荒沟抽水蓄能电站地下厂房电缆竖井设计

杜文才，张 煜，程 龙，王 强

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130000）



荒沟抽水蓄能电站地下厂房电缆竖井设计

杜文才，张 煜，程 龙，王 强

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130000）

［摘 要］电缆竖井是抽水蓄能电站地下厂房的重要建筑物，多采用工程类比的方法进行设计，缺少理论依据，文中以荒沟抽水蓄能电站工程为实例，探索地下厂房电缆竖井设计的理论方法，主要包括竖井截面尺寸确定和衬砌配筋计算。

［关键词］地下厂房；电缆竖井；尺寸确定；衬砌配筋

1　工程概况

荒沟抽水蓄能电站总装机容量为1 200 MW，安装4台水泵水轮机-发电电动机组，单机容量为300 MW。

荒沟抽水蓄能电站枢纽建筑物主要由主坝、副坝、输水系统和地下厂房等组成，其中地下厂房为深埋式地下厂房，高压出线采用竖井方式，位于厂房右端部附近，开挖深度350 m，为超深竖井，考虑到外水压力和山岩压力较大、地质条件复杂等不确定外界条件，结合同类工程类比分析，选用受力条件较好的圆形断面为本工程的断面形式。

电缆竖井的地面出口位于地面开关站高程500 m缓坡处，地表覆盖层厚约1 m，由含砾低液限粉土组成。构成井身的岩石皆为坚硬的白岗花岗岩，风化不深，表部全强风化层厚仅2.5～3 m，井身大多位于弱风化～微风化岩体内，井周地下水位较高（水位高程为491.45 m），井身表部全、强风化岩石建议按Ⅳ类围岩考虑，上部弱风化岩石建议按Ⅲ类围岩考虑，下部微风化岩石属II类围岩，断层部位属Ⅳ类围岩，各类围岩的物理力学参数见表1。

根据地质资料，自上而下井身均为白岗花岗岩，考虑到地下围岩分布的不确定性和地下断层的影响，按Ⅲ类围岩进行计算，花岗岩容重27 kN/m3。

表1电缆竖井范围内各类围岩的物理力学参数表

2　计算原理

2.1计算假定

1）由于电缆竖井井筒深度较大，沿竖直方向按平面应变问题计算，假定井筒竖向应变为零。

2）计算中考虑衬砌与围岩密接，井壁锚杆及混凝土与侧壁的摩擦力作用可以维持衬砌自重，所以内力计算不考虑自重荷载，作用在竖井衬砌上的荷载主要有侧向山岩压力、外水压力。

3）由于电缆竖井内的板和梁可能是后期预制完成，所以竖井结构计算不考虑内部板、梁对竖井衬砌的支撑作用。

2.2侧向山岩压力计算根据《建井工程结构》，侧向山岩压力的计算采用修正后的松散体理论（秦巴列维奇公式），秦式认为每层岩石形成自己的滑动三棱柱体，上部覆盖的岩石以竖向荷载的方式作用在下部的滑动三棱柱体上。作用在井筒上的侧压力按挡土墙土压力的公式计算：

式中：Pn——第n层岩石作用在井筒上的单位面积力，kN/m2；γn——第n层岩石容重，kN/m3；hn——第n层岩石厚度，m；h0——第n层以上各层对第n层容重的换算高度，m；具体换算公式如下：

准n——第n层岩石等效内摩擦角，宜按当地经验确定，当缺乏当地经验时参照《建筑边坡工程技术规范》4.3.4条选取度。

上述侧向山岩压力计算公式适用于水平岩层，在水平岩层中，圆形井筒断面各个方向的压力是均匀分布的。对于荒沟抽水蓄能电站地下厂房电缆竖井来说，根据地质资料，岩层基本都是水平走向或者倾角较小，计算中均按水平岩层计算侧向山岩压力。

但在倾斜岩层中，通常是倾斜方向作用在井筒上的压力要大于水平方向的，在倾斜岩层中，围岩压力要乘以一个侧压力系数ω，即：

其中：ω取值参照下表：

表2侧压力增大系数与岩层倾角对应表

2.3侧向水压力计算

外水压力的计算考虑到竖井的地质情况以及设计中已设的系统排水措施，根据排水效果参照《水工隧洞设计规范》附录H进行折减计算。

式中：PW——计算断面所处高程的井筒外壁水压力，kN/m2；γW——水的容重，9.81 kN/m3；β——外水压力折减系数，取值0～1.0，无量纲；H0——地下水位高程，m；HW——计算断面所处高程，m。

2.4电缆竖井井壁厚度计算

考虑侧向山岩压力和侧向水压力的共同作用，根据《建井工程结构》，在已知井壁内径尺寸的情况下，假定井壁厚度未定，分别按薄壁管和厚壁管理论进行井壁厚度计算。

2.4.1按薄壁管理论计算

式中：Ra——混凝土轴心抗压设计强度，N/mm2；K——强度设计安全系数，按《建井工程结构》表2 取1.7；P——井壁外侧压力值，P=Pn+Pw，kN/m2；r——井筒内径，为已知值，m；h——衬砌厚度，m。

2.4.2按厚壁管理论计算根据古别拉公式，井壁厚度为：

根据《建井工程结构》要求，计算得到的井壁厚度取上限为5 cm的整数倍。

2.5电缆竖井井壁内力及环向配筋计算

在竖直方向截取1 m宽井壁作为计算单元，井壁在均匀侧压力作用下，其应力分布情况如图1所示。

图1均匀侧压力作用下圆形井壁内力分布

式中：σ1，σ2——井筒内外壁边缘的应力，kN/m2；R——井筒外径，m；P——井筒衬砌外侧压力，kN/ m2；h——井筒衬砌厚度，m；r0——井壁平均半径，m；r——井壁内半径，m。

对受均匀侧压力作用的井壁进行配筋计算时，应力计算引入安全系数，安全系数取为K=1.7，得：

若σ

式中：Rg——钢筋抗压设计强度，kN/mm2；

其它参数同上。

按《建井工程结构》规定，最小配筋率，受压钢筋的计算配筋率若小于最小配筋率Mmin=0.2%，应按构造要求配置环向钢筋。

3　结论

按照上述理论对荒沟抽水蓄能电站的电缆竖井进行计算分析，并将计算结果与国内已建相似工程的电缆竖井设计情况对比汇总如下表3所示。

表3国内已建电缆竖井结构尺寸和配筋对比表

通过对以上各工程结构尺寸和配筋情况的对比分析，说明前述竖井计算方法的假定是合理的，能较好地反映竖井的实际受力情况，计算结果可靠，可作为国内其他类似工程的参考。

［参考文献］

［1］淮南煤炭学院，山东矿业学院.建井工程结构［M］.北京：煤炭工业出版社，1979.

［中图分类号］TV731.6

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0004－03

[收稿日期]2016-01-07