浆钢管的长度为6m，直径为42mm，注浆扩散到岩体中，可以将松散的岩体固结起来，使得锚杆、锚管、钢拱架等结构连接起来，大幅提升围岩的稳定性与整体性;要注意把注浆钢管、钢拱架焊接成一个整体，可以进一步保证施工质量。
3.水平洞段开挖施工工艺流程为：
（一）測量布孔→钻孔→装药连线→爆破通风→安全处理→出渣→地质素描→初喷混凝土及锚杆施工→清底，通过以上流程循环进行完成水平洞段工程。
（二）调压竖井开挖包括导井和主井两部分，导井部分流程为：测量定位→浇混凝土机座→反井钻机就位→正向钻导向孔→安装扩孔钻头→反向扩孔;
（三）导井完工后，即可进入主井挖掘施工，其流程为：测量放样→钻孔→装药爆破→通风排烟→安全处理→出渣→喷锚支护/井底出渣，通过此流程循环进行完成调压竖井工程。
（四）施工支洞开挖支护的流程为：施工准备→造孔→爆破→排险→出渣，在交叉洞口位置进行锁口支护，锁口后按照循环流程采取全断面开挖，开挖成型后及时按要求进行喷锚支护施工。
（五）引水洞采用单作业面施工，采取、短进尺，弱爆破，强支护的施工手段，支护与开挖交替进行，采用钢拱架+锚固锚杆+喷混凝土+超前锚杆进行联合支护。
（六）调压上室及通气洞开挖过程中，为保证施工安全，须交替进行爆破作业并采取，超前支护，短进尺，弱爆破，强支护的施工手段，具体来说，调压室通气洞采用先导后扩的方法，调压上室及通气洞挖掘同步进行，开挖成型后及时按要求进行喷锚支护施工。
六、结束语
水电站调压井的施工应该根据周围具体地质情况作出相应调整，才能使水电站整体的安全系数得到提升。
参考文献：
[1]邹云鹤.调压井开挖过程有限元模拟及流体倒灌仿真分析.昆明理工大学.2012-01-01.
[2]刘国伟.水电站调压井围岩参数反分析及开挖稳定性仿真分析.四川大学.2005-05-01.
[3]陆雪萍.水电站调压井结构有限元分析.昆明理工大学.2011-05-01.