抽水蓄能電站庫底及庫周廊道配筋計算分析

呂汶蔚

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 概述

對于全庫盆防滲的水庫而言，為了防止滲水對庫岸和庫底防滲面板的破壞，需沿庫周和庫底設置檢查和排水廊道。庫周及庫底廊道滲水量少，可按無壓隧洞進行設計，斷面形式采用圓拱直墻式。在水工隧洞[1]襯砌配筋計算分析中，可采用公式法、有限元法、邊值法[2-4]，本文采用邊值法，利用理正巖土程序6.5[5-7]研究庫盆庫周及庫底廊道圓拱中心角、廊道埋深、襯砌厚度、斷面高寬比以及襯砌的混凝土強度等級對配筋結果的影響，從而為抽水蓄能電站全庫盆防滲庫底及庫周廊道設計提供參考依據。

2 計算說明

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站工程正常蓄水位為2 247.00 m，庫底高程為2 220.0 m。上水庫庫周及庫底排水廊道襯砌采用鋼筋混凝土結構，城門洞形，其中庫周排水廊道均位于弱風化～新鮮花崗巖體中。庫底排水廊道部分位于回填區，且回填深度較小，最大約為10 m，為減小廊道不均勻沉降變形，回填區庫底廊道基礎全部采用C20素混凝土回填。

2.2 計算模型

本次分別選取庫周和庫底1個典型襯砌斷面進行計算，其中庫底排水廊道選取位于回填區的廊道，共計2個典型襯砌斷面，庫周廊道斷面為A類襯砌斷面，庫底回填區廊道斷面為B類襯砌斷面，斷面A和斷面B體形及荷載見圖1、圖2。

圖1 庫周廊道A類襯砌斷面示意

圖2 庫底廊道B類襯砌斷面示意

該工程地下水位埋深較深，暫不考慮外水壓力作用。斷面A計算荷載包括：① 庫內水重；② 圍巖壓力；③ 襯砌自重；④ 頂上混凝土重。斷面B計算荷載包括：① 庫內水重；② 兩側土壓力(考慮兩側回填土上水壓力作用)；③ 襯砌自重；④ 頂上混凝土重。

2.3 計算參數及工況

1)結構重要性系數

根據《水工隧洞設計規范》NB/T 10391—2020[8]第8.0.6條，該工程建筑物級別為1，安全級別為Ⅰ，結構重要性系數為1.1。

2)設計狀況系數

根據《水工混凝土結構設計規范》NB/T 11011—2022[9]第3.2.3條，運行期持久狀況系數為1.0，短暫狀況系數為0.95，偶然狀況系數為0.85。

3)結構系數

根據《水工混凝土結構設計規范》NB/T 11011—2022第3.2.3條，邊值法[10-11]為1.2。

4)荷載分項系數

根據《水工隧洞設計規范》NB/T 10391—2020第9.2.1條，圍巖壓力分項系數為1.0，襯砌自重分項系數為1.1，靜水壓力分項系數為1.0。

5)根據《水工建筑物荷載規范》GB/T 1394—2020[12]第8.3.5條，圍巖的水平壓力系數取0.075，根據《水工建筑物荷載規范》GB/T 1394—2020附錄G第G.0.2條，回填土靜止土壓力系數取0.3。

6)鋼筋選用Ⅲ級鋼筋，抗拉(壓)設計強度為360 N/mm2，彈性模量為2.0×105N/mm2，泊松比為0.3。材料容重：碎石排水墊層為22.0 kN/m3，過渡料為21.9 kN/m3，庫底塊石回填料為21.6 kN/m3，水為10 kN/m3。

7)廊道襯砌混凝土分別采用不同的強度等級對比分析，其物理力學指標見表1。

表1 混凝土力學指標

8)最大裂縫寬度允許值為0.25 mm；混凝土保護層厚度為10 cm。

9)圍巖類別為Ⅲ2，干密度為2.63 g/cm3，單位彈性抗力系數K0為50 MPa/cm。

3 計算過程

3.1 圓拱中心角

廊道埋深為1.0 m，襯砌厚度為0.6 m，斷面尺寸為2 m×2.5 m(寬×高)，混凝土強度等級為C25，襯砌斷面A和B在不同的圓拱中心角下廊道配筋結果見表2。

表2 不同圓拱中心角方案計算結果

根據以上計算結果可知，隨著圓拱中心角的逐漸增大，庫周廊道(襯砌斷面A)側墻和頂拱的配筋面積不隨其變化而變化，但底板的內側和外側配筋面積逐漸減小(底板內側配筋面積減少率約為0.6%，底板外側配筋面積減少率約為0.8%)。隨著圓拱中心角的逐漸增大，庫底廊道(襯砌斷面B)側墻和頂拱的配筋面積并不隨其變化而變化，底板內側在圓拱中心角為90°的時候配筋面積最小，外側在圓拱中心角為90°的時候配筋面積最大。具體變化趨勢見圖3、圖4。

圖3 底板內側配筋面積示意

圖4 底板外側配筋面積示意

3.2 埋深

圓拱中心角為180°，襯砌厚度為0.6 m，斷面尺寸為2 m×2.5 m(寬×高)，混凝土強度等級為C25，襯砌斷面A和B在不同的埋深(1.0 m、1.25 m、1.5 m)下廊道配筋結果見表3。

表3 不同埋深方案計算結果

根據以上計算結果可知，隨著廊道埋深的逐漸增大，庫周廊道(襯砌斷面A)和庫底廊道(襯砌斷面B)側墻和頂拱的配筋面積不隨其變化而變化，底板的內側和外側配筋面積逐漸增大(底板內側配筋面積增長率大致為2%，底板外側配筋面積增長率大約為2%)。具體變化趨勢見圖5、圖6。

圖5 底板內側配筋面積示意

圖6 底板外側配筋面積示意

3.3 襯砌厚度

廊道埋深為1.0 m，圓拱中心角為180°，斷面尺寸為2 m×2.5 m(寬×高)，混凝土強度等級為C25，襯砌斷面A和B在不同的襯砌厚度(0.6 m、0.7 m、0.8 m)[7]下廊道配筋結果見表4。

表4 不同襯砌厚度方案計算結果

根據以上計算結果可知，隨著廊道襯砌厚度的逐漸增大，庫周廊道(襯砌斷面A)和庫底廊道(襯砌斷面B)底板內側的配筋面積逐步增大，廊道側墻和頂拱的配筋面積也隨之增大，底板外側的配筋面積逐漸減小。具體變化趨勢見圖7～圖10。

圖7 底板內側配筋面積示意

圖8 底板外側配筋面積示意

圖9 側墻、頂拱內側配筋面積示意

圖10 側墻、頂拱外側配筋面積示意

3.4 斷面高寬比

廊道埋深為1.0 m，襯砌厚度為0.6 m，圓拱中心角為180°，混凝土強度等級為C25，襯砌斷面A和B在不同的斷面尺寸(寬×高：2 m×2 m、2 m×2.5 m、2 m×3 m)下廊道配筋結果見表5。

表5 不同斷面尺寸方案計算結果

根據以上計算結果可知，隨著斷面高寬比的增加，庫周廊道(襯砌斷面A)側墻和頂拱的配筋面積不隨其變化而變化，底板外側配筋面積逐漸增大，底板內側配筋面積在斷面尺寸為2 m×3 m時最大。隨著斷面高寬比的增加，庫底廊道(襯砌斷面B)側墻和頂拱的配筋面積也不隨其變化而變化，底板內側配筋面積逐漸減小，外側配筋面積逐漸增大。具體變化趨勢見圖11～圖12。

圖11 底板內側配筋面積示意

圖12 底板外側配筋面積示意

3.5 混凝土強度等級

廊道埋深為1.0 m，襯砌厚度為0.6 m，圓拱中心角為180°，斷面尺寸為2 m×2.5 m(寬×高)，襯砌斷面A和B在不同的混凝土強度等級(C25、C30、C35)下廊道配筋結果見表6。

表6 不同混凝土強度等級方案計算結果

根據以上計算結果可知，隨著混凝土強度等級的提高，庫周廊道(襯砌斷面A)和庫底廊道(襯砌斷面B)底板內側和外側的配筋面積均逐步增大，廊道側墻和頂拱的配筋不隨其變化而變化。具體變化趨勢見圖13～圖14。

圖13 底板內側配筋面積示意

圖14 底板外側配筋面積示意

4 結語

本文采用邊值法計算方法，引用理正巖土程序6.5對抽水蓄能電站庫底及庫周廊道襯砌內力和配筋進行計算，分析圓拱直墻式廊道圓拱中心角、廊道埋深、襯砌厚度、斷面高寬比以及襯砌的混凝土強度等級對配筋結果的影響，得到以下結論：

1)對于全庫盆防滲庫周廊道(襯砌斷面A)來說，底板內側配筋面積隨著圓拱中心角的增大而逐漸減小，隨著廊道埋深、襯砌厚度的增大而逐漸增大，底板內側配筋面積在斷面尺寸2 m×3 m時最大，隨著混凝土強度等級的提高，底板內側配筋面積逐步增大；底板外側配筋面積隨著圓拱中心角的增大而逐漸減小，隨著廊道埋深的增大而逐漸增大，隨著襯砌厚度的增大而逐漸減小，隨著斷面高寬比的增加逐漸增大，隨著混凝土強度等級的提高，配筋面積均逐步增大。

2)對于全庫盆防滲庫周廊道(襯砌斷面A)來說，側墻和頂拱配筋面積不隨圓拱中心角、埋深、斷面高寬比以及混凝土強度等級的的變化而變化，但隨著襯砌厚度的增大而逐漸增大。

3)對于全庫盆防滲位于回填區的庫底廊道(襯砌斷面B)來說，底板內側配筋面積在圓拱中心角為90°的時候配筋面積最小，隨著廊道埋深、襯砌厚度的增大而逐漸增大，隨著斷面高寬比的增加，底板內側配筋面積逐漸減小，隨著混凝土強度等級的提高，底板內側配筋面積均逐步增大；底板外側配筋面積在圓拱中心角為90°的時候配筋面積最大，隨著廊道埋深的逐漸增大而增大，隨著襯砌厚度的增大而逐漸減小，隨著斷面高寬比的增加逐漸增大，隨著混凝土強度等級的提高，配筋面積均逐步增大。

4)對于全庫盆防滲位于回填區的庫底廊道(襯砌斷面B)來說，側墻和頂拱配筋面積不隨圓拱中心角、埋深、斷面高寬比以及混凝土強度等級的的變化而變化，但隨著襯砌厚度的增大而逐漸增大。