荒溝抽水蓄能電站地下廠房電纜豎井設(shè)計

杜文才，張 煜，程 龍，王 強

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130000）

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荒溝抽水蓄能電站地下廠房電纜豎井設(shè)計

杜文才，張 煜，程 龍，王 強

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130000）

［摘 要］電纜豎井是抽水蓄能電站地下廠房的重要建筑物，多采用工程類比的方法進行設(shè)計，缺少理論依據(jù)，文中以荒溝抽水蓄能電站工程為實例，探索地下廠房電纜豎井設(shè)計的理論方法，主要包括豎井截面尺寸確定和襯砌配筋計算。

［關(guān)鍵詞］地下廠房；電纜豎井；尺寸確定；襯砌配筋

1　工程概況

荒溝抽水蓄能電站總裝機容量為1 200 MW，安裝4臺水泵水輪機-發(fā)電電動機組，單機容量為300 MW。

荒溝抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由主壩、副壩、輸水系統(tǒng)和地下廠房等組成，其中地下廠房為深埋式地下廠房，高壓出線采用豎井方式，位于廠房右端部附近，開挖深度350 m，為超深豎井，考慮到外水壓力和山巖壓力較大、地質(zhì)條件復(fù)雜等不確定外界條件，結(jié)合同類工程類比分析，選用受力條件較好的圓形斷面為本工程的斷面形式。

電纜豎井的地面出口位于地面開關(guān)站高程500 m緩坡處，地表覆蓋層厚約1 m，由含礫低液限粉土組成。構(gòu)成井身的巖石皆為堅硬的白崗花崗巖，風(fēng)化不深，表部全強風(fēng)化層厚僅2.5～3 m，井身大多位于弱風(fēng)化～微風(fēng)化巖體內(nèi)，井周地下水位較高（水位高程為491.45 m），井身表部全、強風(fēng)化巖石建議按Ⅳ類圍巖考慮，上部弱風(fēng)化巖石建議按Ⅲ類圍巖考慮，下部微風(fēng)化巖石屬II類圍巖，斷層部位屬Ⅳ類圍巖，各類圍巖的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)地質(zhì)資料，自上而下井身均為白崗花崗巖，考慮到地下圍巖分布的不確定性和地下斷層的影響，按Ⅲ類圍巖進行計算，花崗巖容重27 kN/m3。

表1電纜豎井范圍內(nèi)各類圍巖的物理力學(xué)參數(shù)表

2　計算原理

2.1計算假定

1）由于電纜豎井井筒深度較大，沿豎直方向按平面應(yīng)變問題計算，假定井筒豎向應(yīng)變?yōu)榱恪?/p>

2）計算中考慮襯砌與圍巖密接，井壁錨桿及混凝土與側(cè)壁的摩擦力作用可以維持襯砌自重，所以內(nèi)力計算不考慮自重荷載，作用在豎井襯砌上的荷載主要有側(cè)向山巖壓力、外水壓力。

3）由于電纜豎井內(nèi)的板和梁可能是后期預(yù)制完成，所以豎井結(jié)構(gòu)計算不考慮內(nèi)部板、梁對豎井襯砌的支撐作用。

2.2側(cè)向山巖壓力計算根據(jù)《建井工程結(jié)構(gòu)》，側(cè)向山巖壓力的計算采用修正后的松散體理論（秦巴列維奇公式），秦式認為每層巖石形成自己的滑動三棱柱體，上部覆蓋的巖石以豎向荷載的方式作用在下部的滑動三棱柱體上。作用在井筒上的側(cè)壓力按擋土墻土壓力的公式計算：

式中：Pn——第n層巖石作用在井筒上的單位面積力，kN/m2；γn——第n層巖石容重，kN/m3；hn——第n層巖石厚度，m；h0——第n層以上各層對第n層容重的換算高度，m；具體換算公式如下：

準n——第n層巖石等效內(nèi)摩擦角，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定，當(dāng)缺乏當(dāng)?shù)亟?jīng)驗時參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》4.3.4條選取度。

上述側(cè)向山巖壓力計算公式適用于水平巖層，在水平巖層中，圓形井筒斷面各個方向的壓力是均勻分布的。對于荒溝抽水蓄能電站地下廠房電纜豎井來說，根據(jù)地質(zhì)資料，巖層基本都是水平走向或者傾角較小，計算中均按水平巖層計算側(cè)向山巖壓力。

但在傾斜巖層中，通常是傾斜方向作用在井筒上的壓力要大于水平方向的，在傾斜巖層中，圍巖壓力要乘以一個側(cè)壓力系數(shù)ω，即：

其中：ω取值參照下表：

表2側(cè)壓力增大系數(shù)與巖層傾角對應(yīng)表

2.3側(cè)向水壓力計算

外水壓力的計算考慮到豎井的地質(zhì)情況以及設(shè)計中已設(shè)的系統(tǒng)排水措施，根據(jù)排水效果參照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》附錄H進行折減計算。

式中：PW——計算斷面所處高程的井筒外壁水壓力，kN/m2；γW——水的容重，9.81 kN/m3；β——外水壓力折減系數(shù)，取值0～1.0，無量綱；H0——地下水位高程，m；HW——計算斷面所處高程，m。

2.4電纜豎井井壁厚度計算

考慮側(cè)向山巖壓力和側(cè)向水壓力的共同作用，根據(jù)《建井工程結(jié)構(gòu)》，在已知井壁內(nèi)徑尺寸的情況下，假定井壁厚度未定，分別按薄壁管和厚壁管理論進行井壁厚度計算。

2.4.1按薄壁管理論計算

式中：Ra——混凝土軸心抗壓設(shè)計強度，N/mm2；K——強度設(shè)計安全系數(shù)，按《建井工程結(jié)構(gòu)》表2 取1.7；P——井壁外側(cè)壓力值，P=Pn+Pw，kN/m2；r——井筒內(nèi)徑，為已知值，m；h——襯砌厚度，m。

2.4.2按厚壁管理論計算根據(jù)古別拉公式，井壁厚度為：

根據(jù)《建井工程結(jié)構(gòu)》要求，計算得到的井壁厚度取上限為5 cm的整數(shù)倍。

2.5電纜豎井井壁內(nèi)力及環(huán)向配筋計算

在豎直方向截取1 m寬井壁作為計算單元，井壁在均勻側(cè)壓力作用下，其應(yīng)力分布情況如圖1所示。

圖1均勻側(cè)壓力作用下圓形井壁內(nèi)力分布

式中：σ1，σ2——井筒內(nèi)外壁邊緣的應(yīng)力，kN/m2；R——井筒外徑，m；P——井筒襯砌外側(cè)壓力，kN/ m2；h——井筒襯砌厚度，m；r0——井壁平均半徑，m；r——井壁內(nèi)半徑，m。

對受均勻側(cè)壓力作用的井壁進行配筋計算時，應(yīng)力計算引入安全系數(shù)，安全系數(shù)取為K=1.7，得：

若σ

式中：Rg——鋼筋抗壓設(shè)計強度，kN/mm2；

其它參數(shù)同上。

按《建井工程結(jié)構(gòu)》規(guī)定，最小配筋率，受壓鋼筋的計算配筋率若小于最小配筋率Mmin=0.2%，應(yīng)按構(gòu)造要求配置環(huán)向鋼筋。

3　結(jié)論

按照上述理論對荒溝抽水蓄能電站的電纜豎井進行計算分析，并將計算結(jié)果與國內(nèi)已建相似工程的電纜豎井設(shè)計情況對比匯總?cè)缦卤?所示。

表3國內(nèi)已建電纜豎井結(jié)構(gòu)尺寸和配筋對比表

通過對以上各工程結(jié)構(gòu)尺寸和配筋情況的對比分析，說明前述豎井計算方法的假定是合理的，能較好地反映豎井的實際受力情況，計算結(jié)果可靠，可作為國內(nèi)其他類似工程的參考。

［參考文獻］

［1］淮南煤炭學(xué)院，山東礦業(yè)學(xué)院.建井工程結(jié)構(gòu)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1979.

［中圖分類號］TV731.6

［文獻標識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）05－0004－03

[收稿日期]2016-01-07