火电项目大型地下输煤廊道设计优化的研究

姚 意，邓义虎，李 伟

(湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040)

输煤廊道作为一种常规地下结构，在大中型燃煤电厂工程中普遍存在，通常由于其埋深较大且水土作用较为复杂，如按常规方案设计，廊道的计算跨度偏大，使得顶板和底板的设计厚度较大，导致地下结构混凝土方量和钢筋用量均较大，结构的经济性不高。然而，业内对地上结构有效减少混凝土方量的研究较多，而对地下结构优化设计的研究还不完善。

目前，国内针对地下输煤廊道的研究有所涉及但还不是很全面。吉春明，凌峰，许宁[1]等对地下廊道周围土体压力的计算方法做了详细分析；盛轶丽[2]通过比较封闭箱形和封闭箱形中间加隔墙两种设计方案，得出后者的内力较小、结构方案更合理的结论。

在贵州元豪发电项目中，在设计与汽车卸煤沟相接的一段双路带式输送机地下输煤廊道时，工程组提出一个优化设想：在不影响输煤皮带运行的情况下，在廊道中间设置一排支柱；同时沿廊道纵向在顶板和底板跨中各设一道梁，使顶板及底板与该梁均形成梁板式结构体系。通过和常规设计方案——封闭箱形结构方案，进行比较分析，结果表明此方案有效减小了顶板及底板的计算跨度，从而大大减少混凝土和钢筋用量，最终达到降低工程造价的目的。

1 工程背景概述

贵州兴义元豪发电有限公司新建2×350 MW机组工程位于贵州省兴义市，位于贵州省西南部，地处黔、滇、桂三省(区)结合部中心地带，地理位置十分优越，属于低纬度高海拔地带，兴义市境内地势西北高，东南低，山峦起伏，河流纵横，喀斯特地貌发育十分良好。

该地下输煤廊道按埋深分为两段，中间用变形缝隔开，选取埋深较大的一段20 m长的廊道作为研究对象，并按照原设计方案和改进后的设计方案分别计算混凝土方量和钢筋用量。该段廊道净宽：9 m；净高：2.83 m；廊道顶板标高：-5.2 m；室外地坪：-0.3 m；地下水位标高：-1.3 m[3]。

根据该地下廊道的各项技术参数和指标，首先分析其在地下的水土合算作用，计算廊道顶板和底板的水土压力作用；然后再根据两种设计方案分别计算对应的混凝土方量和钢筋用量，并通过对比分析计算结果，确定设想设计方案的优越性。这对今后针对该类型的地下廊道结构的优化设计具有很好的指导意义。

2 结构内力计算分析

本文主要通过计算覆土压力及地下水作用，得出廊道四周的分布荷载状态，然后通过MIDAS软件进行结构建模分析，得出该地下廊道结构的常规通用设计方案和优化设计方案的结构内力分布。

常规设计方案为封闭箱型结构；优化设计方案为基于封闭箱型结构，在中间设置一排支柱，并同时在柱顶和柱底沿廊道纵向各设一道刚性纵梁[4]。图1、2分别表示利用MIDAS对两种设计方案建模后的成果。

2.1 常规设计方案水土作用计算

廊道顶面压力计算结果如图3所示。

图1 常规设计方案图

图2 优化设计方案图

图3 常规设计方案水土作用示意图

2.2 优化设计方案水土作用计算

廊道顶面压力计算结果如图4所示。

2.3 结构有限元分析

在MIDAS软件模型中添加计算得出的水土作用力，并将底板水土作用拟定为弹性地基，通过计算结果调整板厚及梁柱截面，两种方案截面最终取值如下：

常规方案：廊道净宽9 m，净高2.83 m，侧壁厚度0.8 m，顶板厚度0.9 m，底板厚度1.0 m。优化设计方案：廊道净宽净高同常规方案，侧壁厚度0.4 m，顶板厚度0.5 m，底板厚度0.5 m，廊道中间支柱截面尺寸(b×h)：0.5 m×0.5 m，廊道跨中刚性纵梁截面尺寸(b×h)：0.6 m×0.8 m。

图4 优化设计方案水土作用示意图

计算得出结构内力。图5、图6分别表示两种设计方案下的板单元内力分布。

通过查看两种方案的板单元内力，分析对比表明：优化设计方案中，结构板单元内力幅值更小，受力更合理，一定程度上提高了结构的安全性。

图5 常规设计方案板单元内力(弯矩值)分布图

图6 优化设计方案板单元内力(弯矩值)分布图

3 结构设计及工程量统计

3.1 两种方案结构设计

根据有限元分析结果，进行结构设计，在满足结构变形要求的情况下，统计出两种设计方案的混凝土方量及钢筋耗量。

3.1.1 常规设计方案

根据矩形截面的受力特点，廊道采用对称配筋方案，并将板负弯矩筋锚固延长至1/4跨，充当相邻板的负弯矩筋，以此节省钢筋。配筋如图7所示。

图7 常规设计方案采用的配筋图

3.1.2 优化设计方案

由于廊道水土作用较大，造成顶板及底板较厚，而纵向梁的刚度相对较小，顶板及底板均不能形成单向板[5]。因此在支柱周围1.5 m×1.5 m的方形区域加强配筋，其余位置钢筋仍按照原方式配置，满足结构安全性要求即可。非加强区域和加强区域的配筋方案如图8和图9所示。

3.2 常规方案的混凝土方量和钢筋量

3.2.1 常规方案的混凝土方量计算

根据板厚统计混凝土用量，计算结果如表1所示。

图8 优化后的设计方案中非加强区域采用的配筋图

图9 优化后的设计方案中加强区域采用的配筋图

表1 常规方案混凝土方量表 m3

3.2.2 常规方案的钢筋量计算

根据钢筋构造及分布，分别计算廊道顶板，底板，侧壁内外侧的受力钢筋和分布钢筋的钢筋量，汇总结果如表2所示。

表2 常规方案钢筋量表 t

3.3 优化方案的混凝土方量和钢筋量

3.3.1 优化方案的混凝土方量计算

该方案中除了板的混凝土量计算，还需计入梁、柱混凝土量，统计计算结果如表3所示。

表3 优化方案混凝土方量表 m3

3.3.2 优化方案的钢筋量计算

根据本方案的特点，除了计算廊道顶板，底板，侧壁内外侧的受力钢筋和分布钢筋的钢筋量，还需计入梁柱纵筋及箍筋，汇总结果如表4所示。

表4 优化方案钢筋量表 t

4 研究结果分析

4.1 两种设计方案的结果分析

常规设计方案中，廊道各组成部分混凝土方量的构成比例如图10所示；廊道各组成部分钢筋用量的构成比例如图11所示。

优化设计方案中，廊道各组成部分混凝土方量的构成比例如图12所示；廊道各组成部分钢筋用量的构成比例如图13所示。

图10 常规设计方案混凝土方量构成图

图11 常规设计方案钢筋用钢量构成图

图12 优化设计方案混凝土方量构成图

图13 优化设计方案钢筋用钢量构成图

4.2 两种设计方案的结果对比分析

据统计，常规设计方案中廊道混凝土总方量为493.4 m3，钢筋总用量为65.2 t；优化设计方案中廊道混凝土总方量为263.7 m3，钢筋总用量为35.4 t。

经设计优化后，混凝土总方量减小了约47%；钢筋总用量减小了约46%。两种设计方案下的混凝土方量和钢筋用量的对比如图14所示。

图14 两种设计方案下的混凝土方量和钢筋用量的对比图

产生上述结果的主要原因在于：

1)在常规设计方案中，由于廊道顶板和底板的计算跨度较大，且地下水土作用较为复杂，造成的板单元内力过大，因此顶板及底板的设计厚度取值较大，混凝土方量较大，钢筋耗量也随内力过大而升高。侧壁本身计算高度较小，但因顶板及底板两侧固结连接的要求，壁厚取值随之增大，同样会造成混凝土方量和钢筋用量加大，结构经济性较低。

2)在优化设计方案中，廊道外侧水土作用与常规设计方案一致，但由于在顶板和底板中间各增设一道刚性纵梁，且于中间每隔5 m增设1根支柱，从而使整个结构变为梁板式结构体系，有效减小了顶板及底板的计算跨度，使得板单元内力大大减小，那么板厚和钢筋量也会随之减小。即使增加的梁和柱会导致混凝土方量和钢筋量会有一部分的增加，但通过对比分析可以看出，梁柱在廊道设计中混凝土量仅为22.4 m3，钢筋总量仅4.3 t，二者与常规方案减少的混凝土和钢筋量比小之又小。

综上所述，优化设计方案较之常规设计方案，廊道增设了梁柱相关构件，在一定程度上增加了施工的繁杂程度，但混凝土量和钢筋量均节约了接近50%，造价降低十分明显。

5 结 语

本文依托实际工程，对地下廊道的优化进行了一次尝试，效果十分理想。在今后涉及地下输煤廊道结构设计的工程中，可以根据工程的实际情况，将本次优化设计方案进行推广应用。

本此优化设计的成果也可拓展应用于类似结构的设计方案比选，对于类似工程设计具有较好的理论指导作用和参考意义。