water hammer review

1. 文章编号: 1000-7709( 2007) 03-0060-
05
水电站气垫式调压室应用研究综述
胡建永
1
张 健
1
王慧清
2
( 1. 河海大学 水利水电工程学院 , 江苏 南京 210098;
2. 内蒙古自治区水利水电勘测设计院 , 内蒙古自治区 呼和浩特 010020)
摘要: 概述了国内外水电站气垫式调压室的发展和应用现状 ,对气垫式调压室的工程地质、气体动态特性、模
型试验、安全水深和运行控制等方面的研究成果进行综述 ,指出了需进一步研究的方向和应用前景。
关键词: 水电站; 气垫式调压室 ; 工程应用; 技术问题 ; 综述
中图分类号: TV732. 5 文献标志码: A
收稿日期: 2007-03-
10,修回日期: 2007-04-11
基 金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 50179008); 水资源与水电工程国家重点实验室开放基金资助项目
( 2006B030)
作者简介: 胡建永 ( 1978-) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为水电站水力学 , E-
mail: fafnxiaohu@ hhu. edu. cn
通讯作者: 张健 ( 1970-) ,男 ,教授 ,研究方向为水电站、抽水蓄能电站水力学 , E-
mail: jzhang@ hhu. edu. cn
1 概况
调压室是水电站有压引水系统的重要组成部
分 ,能够降低压力管道的水锤压力 ,改善机组运行
条件。 在不衬砌高压隧洞和工业管道气垫式调压
室应用经验的基础上 , 20世纪 70年代 ,挪威专家
R. Svee
、 L. Rathe等人提出了水电站气垫式调压
室的概念[1, 2 ]
。水电站气垫式调压室利用岩石壁面
与水面所形成的封闭气室、依靠气体的压缩和膨
胀特性来反射水锤波和抑制水位波动 ,确保电站
的安全稳定运行。 气垫式调压室已成为新一代水
道系统的重要标志之一。 1973年世界上第一座气
垫式调压室在挪威 Driva电站投入运行。
图 1 气垫式调压室布置示意图
Fig . 1 Layout of hydropower plant with air
cushion surge chamber
气垫式调压室适用地形险峻、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。在
国外 ,挪威、日本、德国等国的学者较早的开展了
水电站气垫式调压室的相关研究 ,但仅在挪威得
到较广泛的工程应用 ,不衬砌气垫式调压室是其
显著特点。 目前 ,挪威已有 10座气垫式调压室建
成投入运行
[3 ]
。 1987年美国建成了 M oose河水电
站气垫式调压室 [4 ]
。 我国也曾将气垫式调压室作
为大型抽水蓄能电站和常规水电站调压室的比选
方案进行论证
[5～ 7 ]
,但由于技术和经验等方面的
不足 ,直到本世纪初气垫式调压室才进入真正的
工程应用阶段。
目前 ,我国的气垫式调压室主要应用在中小
型引水式电站中。 2000年 7月第一座“钢包式”气
垫式调压室在青海省大干沟水电站投产运行。 它
类似于工业管道系统中的气罐 ,是一个外包钢筋
混凝土的钢包 ,与挪威水电站传统的不衬砌气垫
式调压室有着本质的区别。2004年12月第一座真
正意义上的气垫式调压室—— 华能自一里水电站
气垫式调压室建成并投入运行。 2006年 1月四川
瓦斯河上的小天都水电站气垫式调压室也建成投
产。
木座、金康等水电站也拟采用气垫式调压室方
案。 目前 ,国内外已建成的气垫式调压室有 13座
(表 1)。
第 25卷第 3
期
2 0 0 7年 6月
水 电 能 源 科 学
Water Resou rces and Pow er
Vol. 25 No. 3
Jun e. 2 0 0 7

2. 表 1 国内外已建成气垫式调压室特征数据
Tab. 1 Characteristic data of air surge chambers
工程
名称
建成
年份
装机容量
/MW
水头
/m
流量
/( m3· s- 1 )
总容积
/m3
截面积
/m2
气室压力
/M Pa
渗漏量
/( Nm3· min- 1)
主要处
理措施
Driva 1973 140 570. 0 38. 9 6 700 110 4. 00
～ 1. 20 无
Julkla 1974 47 180. 0 23. 5 4 000 130 0. 60
～ 2. 40 0. 01
Oksla 1980 200 465. 0 55. 6 17 000 235 3. 60
～ 4. 40 无
Sima 1980 520 558. 0 125. 0 6 200 190 3. 30
～ 4. 80 0. 10
Osa 1981 1 200 200. 0 67. 5 12 500 150
～ 180 1. 80
～ 1. 90 1
～ 4 灌浆
Kvilldal 1981 90 537. 0 322. 6 136 000 260
～ 370 3. 30
～ 4. 10 6
～ 17 水幕
Tafjord 1982 82 859. 0 13. 1 2 000 130 6. 50
～ 7. 80 大量 水幕
Brattset 1982 80 272. 0 43. 5 10 000 90 2. 30
～ 6. 50 无
Ulset 1985 37 338. 0 16. 8 4 800 90 2. 30
～ 6. 80 0. 18
Torpa 1989 150 475. 0 48. 5 12 000 90 3. 80
～ 4. 40 6. 70 水幕
大干沟 2000 20 69. 0 16. 0 4 396 78 3. 80
～ 4. 20 / 钢衬砌
自一里 2004 130 474. 0 34. 0 11 927 90 3. 80
～ 4. 30 / 水幕
小天都 2006 240 371. 4 77. 7 22 540 138 3. 35
～ 4. 35 < 1 水幕
2 主要技术问题
2. 1 气体渗漏预测与控制
根据国内外的研究成果和挪威气垫式调压室
的建设经验 ,气垫式调压室位置的选择应满足如
下设计准则
[3, 8 ]
: ①围岩质量准则。 选择岩体结构
较完成、质量较好、洞室稳定性好的位置进行气垫
式调压室布置 ;②最小覆盖厚度准则。
气室所在位
置其垂直和水平岩体覆盖厚度应满足经验法则
为:
V
γLcosT> V
W H
式中 , L为地表与分析点间的最短距离;T
为山坡
的平均坡度; H为静水头;V
γ为岩石密度;V
W 为水
的密度。
③ 最小主应力准则。为确保围岩不发生
高压水体和气体产生的劈裂破坏 ,岩体中最小主
应力 e
3 > V
W H。
④ 岩体渗漏准则。
岩体渗透性是
影响气垫式调压室性能的一个重要指标。围岩透
水率要求小于 1. 0 Lu,若大于 1. 0 Lu应进行合理
的固壁灌浆处理。⑤ 地下水压力梯度准则。要求
Pw > Pg , 即气垫式调压室位置施工前的天然地
下水压力必须高于气垫压力 ,才能保证不衬砌气
垫式调压室内高压气体渗漏。
气垫式调压室内气体的渗漏量对其稳定运行
至关重要。
气体的漏损 ,与气室所在位置的岩体质
量有关 ,也与施工开挖的方法和经验有关。在施工
过程中 ,应尽量避免在气垫式调压室附近开挖其
他洞室 ,以免加剧岩体的渗透性 ,造成严重的气体
渗漏。 气体漏损有两个主要原因
[9 ]
: ①溶解损失 ,
即气体溶解于高压水。 每年的溶解损失一般占压
缩气体的 3
% ～ 10
% ,对电站运行影响不大。②渗
漏损失 ,即气体经气室围岩裂隙和节理渗漏。
这种
气损量往往较大 ,可能导致气垫式调压室难以正
常运行。挪威投入运行的 10座气垫式调压室中有
4座曾发生严重的气体渗漏现象[ 10]
,但经过适当
处理 ,目前这些电站均得以正常运行。
对气垫式调压室渗漏的估算 ,挪威岩土所专
家 Tokheim和 Janbu提出了半经验公式进行估
计 [11 ]
。 但是 ,由于气垫式调压室围岩情况的复杂
性 ,该公式涉及的与围岩质量相关的参数很难准
确获取 ,因此难以对气体渗漏进行精确预测。
根据
挪威经验 ,气室经处理后 ,如果所在围岩的渗透性
小于 1. 0Lu ,并且设置水幕的情况下 ,气体渗漏估
算可采用的经验公式 [12 ]
:
Qg = ( 0. 3 - 0. 8) Pg A
式中 , Qg 为气室内气体渗漏量 , m3
/h; Pg 为气室
内气体设计压力 , M Pa; A 为气垫的底面积 , m2
。
对气垫调压室气体漏损的控制 ,挪威积累了
丰富的实践经验。目前 ,对于气垫式调压室气体溶
解损失 ,一般通过空压机定期开机进行补偿 ,而对
于气垫式调压室气体渗漏的处理通常采用以下四
种工程措施 [3 ]
: ①钢纤维喷混凝土。适用于渗漏不
太严重的情况;②钢板衬砌。
适用于中小型气垫式
调压室 ,如青海大干沟水电站;③灌浆处理。 如挪
威 Osa电站。 ④设置水幕。 水幕的工作原理是人
为地增加气垫周围的地下水压力 ,即在气室围岩
上布置一系列与水泵相连的钻孔 ,充以高压水阻
止气室内高压气体的泄漏
[9 ]
。 挪威有 4座气垫式
调压室采用水幕方案 , Torpa电站是挪威唯一在
设计时就考虑采用水幕方案的电站
[9 ]
。 根据国外
经验 ,结合我国的工程地质条件 ,我国的气垫式调
压室岩体渗漏控制标准 [12 ]
,即气体周围岩体渗透
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61
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第 25卷第 3期 胡建永等: 水电站气垫式调压室应用研究综述

3. 性q
≤ 1. 0Lu ,同时设置水幕。我国已建成的自一里
和小天都气垫式调压室设计时均已考虑采用水幕
方案。
上述四种方法并不是孤立的 ,对于地质条件
相对较差的工程往往需要采用其中若干方法进行
联合处理。
相关经验表明 ,灌浆能部分消除漏气现
象 ,如果在开挖前进行灌浆 ,漏气量将以最大一个
量级减少 ,开挖后灌浆的效果相对较差;而水幕却
能完全消除漏气现象 ,是目前处理大型不衬砌气
垫式调压室漏气的最经济有效的办法。
同时 ,也要
提高施工开挖水平 ,尽量避免人为造成的漏气。
2. 2 气室内气体动态特性
对气垫调压室内的气体动态特性的研究主要
有两条途径: ①采用经验的理想气体多方方程;②
采用有理热传递方程。
在对气室气体进行数值模拟时 ,大多采用经
验的理想气体多方方程 ,即
PVn
= C
式中 , P 为气体绝对压力; V 为气体体积; n 为多
方指数; C 为常数。对于等温过程 ,n = 1. 0; 对于
绝热过程 ,n = 1. 4
。通常认为发生在气垫式调压
室内气体瞬变过程的特性介于绝热过程和等温过
程之间 ,即 n = 1. 0～ 1. 4
。文献 [4 ]通过对美国
Moose河电站现场甩负荷试验结果和数值模拟
结果对比发现 ,实测结果与 n 取 1. 43时的数值模
拟结果基本吻合。n 大于 1. 4的原因 ,文献简单的
认为是漏气所致。最近 ,文献 [13] 对这一瞬变过
程进行了深入研究 ,在模型试验的基础上 ,基于多
方状态方程提出了更为合理的“四过程理论”。研
究结果表明 ,气室内气体的动态特性可能导致 n
大于 1. 4, 从而得到了多方指数新的取值范围。
澳大利亚 Graze教授[14, 15]
基于有理热传递方
法分析得出了新的气室衰减概念 ,建议采用有理
热传递方程来代替目前广泛采用的理想气体多方
状态方程。
该方程将气体的温度也作为一个参数 ,
考虑了密闭气体与周围介质之间热传递 ,尤其是
分析了“潜热”可能对瞬变过程产生的影响。 研究
结果表明 ,多方方程中被忽略的气体温度这一参
数 ,对瞬变过程有着重要的影响。
以“潜热”形式存
在的能量的释放或吸收 ,导致了气体的相关预测
值超出了多方过程方法所预测的范围。 但该方程
中换热项处理较困难 ,相关参数仅能通过试验确
定。
文献 [15]基于自由对流假定 ,给出了换热项的
经验计算公式。
多方方程方法是一个纯经验方法 ,方程的准
确性取决于多方指数 n 的合理取值 ,因此对于多
方方程方法的研究重点应放在对多方指数 n的试
验研究上。 而有理热传递方法是基于热力学第一
定律推倒得到的理论方法 ,其换热项的处理仍有
赖于试验 ,实际上为一个半经验公式。
气室内气体
的运动是由外驱动力引起的 ,更符合强制对流的
条件 ,文献 [15 ]采用自由对流的假设去求解换热
项显然是不妥的。同时 ,上述两种方法都基于理想
气体的假设 ,在水力过渡过程中 ,气室内气体压力
变化相当大 ,理性气体可能已经相对实际气体有
较大的偏离 ,因此基于实际气体特性的气垫式调
压室运行特性值得深入研究。
2. 3 模型试验
目前 ,对气垫式调压室的模拟研究主要限于
数值模拟的方法。 数值模拟的准确度受较多因素
的限制 ,要准确模拟气室内水体及气体的复杂运
动状态和特性 ,物理模型试验是一个重要手段。但
是 ,气体方程中的大气压力项 ,在模型试验中难以
按比尺变化以满足相似准则的要求。 国内学者对
这一问题进行了大量研究
[16
～ 18 ]
,先后提出了变态
模型试验、减压试验以及等效的变截面开敞式调
压室代替气垫式调压室等方法。 变态模型试验中
调压室采用局部正态模型 ,难以考虑大气压项对
原模型产生的不同影响 ,这对于密闭气室内的气
体模拟而言 ,显然存在较大的误差。
减压试验方法
可很好地模拟大气压力 ,随着真空度的不同 ,可较
真实地反映实际气室内水体含气量的变化。 减压
试验研究表明 [18 ]
,过渡过程中压力最大值和相应
的气室水位与数值模拟接近 ,但压力波形和衰减
时间与数值模拟结果相差较大。 而这种不一致恰
恰反映了数值模拟的局限性。
随着真空度的升高 ,
水体的汽化将使试验难以进行 ,同时 ,它也受到减
压箱尺寸和试验场地的限制。 等效的变截面开敞
式调压室替代方法 ,是让开敞式调压室与气垫式
调压室满足相同的基本方程 ,从理论上得到了满
足气垫式调压室方程的等效变截面开敞式调压
室。从数值模拟结果看 ,准确度较高。试验中该方
法也可有效地解决大气压项的相似问题。目前 ,该
方法也仅是从理论上对压力和水位进行了分析模
拟 ,并未进行大量的试验研究 ,因此相应地模型试
验应当是进一步研究的重点。
2. 4 安全水深及运行控制
气垫式调压室的安全水深是指气室内出现最
低涌浪水位时其底板以上水床深度。 根据水电站
调压室设计规范
[19 ]
,常规调压室的安全水深应不
低于 1. 0 m。 但规范尚未对气垫式调压室做出规
定 ,一般认为应大于常规调压室。
挪威已建的气垫
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62
· 水 电 能 源 科 学 2007年

4. 式调压室 ,一般取 h = 1. 5
～ 2. 0 m
[ 3]
。最近 ,文献
[20 ]详细分析了涌浪幅值、稳定水位异常变化值
以及体型结构参数等与安全水深的关系 ,推导出
相关的关系式。 通过与安全水深取 2. 0 m的常规
调压室进行安全性和经济性比较后 ,建议气垫式
调压室的安全水深取 h = 1. 5
～ 2. 0 m。该结论与
挪威的取值范围相一致 ,具有参考价值。 但是 ,考
虑到实际运行中气室内复杂的流态 ,相关的试验
研究必不可少。
气垫式调压室的运行控制 [3 ]
是指向空压机发
出启、停机的指令 ,以此控制调压室内的压力和高
压气体体积 ,确保电站的安全稳定运行。
运行控制
的方式主要有等水位、等压力、等 PV值、等 PV /T
值四种 [12 ]
,其中: P 为气体压力; V 为气体体积; T
为气体温度。文献 [ 3]指出挪威的气垫式调压室
一般不考虑温度的影响 ,等水位法和等 PV 值法
应用较多 ,并给出了 kvilldal电站分别基于等水位
法和等 PV 值法的气垫式调压室运行控制条件。
但文献 [15]认为 ,前两种方法实际运行时难以实
现 ,气体温度变化难以模拟 ,故推荐采用等 PV 值
法。 西安理工大学 [21 ]
依据等 PV值控制方式为我
国大干沟水电站气垫式调压室设计了基于可编程
计算机控制器 ( PCC)的气垫式调压室自动控制系
统。 考虑到时运行时气垫式调压室内水体和气体
温度的变化范围不大 ,采用等 PV 值控制方式是
合适的。
3 结语
a. 我国在气垫式调压室应用方面刚刚起步 ,
由于经验的不足 ,与挪威相比 ,设计偏于保守。 对
以下几方面需要进一步深入研究: ①气垫式调压
室的施工开挖技术;②气垫式调压室的渗漏处理 ,
尤其是水幕的设计;③气室内气体动态特性 ;④大
气压下气垫式调压室的模型试验;⑤运行控制方
案的完善;⑥气垫式调压室在其他领域的应用探
索 ,如火电厂补给水系统等 [22 ]
。
b. 国内外的实践表明 ,气垫式调压室是性能
优越的水锤和涌浪控制设施 ,对生态和自然景观
的破坏小 ,符合绿色水电的发展趋势 ,且具有良好
的经济性和安全性 ,因此有着广阔的发展前景。
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(下转第 114页 )
·
63
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第 25卷第 3期 胡建永等: 水电站气垫式调压室应用研究综述

5. 签证以及不合理的技术措施等增加的费用;②根
据所掌握的材料价格信息 ,着重审查是否抬高材
料价格; ③加强合同管理 ,实行合同逐项审查制
度 ,使工程造价通过具有法律约束力的合同得以
确认和控制;④在工程竣工交付使用后 ,要进行项
目后评价 ,根据原来的规则 ,分析比较工程范围、
进度和造价的变化情况 ,总结经验 ,并将造价资料
整理好录入计算机 ,以便今后使用。
5 结语
a.工程造价的控制与管理是一个动态的过
程 ,也是一项政策性、技术性、专业性很强的工作。
市场经济的变化多端 ,使工程投资的确定与控制
变得更为复杂 ,这就需要对工程造价管理始终贯
穿于项目的始终。
b.严格执行国家、行业关于电力建设工程造
价管理的各项法规政策制度 ,坚持有效的工程造
价管理方式 ,严格考核的刚性规范和完善电力建
设工程造价管理工作。
c.工程建设有关主体应转变观念 ,努力实践 ,
促进电力建设项目全过程造价管理 ,为合理确定
和有效控制建设工程造价作出应有的贡献。
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Research on Cost Management of Electrical Construction Engineering
W U Peifang
( Ministry of audi t of Pow er Supply Corporation of Wuhan, Wuhan 430013, China)
Abstract
: The control and management of cost for elect ric pow er projects is an important part of investment
controlling management in capital construction, in this paper, countermeasures are proposed against problems currently
existed in controlling the cost for electric power projects. Also, an effective mode to strengthen cost control of elect ric
pow er construction is suggested. On basis of cost management and value engineering theory, the above proposed
measures and mode are discussed in details in electric power project investment decisions, designs, tenders,
constructions, settling of accounts after completion aiming to efficiently cont rol cost for electric power projects.
Key words: elect ric pow er construction projects; management of cost; Control th e whole process
(上接第 63页 )
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591
Review of Application Research on Air Cushion Surge Chamber
in Hydropower Plant
HU Jianyong1
ZHAN G Jian1
W AN G Huiqing2
( 1. College of Water Conservancy and Hydropow er Eng. , Hohai Univ. , Nanjing, 210098, China;
2. Inner Mongolia Investigation and Design Institute, Hoh ehot 010020, China)
Abstract
: The development and application status of air cushion surge chamber in hydropow er plant are int roduced
briefly, and the research results are summarized in the fields of engineering geology, air characteristics, model test, water
depth safety and operation controls. Finally, existing problem s and application prospects are also pointed out.
Key words
: hydropower plant; air cushion surge chamber; engineering application; development of research;
overview
·
114
· 水 电 能 源 科 学 2007年