新疆亚曼苏水电站设置气垫式调压室可行性分析

作者：刘期勇 四川省尊龙凯时人生就是搏工程咨询有限公司

关键词：水电站，气垫式调压室 分析论证

1          研究范围

根据工程区地形、地貌，分别布置了低、中、高三条引水渠线，三个方案渠道起点和终点的位置相同，渠线方案间距分别为20m、30m，渠线基本与等高线平行布置。低线方案渠道基本以填方为主，需就近取土填筑；中线方案渠线位于低线方案上方30m左右，与低线基本平行布置，原则上为半挖半填，渠道挖方不能完全满足渠道及左侧防洪堤填筑方量要求，需就近取土填筑；高线方案渠线位于中线方案上方20m左右，与中线基本平行布置，除局部沟槽外，填方部位的渠内设计水位均应低于原地面，渠道的超高部分可由填方组成。高线方案比中线方案、低线方案投资更优。考虑填方渠道多因填筑压实等原因出现不均匀沉降和渗漏等问题，而挖方渠道则很少出现上述问题，采用高线挖方渠线方案是合适的。

推荐方案引水渠长25699km，渠线设计考虑渠道及坡面防洪堤填筑进行挖填平衡，以高线布置，以保障工程安全。根据设计概算，渠首、渠道及其附属建筑物投资约3.0亿元，单位长度造价1.17万元/m，可以优化的空间相对较小，鉴于时间有限，不纳入本次研究范围。本次主要为厂区枢纽建筑物，包括前池、压力管道、厂房及尾水渠道。

2          前期成果

本工程厂区地势较为平缓，地面坡度一般在1:10～1:20左右，压力管道较长，对工程投资较影响较大。可研阶段针对厂址进行了三个厂址方案的比选，其枢纽布置均为短压力管道，深挖厂房，填高前池。其中厂址三距亚曼苏活动断裂的距离大于5km，避开了亚曼苏活动断裂的直接影响，引水渠道和尾水渠道较短，尾水渠无须折弯转向上游，平面布置较为顺畅；引水渠道下部村庄较少，社会风险相对厂址一、厂址二较小。但因厂址区地形较缓，厂房挖深相对较深，地下水位高于厂房建基面34m，厂房基础施工困难较大。

鉴于工程处于高地震区，其距离断层相对较远，从安全性看，方案三无疑是最优的。

3          可研阶段方案存在的主要问题

目前枢纽布置方案，仅主副厂房+尾水渠的覆盖层开挖就达1275万m³，压力管道钢材1.8万t，开挖边坡高达100m，厂区地下水位1519m，施工期间需降水34m等。厂区枢纽工程量大、投资高、在8度地震工况下，覆盖层高边坡稳定问题突出，厂房埋深大，距离前池近，建设及运行期间风险大，施工困难，因此厂区枢纽布置是技施阶段重点研究的问题之一。

4          解决途径

主要矛盾：平缓戈壁滩(坡度一般在1:10～1:20)布置引水发电建筑物布置。

主要问题：压力管道升压过高，机组转速上升超标问题。

可研解决方法：高填筑前池(约20m)，深开挖厂房，以缩短压力管道长度；单机单管布置压力管道，增大管径，降低管内流速，以控制水流惯性时间常数；同时延长关机时间，增大机组GD²。

5          解决手段

常用技术手段：

①原始控制首段：a、缩短压力管道长度及降低流速，降低∑LiVi，以降低水流惯性时间常数Tw；提高机组GD²，增大Ta，以同时满足压力上升与转速上升要求；

               b、当不能同时满足压力、转速上升要求时，以转速上升为

②常规控制手段：在压力管道适宜位置设调压设施。

6          各技术手段优缺点分析

6.1            原始控制手段a分析 (降低Tw，增大Ta，同时满足压力、转速上升要求)

可研方案即为该技术路线的代表，为同时满足压力、转速上升要求，Tw/Ta=0.33，小于规范0.4要求，其主要参数见下表。考虑压力主管长1399m，挖掘该技术线路经济潜力，本次增加四机双主管方案(节约钢材约2800t)，主要参数见表1。

表1    原始控制手段a各方案主要技术经济参数表

存在问题：

(1) 覆盖层高边坡问题

(2) 厂房深埋地下，防洪较困难

(3) 距前池近，建设及运行风险大

(4) 地下水位高，降低地下水位深，施工排水困难。

6.2            原始手段b分析(当不能同时满足压力、转速上升要求时，以转速上升为控制条件)

该情况多发生在中、低水头，长管道电站上。放宽Tw/Ta=0.42，略大于规范0.4要求，为方便比较，将前池、厂房位置不动，仅加大管内流速至3.29~3.38m/s，初步计算可以节约钢材4300t，主要参数见表2。

 表2    原始控制手段b与可研方案主要技术经济参数对比表

存在问题：

(1) 覆盖层高边坡问题

(2) 厂房深埋地下，防洪较困难

(3) 距前池近，建设及运行风险大

(4) 地下水位高，降低地下水位深，施工排水困难

(5) 注意升压过高设计

6.3            常规技术手段分析(设置调压设施)

在地势陡峻的山区兴建气垫式调压室，可以解决兴建盘山道路带来的植被严重破坏、道路施工工期长、兴建困难等问题，但其带来引水隧洞高压问题，一般在引水隧洞沿线地质条件较差的工程中较少采用气垫式调压室方案。制约气垫式调压室发展的气垫式调压室的稳定面积相对于常规调压室大得多，挪威R.Svee教授对含气垫式调压室小波动稳定性进行了深入的研究，导出如下气垫式调压室临界稳定断面计算公式。

…………………………..….(1)

式中：m=，对于空气的恒温过程m=1，对于绝热过程m=1.4。

      p₀ —— 气垫式调压室的初始气压；

      l₀   —— 气垫式调压室的初始气室高度；

      A_th            —— 托马稳定断面。

研究表明，气垫式调压室并不适合于上库水位变幅较大的水电站，如挪威Saurdal水电站原拟采用气垫式调压室，后经计算论证改用竖井式调压井。气垫式调压室用于尾水调压室的适应性也较差，因为尾水调压室一般具有水头低、流量大、稳定断面大、水位相对变幅较大等特点。

针对亚曼苏水电站工程地形地质条件特点，设置气垫式调压室方案不能将气垫式调压室布置在山体内，因此气垫式调压室不仅需要解决气密性及渗漏问题，而且需要解决结构受力及基础承载问题，因此需要采用气密性好强度高的材料，一般用钢制压力容器，将水、气体封闭形成“气垫”，形成所谓“钢构式”，一般俗称钢构式气垫式调压室。

亚曼苏电站厂区枢纽布置在平缓的山前冲洪积上平原上，采用长无压引水，前池水位变化小，电站水头相对较高，最大净水头204，电站设计引用流量140m³/s及装机容量244MW适中，若按一管两机，两台机组为一个发电单元，气垫式调压室的稳定气室体积在3000m³～4000m³；若按单机单管布置压力管道，气垫式调压室的稳定气室体积在2000m³～3000m³。

目前，国内设置钢构式气垫式调压室的大干沟水电站，装机容量2X10MW，额定水头70m，额定转速428.6r/min，采用钢构式圆筒式罐气垫式调压室。压力钢管内径3.2m，主抗孔直径2.5m，孔高2.2m，钢构式圆筒式罐内径10m，净高14m，钢板厚18mm，材质16MnR，钢构式的外包50cm厚保温混凝土。气垫式调压室供气设备采用2台空压机和1个储气罐，补气间隔大概为半个月1次，每次补气约1个小时。运行时气垫式调压室内水深在2.5～8.5m左右，一般波动较小。2014年12月，出现极寒天气，连续10天温度低于-20℃，据观察气垫式调压室内没有出现冰冻现象，2015年1月现场调研了解，该工程至2000年开始发电至今运行良好，运行14年，只是每次钢管检查有人进入气垫式调压室下部目测观察，从未对气垫式调压室进行过专门检查，目前工作正常。现场发现气垫式调压室现地许多气压及水压表压力读数均失灵，电厂介绍，气垫式调压室水位及压力是通过传感器传至中控室，由于气垫式调压室运行太正常，没有出现过一次事故，基本无人去检修及矫正现地表盘。

南山口二级建设单位为青海格尔木庆成电力投资有限公司，设计单位为青海黄河水利水电设计咨询有限公司。电站工程自2010年4月开工建设，于2011年12月基本完工。电站由于水头低(额定水头68.5m)、压力引水道长达10.5km(内径3.5km的引水管长10.3km，内径3.8m的压力管道长200m)，电站引用流量35m³/s。其稳定气室体积约14000m³，沿引水道串联设置三个内径17m，净高27.5m的圆筒式罐钢构式气垫式调压室，工程自2012年发电以来，运行良好，正常运行时气垫式调压室内水深约5m。气垫式调压室供气设备采用2台空压机和1个储气罐，补气间隔大概为一个月1次，每次补气约1个小时。

大干沟水电站并入电网运行14年及南山口二级水电站孤网运行成功经验表明，设置钢构式气垫式调压室在水力学理论上是成功，能解决长有压引水带来的电站调保问题。

钢构式气垫式调压室主要问题在气室的选型上，理论研究表明，球罐与圆筒式罐相比，在相同直径情况下，球罐壁内应力是圆筒式罐的一半，而且受力更加均匀。因此其广泛应用与石油炼制工业、石油化工、冶金、城市燃气等行业。20世纪40年代初，随着焊接技术逐渐趋向成熟，以及适合焊接的新钢种的不断开发，球罐的制造技术上得到了很大发展。如美国在1941年、前苏联在1944年、日本于1955年、前西德于1958年分别制造了一批压力较高、容量较大的焊接球罐。20世纪60年代至今，随着世界各国综合国力和科技水平的大幅度提高，形成了球罐制造水平的高速发展期。以日本为例，60年代前单个液化气球罐的容积均在2000m³以下，而目前已具备生产单个容积在20000m³以上液化气球罐的能力。同时，西德已有生产容积为43300m³以上球罐的能力，法国也有容积为87000m³球罐的制造经验，同时美国还建造了一台容量3400m³、设计温度为-250℃的超低温液氢球罐。此外许多工业先进国家还进行了双重壳低温球罐、深冷球罐及运输液化天然气的深冷大型船用球罐的试验研究，并已投入批量生产。我国制造球罐始于20世纪60年代初。但随着国民经济的高速发展和改革开放的需要，近年来球罐的制造技术已得到了飞速发展。目前国内已独立制造或引进了不同规格和用途的球罐多台套，其最大容积已超过10000m³，最大压力超过3MPa。

目前，球罐设计、制造技术基本成熟，包括各种用于低温存储的低温钢材料、大型储罐用高强钢冶炼技术都很成熟。国内球罐设计标准：GB12337《钢制球形储罐》从最初的GB12337-1990 版到后来GB12337-1998版，目前GB12337-2014版已经升版完成。有成熟的设计标准。国内球罐从50m³到10000m³已制定有系列规格，见标准GB/T17261-2011《钢制球形储罐型式与基本参数》。在设计方面，国内各大化工行业方面的工程公司也都有比较丰富的设计经验。在制造方面，国内也有一大批具有球罐方面从压片、现场组装、热处理、探伤检验、试验等成熟经验的公司。

球罐技术的发展，为亚曼苏水电站采用气垫式调压室方案结构设计奠定了基础。挪威、四川、青海等地气垫式调压室运行成功经验表明，气垫式调压室设计理论是成熟，球罐作为性能优越的刚体结构完全能适应亚曼苏水电站工程技术特点。因此，进行亚曼苏水电站球形钢构式气垫式调压室专题研究是必要的。

7          气垫式调压室方案设计

7.1            枢纽布置格局拟定

亚曼苏水电站厂区枢纽位于山前冲洪积倾斜平原，尾水渠地处山前冲洪积倾斜平原尾部及托什干河二级阶地，工程区地势总体由西北向东南倾斜，压力前池地面高程1667～1677m，尾水渠出口处托什干河高程约1492m。厂址区地层为第四系堆积物(从老至新)：第①层，下～中更新统冰水堆积半胶结砾岩(Q_1-2gl)，地基承载力0.50～0.60MPa，压缩模量50～60MPa，属强～中等透水性，渗透系数建议值为1.0×10^-2cm/s～8.0×10^-3cm/s。第②层，第四系上更新统冲洪积(Q₃1al+pl)砂卵砾石，为密实状态，地基承载力0.45～0.50MPa，压缩模量25～30MPa，属强～中等透水性，渗透系数建议值为2.0×10^-2cm/s～9.0×10^-3cm/s；第③层，全新统冲洪积砂卵砾石(Q₄^al+pl)。尾水渠中、下游渠段均发育有低液限粘土，低液限粘土属湿陷性强烈，其中上覆有低液限粘土部位地下水均具承压性。厂址区地下水丰富，在托什干河主河槽附近地下水位埋深0～2m，自主河槽向两岸埋深逐渐加大。据厂址区钻孔揭露，地下水位高程1516.92m(ZK8)～1518.68m(ZK7)，埋深52.15m～61.60m，厂房建基面高程约1485m，均低于地下水位。

根据地形地质条件特点，鉴于工程区覆盖层成洞困难，地基渗透性强及地下水位较高等因素，本次研究不考虑压力管道、尾水渠布置为地下埋藏式，也不采用有压尾水洞设尾水调压室方案。研究的枢纽布置为可研审定厂区枢纽布置格局：地面压力前池、地面压力钢管、地面厂房、无压开敞式尾水明渠。

7.2            总体思路

在审定的可行性研究阶段枢纽总体布置格局不变条件下，通过对在压力管道设置气垫式调压室多方案研究，以论证在压力管道设置气垫式调压室的技术经济合理性。

7.3            方案初拟原则

为便于比较，本次专题研究方案初拟原则如下：

(1) 渠首工程、引水渠系统建筑物，包括进水闸、引水渠道、事故退水闸、事故退水渠、壅水闸、排冰闸等建筑物布置及所有参数维持可研成果不变，在方案比选中不纳入比较；

(2) 可研审定的压力前池位置不变、型式结构不变，尺寸基本不变；

(3) 从经济及工程运行安全方面综合考虑，压力管道仍然维持可研推荐明钢管+包管方案，压力管道外包混凝土在缓坡与陡坡段采用不同外包厚度的原则及尺寸不变，管道管沟开挖坡比及回填上覆厚度不变；

(4) 主副厂房、尾水渠道等马道高程及开挖坡比不变；

(5) 尾水渠道尺寸及采用纵坡1‰等不变；

(6) 调节保证要求不变，根据接入系统特点，维持可研审定的调节保证要求值：最大转速升高率βmax不超过60%，蜗壳最大压力上升率ξmax不超过30%，尾水管真空度不大于(8-Ñ/900)=6.33m水柱(Ñ为设计尾水位)，调节保证计算结果宜适当留有余量。

7.4            气垫式调压室代表性厂房位置比选

可研阶段亚曼苏水电站厂房位于山前冲洪积平原上，地面中心高程约1575.00m，厂房及尾水渠开挖量大，边坡开挖高度100m，鉴于工程地处区域构造稳定性较差地区，边坡失稳的风险较大，设置气垫式调压室方案可以有效地降低边坡失稳风险。设置气垫式调压室后，可以解决调保问题，将压力管道延长，避免高边坡及巨量弃渣堆存，因此初拟将可研厂址作为最靠坡体内侧方案，为方便比较称为厂房位置方案1。在此基础上，为发挥设置调压室优势，将厂房沿坡体下移至坡脚附近，靠近乡村防洪堤，地面高程1544m位置，以减少开挖降低坡高，通过现场综合踏勘，初拟厂房外移750m，称为厂房位置方案2。为进一步降低坡高，初拟将厂房位置进一步外移至现有的乡村防洪堤内侧，耕地与防洪堤之间的规划林地附近，地面高程1525.5m，称为厂房位置方案3。

(1) 厂房位置方案1

鉴于原可研方案压力管道采用4机组4管，管径大，管内设计流速低，压力管道设计不经济，因此，本方案在原可研厂房位置，采用4机2管方案，且将管道内流速加大到经济流速(4.1m/s)，设置气垫式调压室。其涉及主要水工建筑有压力管道、气垫式调压室、厂房及尾水渠。

气垫式调压室布置在压力管道中后段，大、小主管均在桩号0+840.00m设置气垫式调压室。

气垫式调压室采用球罐型式，大小主管均各设置一个球罐。其内径18m，公称容积为3000m³，球罐与压力管道的连接管内径为3.2m。球罐中心高程为1630.50m，球罐基础顶面高程为1619.50m，压力管道中心高程为1614.55m；球罐内初始液面高度为6m，液面高程为1627.50m，球罐内初始压力为0.86MPa。球罐采用CF610钢板制造，球壳厚度为32mm，单个球壳总重约为313t。球壳顶部设置超压泄放装置(安全阀)，连接管管径为DN=200mm，并在在距离基础5m高处设置一个DN500的人孔，作为检修通道，球罐外部保温材料采用200mm厚的聚氨酯保温。

(2) 厂房位置方案2

厂房位置向较可研厂房位置向坡体外出移出750m，采用两条压力主管。气垫式调压室布置在压力管道中后段，在大、小主管1+570.000m处，分别设置两个相同的球罐式气垫式调压室。

球罐内直径为21.2m，公称容积为5000m³，球罐与压力管道的连接管内径为3.2m。球罐中心高程为1593.0m，球罐基础顶面高程为1580.40m，压力管道中心高程为1574.95m；球罐内初始液面高度为7m，液面高程为1589.40m，球罐内初始压力约为1.23MPa。

(3) 厂房位置方案3

厂房位置向较可研厂房位置向坡体外出移出1500m，采用两条压力主管。

气垫式调压室布置在压力管道中后段，大、小主管均在2+300.00m处及2+350.00m，均各设置两个内径20.0m球罐式气垫式调压室。球罐与压力管道的连接管内径为3.2m。球罐中心高程为1555.50m，球罐基础顶面高程为1544.50m，压力管道中心高程为1539.00m；球罐内初始液面高度为7m，液面高程为1552.50m，球罐内初始压力约为1.61MPa。

（4）厂房位置比选

各厂房位置技术经济比选见表3。

表3    厂房位置各方案技术经济比较表

从表3可见：

① 随着厂房位置的外移，压力管道长度增加，水头损失逐渐增大，从5.03m增加至6.27m；

② 随着厂房位置的外移，气垫式调压室设计压力逐渐增大，从1.26MPa增加至2.06MPa，稳定气室体积从2500m³增加至7800m³，球罐设计难度逐渐增加。至方案3位置时，考虑球罐的壁厚问题，采用两个球罐内径20m的球罐，其壁厚仍50mm左右。

③ 随着厂房位置的外移，覆盖层开挖量(管道+调压室+厂房+尾水)(巨大减少，从13252944万m³减少至3229459万m³，厂房永久边坡从78m降低至21.7m，工程边坡失稳风险逐渐减少。

④ 鉴于厂房位置外移，压力管道及调压室投资增加而厂房及尾水渠道的投资减少，方案3位置其直接投资最大为56500.97万元；方案1投资其次为54049.19万元；在方案2位置其直接投资最小为52156.71万元。

⑤ 随着厂房位置的外移，电站额定水头从201m减少至198.6m，在引用流量相同的前提下，装机容量逐渐减小，从241MW减少238MW，多年平均发电量从7.930亿kW.h减少至7.845亿kW.h。厂房位置方案2与厂房位置方案3比较，减少投资4344.26万元，增加多年平均发电量530万kW.h，增量是合理的。厂房位置方案1与厂房位置方案2比较，增加投资1892.48万元，增加多年平均发电量320万kW.h，方案间增加单位电度直接投资为5.91元/kW•h，高于电自身的单位电度静态投资约2.27元/kW•h/1.92元/kW•h(近期/远期)，增量是非常不合理。

综合上所述，从降低工程边坡失稳风险，尽可能避免高边坡及巨量弃渣堆存问题，推荐技术经济条件相对最优的厂房位置方案2作为推荐厂房位置。

7.5            气垫式调压室型式比选

国内已建的气垫式调压室大多数布置在山体内，围岩承担全部内水压力，为解决气垫式调压室气密性及渗漏问题采用两层混凝土中间“夹”钢板的衬砌型式，钢板不承受内水压力及外侧围岩压力，对衬砌断面型式要求低，多为方便开挖采用城门洞形的长廊式布置。亚曼苏水电站位于戈壁滩上，厂房后坡地形坡度约为1:19，且覆盖层深厚，不能将气垫式调压室设置在山体内，气垫式不仅需要解决气密性及渗漏问题，而且需要承受内水、内气体压力及外部气压，因此对于体型要求较严格。青海大干沟水电站作为国内第一个气垫式调压室采用是受力条件相对较好的钢构式圆筒式罐气垫式，耸立在戈壁滩上，2000年运行以来，运行良好。考虑本电站水头较高、引用流量及装机容量相对较大，对受力条件较好的圆筒式罐与球罐两体形进行了技术经济比较。

(1) 方案初拟

通过对厂房位置及压力管道数量比较，采用厂房位置方案2及4机2管的管道布置，本次气垫式调压室型式比较主要针对2台大机组对应的大主管(管径5.0m)进行，小主管亦然。

采用相同气室常数C₀值(46×10⁴m⁴)初拟球罐式钢构式气垫式调压室与圆筒罐式钢构式气垫式尺寸如下：

① 球罐式钢构式气垫式：内径21.2m，气室水深7.0m，球罐中心高程1593.00m，球罐基础顶面高程为1579.90m，压力管道中心高程为1574.95m；球罐内初始液面高度为7m，液面高程为1589.40m，球罐内初始压力为1.23MPa。

② 圆筒罐式钢构式气垫式：若鉴于圆筒受力条件相对较差，在球罐内初始压力1.23MPa下，气室体积3740m³。若采用内径10.6m圆筒式罐水平放置，管内水深5m，需要圆筒式罐长76.47m。若将内径10.6m圆筒式罐竖直放置，罐内水深5m，圆筒式罐将高65.4m；若设置两个内径10.6m圆筒式罐竖直放置，罐内水深5m，单个圆筒式罐高28.00；若设置3个内径10.6m圆筒式罐竖直放置，罐内水深5m，单个圆筒式罐高21.00m。考虑工程区地震烈度较高，圆筒不宜过高，且设置3个圆筒式罐竖直放置的工程量与水平放置的工程量略小，且无支撑结构。故采用3个高21m的圆筒式罐竖直放置与球罐相比较，择优推荐。

插图1    圆筒式罐调压室布置示意图

(2) 调保及结构计算

考虑球罐调保计算具有一定的特殊性，我公司特委托四川大学水电学院及河海大学进行了水力过渡过程分析计算，其主要结论有：①球形气垫式调压室直径21.20m，电站引水系统小波动是稳定的，对水轮机调速器没有特殊要求，球内水位小波动衰减率22.79%。②电站两台机组同时丢弃全部额定负荷后的球形气垫式调压室最高涌波水位1591.44m，最低涌波水位1586.82m；球内最大水深9.04m，最小水深4.42m；球内气室最大绝对压力166.37m(大气压考虑8.0m)，最小绝对压力98.34m，气室压力变化幅值68.03m；③调压室底部钢管最大压力175.35m，最小压力102.71m。圆筒式罐的水力学计算与球罐在水力学计算中差别不大，球罐及圆筒罐罐内气室最大绝对压力本阶段暂以170m进行结构设计。

圆筒式罐结构应力按《压力管道设计规范》(DL/T5141-2001)中的结构理学弹性中心法计算，选取钢管壁厚时，在计算壁厚的基础上考虑至少2mm的防锈层。圆筒式罐采用CF610钢板制造，计算最大筒壁厚度为40mm。

球罐按公式(3)锅炉公式计算，选取钢管壁厚时，在计算壁厚的基础上考虑至少2mm的防锈层，球罐同样采用CF610钢板制造，计算球壳厚度为40mm。

球罐计算厚度：…………(3)

    P_C       —— 考虑最大液位高度的工作压力，最大液位高度12m，N/mm²；

    R_i        —— 球壳内半径，mm；

    K     —— 焊缝系数；

    S     —— 钢材许用应力，N/mm²，许用应力取为σb/2.4。

设计厚度：。

名义厚度：。

(3) 主要工程量

气垫式调压室型式比较工程量见表4。

表4    气垫式调压室型式比较工程量比较表

从表4可见：采用圆筒式罐无论混凝土量、钢材量、保温及防腐面积均大于球罐，因此，推荐采用球罐。

7.6            气垫式调压室球罐数量比选

采用相同气室常数C₀值(46×10⁴m⁴)初拟球罐数量方案如下。

①：采用一个球罐，内径21.2m，每个球罐与压力管道的连接管内径为3.2m，气室水深7.0m，球罐中心高程1593.00m，球罐基础顶面高程为1579.90m，压力管道中心高程为1574.95m；球罐内初始液面高度为7m，液面高程为1589.40m，球罐内初始压力为1.23MPa。球罐按锅炉公式计算，许用应力取为1/2.4，选取钢管壁厚时，在计算壁厚的基础上考虑至少2mm的防锈层，采用CF610钢板制造，计算球壳厚度为42mm。

②：采用二个球罐，直径均为18.0m，每个球罐与压力管道的连接管内径为3.2m。球罐中心高程为1590.90m，球罐基础顶面高程为1579.90m，压力管道中心高程为1574.45m；球罐内初始液面高度为6m，液面高程为1586.90m，球罐内初始压力约为1.23MPa。球罐均采用CF610钢板制造，计算球壳厚度为34mm，球壳总重约为355t。球罐数量工程量及直接投资比较见表5。

表5    球罐数量工程量及投资比较表

内径18m、21.2m两方案的设计、制造均属国内成熟的定型球罐，采用相同钢种设计制造，一个球罐方案和两个球罐球壳厚度分别为40mm、34mm，球壳的焊接均采用双面焊、焊前均需要预热出力、焊接后需要进行消应力处理，其施工难度基本相当。主要差别在直接投资上，一个球罐比较两个球罐更省，故推荐采用一个球罐方案。

7.7            气垫式调压室稳定气室体积初拟

气垫式调压室的稳定气体体积按如下公式进行：

………………………..(11)

式中：V₀              ——稳定气体体积，m³；

      V_th             —— 临界稳定气体体积，m³；

      m —— 理想气体多变指数，取m=1.0～1.4；

      P₀              —— 气室设计静态工况的室内气体绝对压力，以水头表示，m；

      Z_umax—— 发电运行的最高水库水位，m；

      Z_d               —— 与Z_umax相对应的发电运行的最高尾水位，m；

      α_min          —— 压力引水道水头损失系数，α_min=h_w0/v²，s²/m；

      h_w0            —— 压力引水道水头损失，m；

      L  —— 压力引水道长度，m；

      f   —— 压力引水道断面面积，m²；

      g  —— 重力加速度，m/s²；

气室设计静水位1589.40m，气室气体设计绝对压力123.75m，经计算，临界稳定气体体积V_th=3423.1m³，设计气体体积V₀=3717.7m³，稳定气体体积安全系数kV=1.02。

7.8            气垫式调压室水力学计算成果

本阶段我公司对额定水头196.6m，装机容量3×69MW+33MW方案进行了枢纽布置，选定4机2管方案进行压力管道布置，其中两台69MW机组共一条大主管，一台69MW机组与一台33MW机组共一条小主管。分析调保计算的控制情况为两台69MW机组共一条大主管，故委托了四川大学水电学院及河海大学水电学院进行气垫式调压室方案水力学计算。成果表明，设置的气垫式调压室在水力学计算上是可行的。

(1) 四川大学水电学院主要成果

① 推荐方案球形气垫式调压室直径21.20m，电站引水系统小波动是稳定的，对水轮机调速器没有特殊要求，球内水位小波动衰减率22.79%。

② 电站两台机组同时丢弃全部额定负荷后的球形气垫式调压室最高涌波水位1591.44m，最低涌波水位1586.82m；球内最大水深9.04m，最小水深4.42m；球内气室最大绝对压力166.37m(大气压考虑8.0m)，最小绝对压力98.34m，气室压力变化幅值68.03m；调压室底部钢管最大压力175.35m，最小压力102.71m。

③ 电站一台机组丢弃额定负荷后的球形气垫式调压室最高涌波水位1590.56m，最低涌波水位1588.11m；球内最大水深8.16m，最小水深5.71m；球内气室最大绝对压力144.19m，最小绝对压力108.32m；调压室底部钢管最大压力152.30m，最小压力113.98m。

④ 电站一台机组额定负荷运行，另一台机组增负荷至额定功率，球形气垫式调压室最高涌波水位1589.79m，最低涌波水位1587.49m；球内最大水深7.39m，最小水深5.09m；球内气室最大绝对压力130.22m，最小绝对压力102.47m；调压室底部钢管最大压力137.56m，最小压力107.50m。

⑤ 电站两台机组连续增负荷至额定功率，球形气垫式调压室最高涌波水位1590.19m，最低涌波水位1586.19m；球内最大水深7.79m，最小水深3.79m；球内气室最大绝对压力136.66m，最小绝对压力92.70m；调压室底部钢管最大压力144.40m，最小压力96.43m。

(2) 河海大学水电学院主要成果

① 经比选计算，选定机组的导叶关闭规律为T_s=15s、t_m=2s、τ_m=0.74的两段直线关闭规律(滞动时间0.2s)，该关闭规律能保证电站主要控制参数在各种设计和校核工况下均能满足设计要求。

② 机组增荷时，导叶开启规律采用总有效开启时间为T_s=10s的一段直线开启规律，导叶开启情况不必考虑导叶滞动时间。

③ 计算结果表明，本电站机组即使在孤网中独立运行仍具有良好的小波动稳定性以及调节品质，机组运行的稳定性和调节品质均能够得到保证。

④ 大波动过渡过程计算结果表明，对于现设计方案(气垫式调压室直径为21.2m)以及本报告选定的各有关设计参数值，除两台机同时开机以及两台机全甩后其中一台在不利时刻开机的校核组合工况必须限制其发生外，其他各种工况的各主要参数的控制值均在规范允许的范围内，均能满足设计要求。

⑤ 为了避免“两台机同时开机以及两台机全甩后其中一台在不利时刻开机的校核组合工况”的发生，本电站必须在运行规程中规定“两台机开机的时间间隔应大于30s、两台机甩负荷后机组再次开机的时间间隔应大于90s”，由此即可确保本电站在各种工况下的安全运行。

⑥ 本电站两台大机组惯性时间常数均为T_a=7.5s，压力管道水流惯性时间常数T_w=1.4s(管路对称)。经试算(取T_y=0.3)，初步选定调速器参数为：T_n=0.7s，T_d=6s，b_t=0.5，b_p=0.0，则机组运行的稳定性和调节品质均能够得到保证。

7.9            调压室结构壁厚

对球罐式气垫式调压室整体委托合肥通用机械研究院进行设计及计算。

(1) 球壳厚度计算

根据球罐主要荷载(内水压力)计算管壁厚度。按“锅炉公式”计算。

PC——考虑最大液位高度的工作压力，最大液位高度12m，N/mm²；

Ri—— 球壳内半径，mm；

K—— 焊缝系数；

S—— 钢材许用应力，N/mm²；

根据相关压力容器规范，压力容器的材料的许用应力的计算原则为：1、K=σs/1.5，2、K=σb/2 .4，取两者的小值。选用材料为CF610，其屈服强度σs=490MPa，抗拉强度σb=610，σs/1.5=326.7MPa，σb/2.4=254.2MPa。选取参与计算的许用应力为K=254.2MPa，经计算，δ=35.86mm，在计算壁厚的基础上考虑至少2mm的防锈层，并考虑钢板的允许偏差2mm，本工程的气垫式调压室壁厚采用δ=40mm。

(2) 有限元分析

球壳内壁考虑2.0mm的腐蚀裕量，球壳内直径21204mm，球壳厚度取有效厚度37.7mm。考虑结构和受力(球罐壳体和支柱及拉杆结构重力、介质重力、介质压力)的对称性，可取半个球罐结构作为分析力学模型体(沿相对支柱对称面切开取其一半)。考虑保温层、附件、雪载荷及腐蚀层重量，将上半球球壳密度调整为9860kg/m³，将下半球球壳密度调整为9690kg/m³(钢结构材料密度7850kg/m³)。支柱下端按固支边界处理，约束了三个方向的位移，支柱对称面按对称边界处理，约束了边界面法向位移。选取球坐标系，球壳中心为坐标原点，一支柱对称面径向角θ=0º，另一相对支柱对称面径向角θ=180º。上极点纬度角φ=90º，下极点纬度角φ=-90º。球罐整体结构三维有限元分析力学模型和网络划分如图4-2，球壳及下部进出水管六面体20节点(SOLID186)单元数为62880，上、下支柱、托板和耳板用四边形8节点(SHELL281)单元模拟，单元数为41748，拉杆用LINK180单元模拟，单元数为12，球罐整体结构有限元模型网格节点数为507177。

计算结果表明：

1) 在设计工况①，球壳上极点内壁压力1.6MPa，下部进出水口接管端部内壁压力1.73MPa。球壳的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=352.2MPa，许用极限为381MPa，位置在支柱与球壳连接处下部稍向上位置的球壳外壁；进出水口凸缘的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=292.2MPa，许用极限为306.3MPa，位置在凸缘与球壳连接处；均满足要求。

2) 在设计工况②，球壳内壁压力均为1.6MPa，罐内充满压缩空气。球壳的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=310.8MPa，许用极限为381MPa，位置在支柱盖与球壳连接顶部的球壳外壁；进出水口凸缘的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=260.1MPa，许用极限为306.3MPa，位置在凸缘与球壳连接处；均满足要求。

3) 压力试验工况，球壳的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=459.1MPa，许用极限为476.3MPa，位置在支柱与球壳连接处下部稍向上位置的球壳外壁；进出水口凸缘的一次局部薄膜应力强度最大值S_Ⅱ=327.7MPa，许用极限为382.9MPa，位置在凸缘与球壳连接处；均满足要求。

4) 在疲劳应力工况，最大交变应力强度幅值为Srij=188，许用极限为Sa’=107，Srij/2=94≤Sa’=107，该球罐的预期使用疲劳寿命的是满足。

5) 在地震工况下，球壳的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=339.1MPa，许用极限为457.2MPa，位置在支柱与球壳连接处下部稍向上位置的球壳外壁；进出水口凸缘的一次薄膜加一次弯曲应力强度最大值S_Ⅲ=253.3MPa，许用极限为367.6MPa，位置在凸缘与球壳连接处；均满足要求。

（3）调压室分岔管应力分析

对球罐式气垫式调压室与压力管道连接的三岔管段亦委托合肥通用机械研究院进行设计及计算。

连接管段采用整体补强，即加强连接管与水平段压力钢管的结构厚度，垂直连接管的结构厚度t₁=78.0mm；水平段压力钢管的结构厚度t₂=58.0mm，并进行有限元计算，复核。

计算结果表明：

1) 压力试验工况，三岔管的一次薄膜加一次弯曲应力强度S_Ⅲ=344.0MPa，许用极限为382.9MPa，位置在垂直补强管拐角外壁处，满足要求。

2) 设计工况，三岔管一次薄膜加一次弯曲应力强度S_Ⅲ=207.6MPa，许用极限为306.3MPa，位置在垂直补强管拐角外壁处，满足要求。

3) 在疲劳应力工况，最大交变应力强度幅值为Srij=203，许用极限为Sa’=107，Srij/2=101.5≤Sa’=107，该结构的预期使用疲劳寿命的是满足。

8          方案选择

各方案优缺点比较见表6。

表6    各种方案优缺点对比表

气垫式调压室优化方案投资采用与《可研报告》(审定稿)“设计概算”一致的编制原则和依据，总概算对比见表7。

表7    工程总概算对比表       单位：万元

从表7可见，气垫式调压室方案比可研方案投资少12096.48万元，推荐设置气垫式方案进行下一步的工作是非常合适的。

9          主要结论

(1) 不设调压设施采用“高填前池，缩短压力管道、深挖厂房及尾水”的布置型式，工程区域构造稳定性较差，覆盖层高边坡(边坡最大高度约100m)稳定问题突出，施工及运行期间安全风险大；由于地下水位高，深基坑带来施工期边坡风险及处理难度高；开挖弃渣量大，环保、水保工程量大，影响大，压力管道单机单管布置，管内流速不是经济流速。因此对长有压引水的中高水头电站，为解决工程安全问题，有必要深入研究设置调压设施方案。

(2) 气垫式调压室性能优越，在国际、国内压已广泛使用，大干沟、南山口二级水电站气垫式调压室成功运行实践表明，在平缓的斜坡地形上在压力管道设置气垫式调压室是适合其地形地质条件特点的方案。气垫式调压室采用球罐，近年来球罐的制造技术已得到了飞速发展，目前国内已独立制造不同规格和用途的球罐，其最大容积已超过10000m³，最大压力超过3MPa。国内球罐的设计、制造技术有成熟的设计标准。在制造方面，球罐从50m³到10000m³已制定有系列规格。国内也有一大批具有球罐方面从压片、现场组装、热处理、探伤检验、试验等成熟经验的公司。球罐技术的发展，为亚曼苏水电站采用气垫式调压室方案结构设计奠定了基础。挪威、四川、青海等地气垫式调压室运行成功经验表明，气垫式调压室设计理论是成熟，球罐作为性能优越的刚体结构完全能适应亚曼苏水电站工程技术特点。因此，进行亚曼苏水电站球形钢构式气垫式调压室专题研究是必要的。

(3) 针对亚曼苏水电站工程地形地质条件特点，设置气垫式调压室，在初拟的管道数量及气室型式下，根据现场综合踏勘成果，初拟了3个不同压力管道长度及厂房位置，比较了压力管道长度与厂房开挖的关系，从降低工程边坡失稳风险，尽可能避免高边坡及巨量弃渣堆存问题，推荐技术经济条件相对最优的厂房位置方案2(在可研的基础上外移750m)作为推荐厂房位置。在推荐厂房位置的基础上，初拟4机4管、4机2管的压力管道数量，进行气垫式调压室方案压力管道数量比较，推荐技术可行，经济指标较优的4机2管的压力管道布置型式。

(4) 气垫式调压室方案与原可研方案的工程地质条件基本相似，但气垫式调压室方案枢纽布置灵活，将厂房沿压力管道轴线向坡脚移动750m后，覆盖层边坡开挖高度由原可研方案的100m高降至65m，有效地降低了开挖边坡高度，鉴于工程区域地质构造稳定性较差，设置气垫式调压室方案有效地降低了施工及运行期间安全风险。同时弃碴堆存量从1346万m³，减少到509.8万m³，减少836.2万m³，减少了大量工程弃渣堆存，减少了工程占地，弃碴量的减少，有利于水土流失的防治和节约投资。厂房外移后，“埋深”相应减少，通风、照明及永久性交通等条件相应好转。由于压力管道达到经济流速，尽管增加了钢构式气垫式调压室，但钢材量由原可研方案的18271t减少到16513t，减少1758t。气垫式调压室方案工程静态总投资168832.41万元，原可研方案工程静态总投资181728.37万元，差12895.96万元，可研方案投资相对较大。在不利用尾水的情况下，气垫式调压室方案压力管道增长，增加水头损失，带来装机规模略小4MW，从补充单位电能投资指标分析，原可研方案比气垫式调压室方案增加12895.96万元，年发电量增加0.102亿kW·h，其补充单位电能投资为12.643元/kW·h，原可研方案明显不利。本电站施工控制性项目为尾水渠和电站厂房施工，原可研方案工程施工总工期为38个月，气垫式调压室方案厂房及尾水渠边坡高度降低及开挖支护量大幅较小后，工程施工关键线路仍为尾水渠和电站厂房施工，但工程施工总工期减少为35个月，减少3个月。从工程安全与技术经济可靠性而言，推荐设置气垫式调压室方案。