抽水蓄能电站库底及库周廊道配筋计算分析

吕汶蔚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 概述

对于全库盆防渗的水库而言，为了防止渗水对库岸和库底防渗面板的破坏，需沿库周和库底设置检查和排水廊道。库周及库底廊道渗水量少，可按无压隧洞进行设计，断面形式采用圆拱直墙式。在水工隧洞[1]衬砌配筋计算分析中，可采用公式法、有限元法、边值法[2-4]，本文采用边值法，利用理正岩土程序6.5[5-7]研究库盆库周及库底廊道圆拱中心角、廊道埋深、衬砌厚度、断面高宽比以及衬砌的混凝土强度等级对配筋结果的影响，从而为抽水蓄能电站全库盆防渗库底及库周廊道设计提供参考依据。

2 计算说明

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站工程正常蓄水位为2 247.00 m，库底高程为2 220.0 m。上水库库周及库底排水廊道衬砌采用钢筋混凝土结构，城门洞形，其中库周排水廊道均位于弱风化～新鲜花岗岩体中。库底排水廊道部分位于回填区，且回填深度较小，最大约为10 m，为减小廊道不均匀沉降变形，回填区库底廊道基础全部采用C20素混凝土回填。

2.2 计算模型

本次分别选取库周和库底1个典型衬砌断面进行计算，其中库底排水廊道选取位于回填区的廊道，共计2个典型衬砌断面，库周廊道断面为A类衬砌断面，库底回填区廊道断面为B类衬砌断面，断面A和断面B体形及荷载见图1、图2。

图1 库周廊道A类衬砌断面示意

图2 库底廊道B类衬砌断面示意

该工程地下水位埋深较深，暂不考虑外水压力作用。断面A计算荷载包括：① 库内水重；② 围岩压力；③ 衬砌自重；④ 顶上混凝土重。断面B计算荷载包括：① 库内水重；② 两侧土压力(考虑两侧回填土上水压力作用)；③ 衬砌自重；④ 顶上混凝土重。

2.3 计算参数及工况

1)结构重要性系数

根据《水工隧洞设计规范》NB/T 10391—2020[8]第8.0.6条，该工程建筑物级别为1，安全级别为Ⅰ，结构重要性系数为1.1。

2)设计状况系数

根据《水工混凝土结构设计规范》NB/T 11011—2022[9]第3.2.3条，运行期持久状况系数为1.0，短暂状况系数为0.95，偶然状况系数为0.85。

3)结构系数

根据《水工混凝土结构设计规范》NB/T 11011—2022第3.2.3条，边值法[10-11]为1.2。

4)荷载分项系数

根据《水工隧洞设计规范》NB/T 10391—2020第9.2.1条，围岩压力分项系数为1.0，衬砌自重分项系数为1.1，静水压力分项系数为1.0。

5)根据《水工建筑物荷载规范》GB/T 1394—2020[12]第8.3.5条，围岩的水平压力系数取0.075，根据《水工建筑物荷载规范》GB/T 1394—2020附录G第G.0.2条，回填土静止土压力系数取0.3。

6)钢筋选用Ⅲ级钢筋，抗拉(压)设计强度为360 N/mm2，弹性模量为2.0×105N/mm2，泊松比为0.3。材料容重：碎石排水垫层为22.0 kN/m3，过渡料为21.9 kN/m3，库底块石回填料为21.6 kN/m3，水为10 kN/m3。

7)廊道衬砌混凝土分别采用不同的强度等级对比分析，其物理力学指标见表1。

表1 混凝土力学指标

8)最大裂缝宽度允许值为0.25 mm；混凝土保护层厚度为10 cm。

9)围岩类别为Ⅲ2，干密度为2.63 g/cm3，单位弹性抗力系数K0为50 MPa/cm。

3 计算过程

3.1 圆拱中心角

廊道埋深为1.0 m，衬砌厚度为0.6 m，断面尺寸为2 m×2.5 m(宽×高)，混凝土强度等级为C25，衬砌断面A和B在不同的圆拱中心角下廊道配筋结果见表2。

表2 不同圆拱中心角方案计算结果

根据以上计算结果可知，随着圆拱中心角的逐渐增大，库周廊道(衬砌断面A)侧墙和顶拱的配筋面积不随其变化而变化，但底板的内侧和外侧配筋面积逐渐减小(底板内侧配筋面积减少率约为0.6%，底板外侧配筋面积减少率约为0.8%)。随着圆拱中心角的逐渐增大，库底廊道(衬砌断面B)侧墙和顶拱的配筋面积并不随其变化而变化，底板内侧在圆拱中心角为90°的时候配筋面积最小，外侧在圆拱中心角为90°的时候配筋面积最大。具体变化趋势见图3、图4。

图3 底板内侧配筋面积示意

图4 底板外侧配筋面积示意

3.2 埋深

圆拱中心角为180°，衬砌厚度为0.6 m，断面尺寸为2 m×2.5 m(宽×高)，混凝土强度等级为C25，衬砌断面A和B在不同的埋深(1.0 m、1.25 m、1.5 m)下廊道配筋结果见表3。

表3 不同埋深方案计算结果

根据以上计算结果可知，随着廊道埋深的逐渐增大，库周廊道(衬砌断面A)和库底廊道(衬砌断面B)侧墙和顶拱的配筋面积不随其变化而变化，底板的内侧和外侧配筋面积逐渐增大(底板内侧配筋面积增长率大致为2%，底板外侧配筋面积增长率大约为2%)。具体变化趋势见图5、图6。

图5 底板内侧配筋面积示意

图6 底板外侧配筋面积示意

3.3 衬砌厚度

廊道埋深为1.0 m，圆拱中心角为180°，断面尺寸为2 m×2.5 m(宽×高)，混凝土强度等级为C25，衬砌断面A和B在不同的衬砌厚度(0.6 m、0.7 m、0.8 m)[7]下廊道配筋结果见表4。

表4 不同衬砌厚度方案计算结果

根据以上计算结果可知，随着廊道衬砌厚度的逐渐增大，库周廊道(衬砌断面A)和库底廊道(衬砌断面B)底板内侧的配筋面积逐步增大，廊道侧墙和顶拱的配筋面积也随之增大，底板外侧的配筋面积逐渐减小。具体变化趋势见图7～图10。

图7 底板内侧配筋面积示意

图8 底板外侧配筋面积示意

图9 侧墙、顶拱内侧配筋面积示意

图10 侧墙、顶拱外侧配筋面积示意

3.4 断面高宽比

廊道埋深为1.0 m，衬砌厚度为0.6 m，圆拱中心角为180°，混凝土强度等级为C25，衬砌断面A和B在不同的断面尺寸(宽×高：2 m×2 m、2 m×2.5 m、2 m×3 m)下廊道配筋结果见表5。

表5 不同断面尺寸方案计算结果

根据以上计算结果可知，随着断面高宽比的增加，库周廊道(衬砌断面A)侧墙和顶拱的配筋面积不随其变化而变化，底板外侧配筋面积逐渐增大，底板内侧配筋面积在断面尺寸为2 m×3 m时最大。随着断面高宽比的增加，库底廊道(衬砌断面B)侧墙和顶拱的配筋面积也不随其变化而变化，底板内侧配筋面积逐渐减小，外侧配筋面积逐渐增大。具体变化趋势见图11～图12。

图11 底板内侧配筋面积示意

图12 底板外侧配筋面积示意

3.5 混凝土强度等级

廊道埋深为1.0 m，衬砌厚度为0.6 m，圆拱中心角为180°，断面尺寸为2 m×2.5 m(宽×高)，衬砌断面A和B在不同的混凝土强度等级(C25、C30、C35)下廊道配筋结果见表6。

表6 不同混凝土强度等级方案计算结果

根据以上计算结果可知，随着混凝土强度等级的提高，库周廊道(衬砌断面A)和库底廊道(衬砌断面B)底板内侧和外侧的配筋面积均逐步增大，廊道侧墙和顶拱的配筋不随其变化而变化。具体变化趋势见图13～图14。

图13 底板内侧配筋面积示意

图14 底板外侧配筋面积示意

4 结语

本文采用边值法计算方法，引用理正岩土程序6.5对抽水蓄能电站库底及库周廊道衬砌内力和配筋进行计算，分析圆拱直墙式廊道圆拱中心角、廊道埋深、衬砌厚度、断面高宽比以及衬砌的混凝土强度等级对配筋结果的影响，得到以下结论：

1)对于全库盆防渗库周廊道(衬砌断面A)来说，底板内侧配筋面积随着圆拱中心角的增大而逐渐减小，随着廊道埋深、衬砌厚度的增大而逐渐增大，底板内侧配筋面积在断面尺寸2 m×3 m时最大，随着混凝土强度等级的提高，底板内侧配筋面积逐步增大；底板外侧配筋面积随着圆拱中心角的增大而逐渐减小，随着廊道埋深的增大而逐渐增大，随着衬砌厚度的增大而逐渐减小，随着断面高宽比的增加逐渐增大，随着混凝土强度等级的提高，配筋面积均逐步增大。

2)对于全库盆防渗库周廊道(衬砌断面A)来说，侧墙和顶拱配筋面积不随圆拱中心角、埋深、断面高宽比以及混凝土强度等级的的变化而变化，但随着衬砌厚度的增大而逐渐增大。

3)对于全库盆防渗位于回填区的库底廊道(衬砌断面B)来说，底板内侧配筋面积在圆拱中心角为90°的时候配筋面积最小，随着廊道埋深、衬砌厚度的增大而逐渐增大，随着断面高宽比的增加，底板内侧配筋面积逐渐减小，随着混凝土强度等级的提高，底板内侧配筋面积均逐步增大；底板外侧配筋面积在圆拱中心角为90°的时候配筋面积最大，随着廊道埋深的逐渐增大而增大，随着衬砌厚度的增大而逐渐减小，随着断面高宽比的增加逐渐增大，随着混凝土强度等级的提高，配筋面积均逐步增大。

4)对于全库盆防渗位于回填区的库底廊道(衬砌断面B)来说，侧墙和顶拱配筋面积不随圆拱中心角、埋深、断面高宽比以及混凝土强度等级的的变化而变化，但随着衬砌厚度的增大而逐渐增大。