文档介绍：水
利
学
报
2009 年 10 月 SHUILI
XUEBAO 第 40 卷
第 10 期
文章编号: 0559
9350( 2009) 10
1233
07
预测气垫式调压室运行中漏气量的数学模型
1, 2 1 2
孙冬梅, 冯
平, 张明进
( 1
天津大学建筑工程学院, 天津
300072;
2
交通部天津水运工程科学研究院水工构造物检测、诊断与加固技术交通行业重点实验室, 天津
300456)
摘要: 针对气垫式调压室运行过程中气压室内的气体沿单裂缝向黏土夹层渗漏的水- 气二相渗流过程, 建立了基
于多相流理论的水- 气二相流模型。模拟了不同的围岩孔隙水压力与调压室内气压力比值情况下的气压室漏气
情况, 结果表明, 当该比值增大时, 漏气量将迅速减少, 验证了设置水幕防漏措施的有效性。所建立的水- 气二相
流模型可以充分考虑调压室地质条件, 水幕的压力, 气室气压及围岩性质等因素的影响, 为空气损失评估、水幕设
计及对漏气严重的调压室进行修补提供了依据。
关键词: 气垫式调压室; 水- 气二相流; 水幕防漏; 漏气量
中图分类号: TV732
5 文献标识码: A
1
研究背景
气垫式调压室是一种性能优越的水锤和涌波控制设施, 它的室内一部分充水, 在水面之上由边壁和
水面围成的密闭空间内充满高压空气, 形成气垫, 依靠气体的压缩和膨胀特性来反射水锤波和减小调压
室内水位的涨落幅度。自从 1973 年世界上第一座气垫式调压室在挪威 Driva 投入运行以来, 目前国内
外已建成 13 座气垫式调压室[1] 。在我国, 由于技术、经验等不足, 直到本世纪初气垫式调压室才进入真
正的工程应用阶段。气垫式调压室具有良好的平息水锤、保护环境和经济安全的特点, 符合绿色水电的
发展趋势, 已成为新一代水道系统的标志之一。随着对环境保护问题的日益重视, 以及为了节约工程投
资, 越来越多的水电站需要研究比较是否采用气垫式调压室方案。为此, 笔者在水- 气二相流模型研究
的基础上, 对气垫式调压室的主要设计问题之一, 预测其在运行中的空气损失量, 进行了探索性的研究。
在调压室的设计中, 预测其在运行中的空气损失量是极为必要的, 如果漏气量超过电站的空压设备
能力, 则气垫不起作用, 调压室难以有效地工作。漏气量主要取决于岩体的渗透系数及岩体内孔隙水压
力与调压室内气压力的比值, 目前对漏气量的估算, 挪威岩土所专家 Tokhein 和 Janbu 提出了半经验公
式[ 2] 。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,
因而难以对气体渗漏进行精确预测。为了解决漏气问题, 对于不衬砌气垫式调压室, 设置水幕是最经济
有效的气体防漏措施, 即人为地增大气垫周围的地下水压力, 提高围岩孔隙水压力与气垫压力的比值。
然而, 要定量研究气垫式调压室漏气量需要考虑裂隙介质中水相和气相的运移, 属于水- 气二相流
问题, 必须建立水- 气二相流模型来模拟超压空气通过围岩裂缝向周围渗漏的过程。本文基于水- 气
二相流模型的研究成果[ 3- 6] , 将其应用到预测气垫式调压室漏气量的问题中, 为空气损失评估