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’文章编号(%""!)"*!+$!""!&"#)"""#)"#
东北水利水电#
棉花滩水电站调压室设计
蒋光遒，赵井根
（水利部上海勘测设计研究院，上海!""+#+）
’摘要(棉花滩水电站调压室兼作尾水闸门廊道，岩壁高，有内水，采用喷混凝土支护。水力条件和支护方式独特，本
文简略介绍调压室的模型试验、支护及结构设计。
’关键词(调压室；模型试验；棉花滩水电站’中图分类号(./-#!01
’文献标识码(2
棉花滩水电站尾水调压室为阻抗式，主体呈城
门洞型，并兼作尾水闸门廊道。闸门槽作为阻抗孔的一部分，调压室上部合二为一，水力条件较为独特。调压室岩壁高，与厂房洞室形成地下洞室群，采用喷锚支护，并需承受调压室内水的影响，在国内还没有相似的工程实例。调压室的平面布置示意图见图%。
调压室断面分别为+"0-37%!0"3和#-0-37
（长7宽），底板高程为1,0"3；两尾水调压%!0"3
室在高程6!013以上合二为一，断面尺寸为6-0-37%!0"3；高程6!013以下保留岩壁隔墙，厚
以改善洞室稳定和受力条件。同时，将尾水60*3，
检修闸门设在调压室内，避免另设尾水检修闸门廊道，闸门槽为阻抗孔的一部分，另设附加阻抗孔口。尾水调压室右端设有一运输洞与厂坝公路相通，最高涌浪水位要求低于公路路面高程，并有一定的安全裕度。
!水力计算与水工模型试验
试验与计算以%，相关!号尾水道调压室为例，的主要工程参数见表%、表!。
表%上下游水位和发电引用流量
校核洪水位
设计洪水位正常蓄水位设计水位
$3&%-+0-*%-#0""%-#0""%*#01"%+*0""
$3&6+0--6#01"-%0*"-%0*"-%0*"-#0*"
$3#45&%,%0"%6-06%-"0"%,%0"%-"01%*60"
图%
调压室平面布置示意图
死水位
%调压室的布置设计
设计初期，曾考虑过采用简单式调压室，尾水管加长段和尾水隧洞可直接与调压室连接，省去尾水岔管而减少工程量。但是国内类似工程的水工模型试验研究结果表明，该形式水流紊乱、水头损失较大。故选定阻抗式进行水力计算和水工模型试验研究。
根据输水发电系统的布置和水力计算的初步结果，确定调压室的总体布置为：尾水调压室中心线与厂房纵轴线间距-13；%，!号机组和#，+号机组在高程6!01"3以下各设一尾水调压室，两尾水
’收稿日期(!""%)%")%*
（%,-!—）’作者简介(蒋光遒，男，福建省尤溪县人，工程师，学士。
注：表中下游水位-#0*"3为设计尾水位，-%0*"3为可能最低尾水位。在小波动稳定分析时使用-#0*"3，在大波动过渡过程计算时使用-%0*"3。
表!各段输水道的编号和参数
名
称
长
度
直径"$3&*0+!*01-60"%60"%,0"",0*"%%0""
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水头损失系数#$%")*&最小最大平均1*0*1+!01"10!610!660!%#0#*-0#6
*+0%1+60+610,+10,+606,#0-%60+"
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尾水隧洞
注：各%、#8!$%&!，!$，&—对应管道的水头损失和流量；!、段管道及隧洞的参数经当量化处理；#、厂房内蜗壳平均长度计!13，平均面积计!"3!；尾水管平均长度计#13，平均面积计#"3!。
!东北水利水电"##"年第$期%第"&卷总"&&期’
"(&先后进行了输水系统整体模型试验、尾水调压室局部水工模型试验和补充试验。
通过整体模型试验，模拟各种过渡过程工况下
的水力现象，发现初拟用长方形阻抗孔口)*+,*，
尾水管加长段断面为,*+-*
（城门洞形）时，调压室最高水位.&(,$,*，比洞外的路面低#(,/$*；最低水位/#("$-*，比调压室底板高程仅高出&("$-*。
说明需缩小阻抗孔口面积以增大阻抗损失、减小水位波动幅值。经过多种方案阻抗孔口的模型试验结合电算模拟，从蜗壳最大压力上升值、尾水管最小内压、调压室水位波动值、尾水道内水压力与机组导叶开度关系等方面分析，最优方案为：阻抗孔口的总面积为&,(/*"，其中闸门槽面积&#(!*"，附加阻抗孔口面积,("*"，形状为不带倒角的!$(#$*圆形。
在试验后期，由于其他因素，电站尾水管加长段由原采用的,*+-*的城门洞形改为-*+-*方形，相应尾水闸门槽面积增大了&($"*"。经试验，在校核洪水位!台机增荷工况，尾调最高水位达.$(,!*，故须将附加阻抗孔口缩小以降低最高水位。但此时会带来尾水道内最小内水压力偏低的问题，又将阻抗孔口内表面改为带圆弧倒角的形
式。最终选用!"(-*圆形附加阻抗孔口，
上口圆弧倒角半径#(-*。
棉花滩的尾水调压室阻抗孔为槽型与圆孔相结合，具有相当的特殊性和复杂性，在局部试验时，重点量测了水流进、出调压室的局部水头损失系数，为电站的调节保证计算提供可靠的原始数据。以试验数据为基础经过回归分析得到选定方案的尾调阻抗孔口局部水头损失系数为：
（&）水流进入调压室时
"&"0#(&!)1#(!$-%!"2!&’3#($-,%!"2!&’"；"&$0#(,)&3"(!/&%!$2!&’3-(/.&%!$2!&’"。（"）水流流出调压室时
"&"0#(,"!1#($#,%!&2!"’1#($&#%!&2!"’"；"$"01&(#&$3!(")!%!$2!"’3,(#-&%!$2!"’"。上述!式的符号意义见图"。
图"水头损失系数中符号意义示意图
"&$"$"室的分流比增加而增加，若按常规方法将它们取为定值进行计算，会有较大的误差。"("调节保证计算
调节保证计算与水工模型试验交错进行。先采用经验数据进行计算，以拟定模型基本尺寸；再利用模型试验中测得的数据，提高计算精度。多次反复、优化，最后确定调压室的参数。选用方案相关的试验、计算结果见表$。
表$计算和试验成果
控制点
试验值计算值控制值最大值%*’
&".("-&"-(-$水压力
"*56%7’""(.,""(!)"$#尾水管进口最大值%*’
"-(-/"-(,,!内水压力
最小值%*’1)(".1)(,)$#1-(##尾调底部节最大值%*’$.(#$$-(.&!点内水压力最小值%*’
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最大值%*’
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##
$调压室的支护设计
$(&地质条件
调压室部位的围岩为新鲜的黑云母花岗岩，大
部分围岩为!4"
类，岩石完整性较好。上覆岩层厚度平均约/)*，地应力场属中等地应力，且地应力分布较为均匀，地应力的应力偏张量较小，对洞室围岩稳定较为有利。通过调压室部位的断层和岩脉宽度较小，倾角陡，对洞室的稳定性影响较小。但调
压室的长度有-,*，
底板至顶拱高度达!"*，仅中部有-(/*宽、$!*高的岩埂；
底部与尾水洞交叉，上游侧与主变洞间净距仅&.*，
围岩稳定问题依然需重视。
$("支护设计
%&’方案。支护的方式有锚喷支护和混凝土衬护"种方案。混凝土衬护是最可靠的，同时可以有效减弱调压室内水对相邻洞室的影响，但工程量相当大、且需增加洞室开挖宽度，对施工期的围岩稳定不利，故考虑采用锚喷支护。地下洞室采用锚喷支护，已被诸多工程实践证明是经济、有效的方法。但由于尾水调压室运行时长期充水，且水位经常骤升或骤降，受力条件复杂，在锚喷支护之外还需有相应的工程措施。
调压室内的最高涌浪水位."(#*，
与相邻的主变洞底板高差约"#*，两洞室之间净距&.(!)*，围岩较完整，没有贯穿两洞室明显的软弱结构面。为减少调压室内水向相邻洞室的渗透、同时提高围岩的整体性，设计对调压室的上、下游侧壁进行固结
灌浆，孔深)*。固结灌浆可分两段进行，
表层因无
!""!年第#期$第!%卷总!%%期&
东北水利水电’
盖重取")!123的灌浆压力，深层提高到")’
123。排水孔仅在常水位以上设置，常水位以下因无排水孔，在水位骤降时可能使喷混凝土层开裂，故不论岩石完整性如何，均采用挂钢筋网喷混凝土支护。
$!&支护参数的确定。调压室锚喷支护的参数通过下列方法确定：工程类比法、平面有限元分析
法、三维有限元计算，计算分析时将洞室群
（厂房、主变洞、调压室和相连洞室）作为一个对象。
类比单个洞室的尺寸（跨度、高度、长度）、围岩
的岩性、岩石参数、地应力，参照国内、外已建工程的资料，尾水调压室的系统支护锚杆一般可用!!"
**4!!!**，
间距%’"4!""5*，但考虑内水波动的不利因数，应适当加强。
平面有限元计算采用同济大学地下工程系编制的大断面地下洞室围岩粘弹塑性有限元分析程序。模拟洞室群分(步开挖，考虑围岩在开挖过程中的瞬弹和流变属性，同时反映当岩体进入塑性屈服后的粘塑性力学效应，计算时定性地计入喷锚支
护效应（适当提高施锚区的物理力学指标）。计算结果说明洞室群横断面的布置是可行的，围岩的应力、变形均在合理范围内。但计算模型中调压室的形式与施工图采用的有较大区别，计算结果对于调压室仅供参考。
洞室群的三维非线性弹塑性有限元分析计算的内容与结论主要包括：!利用实测地应力值拟合初始地应力场。"分期开挖，无支护情况下围岩塑性区、拉损区的分布特征及洞室周边的位移；尾水洞与调压室交叉口处塑性和拉损区范围较大，最大值达%%*；最大位移出现在下游边墙处，为%)’(
5*。
#分期开挖、分期支护（其中调压室的系统锚杆"!’6%)!*）
情况下围岩塑性区、拉损区及位移的分布特征及锚杆应力；调压室最大塑性和拉损区范
围缩至’*，
一般在!*以内，洞室间未相互波及；下游边墙水平位移最大值减为%)".5*；调压室隔墙上锚杆最大应力%!+).123，其余部位锚杆最大应力.+)(123，均远小于锚杆的屈服应力，拟用的锚杆参数可适当调整。$岩体参数对计算结果的影响：岩体参数变化对围岩稳定有相当大影响，其中变形模量和粘结力的变化敏感性尤为突出。计算时新鲜花岗岩选用的参数为：变形模量!"723、粘结力#)"123，留有一定裕度。
根据以上的结果分析，调压室支护参数设计
为：锚杆!!’6%)’*8%)’*，
长度(4-*；挂钢筋网!,6#"5*，
喷混凝土厚%’5*。同时按新奥法原理，采用“设计%施工%监测%修正设计”的方法，根据开挖揭露的地质情况对锚杆进行局部调整，并在施工中加强监测和观察。从锚杆埋设起至
电站试运行间，调压室洞周围岩位移最大值见表(，锚杆应力实测最大值见表’。
表(尾水调压室洞周围岩位移观测成果
桩号$%"")’’*$+()(’"*边墙$,-)"""*边墙$.+)(’"*边墙
$顶拱&上游下游上游下游上游下游调"/",-)-+"*")-!")(,").,
调"/%"")""*")."
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表’尾水调压室系统锚杆应力观测成果
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上游下游上游
下游
调"/",()"""*
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调"/"+-)"""*0()+"!!)."
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调"/%!-)"""*
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资料表明，岩壁的变位值和锚杆应力均低于计算值。但锚杆应力可能在运行期因水位的大幅变动继续增大，需进一步关注观测成果。
(调压室的结构设计
调压室内的主要结构物是尾水检修闸门启闭
机排架。排架下部为闸墩，底高程(,)’*，
顶高程,!)’*，
断面轮廓尺寸为!)!*8()%*，并利用岩石锚杆增加刚度。闸墩顶部设闸门检修平台，其上为启闭机排架，排架柱与启闭机轨道梁刚结。排架
全长达+.),*，
因调压室内温度变幅较小，仅设一道伸缩缝。启闭机轨道梁的梁顶高程按最高涌浪水位加一定安全超高设计，梁顶高程+()(*。启闭机排架的一端和调压室运输洞的岩壁吊车梁相接，为启闭机台车的安装、检修提供了便利的条件。
框架柱、梁结构计算采用“29框排架分析软件”。假定柱底固结于闸墩顶，拟定几种不利的台车轮压位置进行计算。计算结果：柱断面%)"*8%)"*，
梁断面除最大跨度
（净跨%()%*）处为"),*8%)!*外，其余均为"),*8%)"*。
’结语
尾水调压室和尾水检修闸门廊道相结合的布置方式，通过工程施工和电站试运行的检验，说明是合理可行的。但因闸门启闭的需要，抬高了调压室的顶拱高程，便给调压室的支护增加了不利因素。大断面地下洞室在有内水且水位变幅较大的条件下，采用喷混凝土支护是不多见的，棉花滩水电站的建设者进行了较大胆的尝试。水位的骤降引起岩体内孔隙水压力的变化，对岩壁和喷混凝土层的稳定会有多大的影响，在计算分析中还无法量化，有待于更多的研究。在电站运行时，应加强对调压室的监测，以便进一步总结，或有异常及时采取措施。
!""!年第#期$第!%卷总!%%期&
’文章编号(%""!)"*!+$!""!&"#)"""#)"#
东北水利水电#
棉花滩水电站调压室设计
蒋光遒，赵井根
（水利部上海勘测设计研究院，上海!""+#+）
’摘要(棉花滩水电站调压室兼作尾水闸门廊道，岩壁高，有内水，采用喷混凝土支护。水力条件和支护方式独特，本
文简略介绍调压室的模型试验、支护及结构设计。
’关键词(调压室；模型试验；棉花滩水电站’中图分类号(./-#!01
’文献标识码(2
棉花滩水电站尾水调压室为阻抗式，主体呈城
门洞型，并兼作尾水闸门廊道。闸门槽作为阻抗孔的一部分，调压室上部合二为一，水力条件较为独特。调压室岩壁高，与厂房洞室形成地下洞室群，采用喷锚支护，并需承受调压室内水的影响，在国内还没有相似的工程实例。调压室的平面布置示意图见图%。
调压室断面分别为+"0-37%!0"3和#-0-37
（长7宽），底板高程为1,0"3；两尾水调压%!0"3
室在高程6!013以上合二为一，断面尺寸为6-0-37%!0"3；高程6!013以下保留岩壁隔墙，厚
以改善洞室稳定和受力条件。同时，将尾水60*3，
检修闸门设在调压室内，避免另设尾水检修闸门廊道，闸门槽为阻抗孔的一部分，另设附加阻抗孔口。尾水调压室右端设有一运输洞与厂坝公路相通，最高涌浪水位要求低于公路路面高程，并有一定的安全裕度。
!水力计算与水工模型试验
试验与计算以%，相关!号尾水道调压室为例，的主要工程参数见表%、表!。
表%上下游水位和发电引用流量
校核洪水位
设计洪水位正常蓄水位设计水位
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图%
调压室平面布置示意图
死水位
%调压室的布置设计
设计初期，曾考虑过采用简单式调压室，尾水管加长段和尾水隧洞可直接与调压室连接，省去尾水岔管而减少工程量。但是国内类似工程的水工模型试验研究结果表明，该形式水流紊乱、水头损失较大。故选定阻抗式进行水力计算和水工模型试验研究。
根据输水发电系统的布置和水力计算的初步结果，确定调压室的总体布置为：尾水调压室中心线与厂房纵轴线间距-13；%，!号机组和#，+号机组在高程6!01"3以下各设一尾水调压室，两尾水
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注：表中下游水位-#0*"3为设计尾水位，-%0*"3为可能最低尾水位。在小波动稳定分析时使用-#0*"3，在大波动过渡过程计算时使用-%0*"3。
表!各段输水道的编号和参数
名
称
长
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直径"$3&*0+!*01-60"%60"%,0"",0*"%%0""
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"(&先后进行了输水系统整体模型试验、尾水调压室局部水工模型试验和补充试验。
通过整体模型试验，模拟各种过渡过程工况下
的水力现象，发现初拟用长方形阻抗孔口)*+,*，
尾水管加长段断面为,*+-*
（城门洞形）时，调压室最高水位.&(,$,*，比洞外的路面低#(,/$*；最低水位/#("$-*，比调压室底板高程仅高出&("$-*。
说明需缩小阻抗孔口面积以增大阻抗损失、减小水位波动幅值。经过多种方案阻抗孔口的模型试验结合电算模拟，从蜗壳最大压力上升值、尾水管最小内压、调压室水位波动值、尾水道内水压力与机组导叶开度关系等方面分析，最优方案为：阻抗孔口的总面积为&,(/*"，其中闸门槽面积&#(!*"，附加阻抗孔口面积,("*"，形状为不带倒角的!$(#$*圆形。
在试验后期，由于其他因素，电站尾水管加长段由原采用的,*+-*的城门洞形改为-*+-*方形，相应尾水闸门槽面积增大了&($"*"。经试验，在校核洪水位!台机增荷工况，尾调最高水位达.$(,!*，故须将附加阻抗孔口缩小以降低最高水位。但此时会带来尾水道内最小内水压力偏低的问题，又将阻抗孔口内表面改为带圆弧倒角的形
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棉花滩的尾水调压室阻抗孔为槽型与圆孔相结合，具有相当的特殊性和复杂性，在局部试验时，重点量测了水流进、出调压室的局部水头损失系数，为电站的调节保证计算提供可靠的原始数据。以试验数据为基础经过回归分析得到选定方案的尾调阻抗孔口局部水头损失系数为：
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图"水头损失系数中符号意义示意图
"&$"$"室的分流比增加而增加，若按常规方法将它们取为定值进行计算，会有较大的误差。"("调节保证计算
调节保证计算与水工模型试验交错进行。先采用经验数据进行计算，以拟定模型基本尺寸；再利用模型试验中测得的数据，提高计算精度。多次反复、优化，最后确定调压室的参数。选用方案相关的试验、计算结果见表$。
表$计算和试验成果
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最小值%*’1)(".1)(,)$#1-(##尾调底部节最大值%*’$.(#$$-(.&!点内水压力最小值%*’
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$调压室的支护设计
$(&地质条件
调压室部位的围岩为新鲜的黑云母花岗岩，大
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类，岩石完整性较好。上覆岩层厚度平均约/)*，地应力场属中等地应力，且地应力分布较为均匀，地应力的应力偏张量较小，对洞室围岩稳定较为有利。通过调压室部位的断层和岩脉宽度较小，倾角陡，对洞室的稳定性影响较小。但调
压室的长度有-,*，
底板至顶拱高度达!"*，仅中部有-(/*宽、$!*高的岩埂；
底部与尾水洞交叉，上游侧与主变洞间净距仅&.*，
围岩稳定问题依然需重视。
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调压室内的最高涌浪水位."(#*，
与相邻的主变洞底板高差约"#*，两洞室之间净距&.(!)*，围岩较完整，没有贯穿两洞室明显的软弱结构面。为减少调压室内水向相邻洞室的渗透、同时提高围岩的整体性，设计对调压室的上、下游侧壁进行固结
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盖重取")!123的灌浆压力，深层提高到")’
123。排水孔仅在常水位以上设置，常水位以下因无排水孔，在水位骤降时可能使喷混凝土层开裂，故不论岩石完整性如何，均采用挂钢筋网喷混凝土支护。
$!&支护参数的确定。调压室锚喷支护的参数通过下列方法确定：工程类比法、平面有限元分析
法、三维有限元计算，计算分析时将洞室群
（厂房、主变洞、调压室和相连洞室）作为一个对象。
类比单个洞室的尺寸（跨度、高度、长度）、围岩
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平面有限元计算采用同济大学地下工程系编制的大断面地下洞室围岩粘弹塑性有限元分析程序。模拟洞室群分(步开挖，考虑围岩在开挖过程中的瞬弹和流变属性，同时反映当岩体进入塑性屈服后的粘塑性力学效应，计算时定性地计入喷锚支
护效应（适当提高施锚区的物理力学指标）。计算结果说明洞室群横断面的布置是可行的，围岩的应力、变形均在合理范围内。但计算模型中调压室的形式与施工图采用的有较大区别，计算结果对于调压室仅供参考。
洞室群的三维非线性弹塑性有限元分析计算的内容与结论主要包括：!利用实测地应力值拟合初始地应力场。"分期开挖，无支护情况下围岩塑性区、拉损区的分布特征及洞室周边的位移；尾水洞与调压室交叉口处塑性和拉损区范围较大，最大值达%%*；最大位移出现在下游边墙处，为%)’(
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#分期开挖、分期支护（其中调压室的系统锚杆"!’6%)!*）
情况下围岩塑性区、拉损区及位移的分布特征及锚杆应力；调压室最大塑性和拉损区范
围缩至’*，
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根据以上的结果分析，调压室支护参数设计
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电站试运行间，调压室洞周围岩位移最大值见表(，锚杆应力实测最大值见表’。
表(尾水调压室洞周围岩位移观测成果
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表’尾水调压室系统锚杆应力观测成果
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资料表明，岩壁的变位值和锚杆应力均低于计算值。但锚杆应力可能在运行期因水位的大幅变动继续增大，需进一步关注观测成果。
(调压室的结构设计
调压室内的主要结构物是尾水检修闸门启闭
机排架。排架下部为闸墩，底高程(,)’*，
顶高程,!)’*，
断面轮廓尺寸为!)!*8()%*，并利用岩石锚杆增加刚度。闸墩顶部设闸门检修平台，其上为启闭机排架，排架柱与启闭机轨道梁刚结。排架
全长达+.),*，
因调压室内温度变幅较小，仅设一道伸缩缝。启闭机轨道梁的梁顶高程按最高涌浪水位加一定安全超高设计，梁顶高程+()(*。启闭机排架的一端和调压室运输洞的岩壁吊车梁相接，为启闭机台车的安装、检修提供了便利的条件。
框架柱、梁结构计算采用“29框排架分析软件”。假定柱底固结于闸墩顶，拟定几种不利的台车轮压位置进行计算。计算结果：柱断面%)"*8%)"*，
梁断面除最大跨度
（净跨%()%*）处为"),*8%)!*外，其余均为"),*8%)"*。
’结语
尾水调压室和尾水检修闸门廊道相结合的布置方式，通过工程施工和电站试运行的检验，说明是合理可行的。但因闸门启闭的需要，抬高了调压室的顶拱高程，便给调压室的支护增加了不利因素。大断面地下洞室在有内水且水位变幅较大的条件下，采用喷混凝土支护是不多见的，棉花滩水电站的建设者进行了较大胆的尝试。水位的骤降引起岩体内孔隙水压力的变化，对岩壁和喷混凝土层的稳定会有多大的影响，在计算分析中还无法量化，有待于更多的研究。在电站运行时，应加强对调压室的监测，以便进一步总结，或有异常及时采取措施。