“窯洞式”變電站主廠房與擋土墻一體化設(shè)計的力學(xué)性能★

張曉曉 吳培紅 陳 凱 鄧 華

(北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院，北京 100055)

黃土窯洞是我國黃土高原的一種民用建筑形式，多為依山崖挖掘而成或在沖溝的兩邊土壁上挖掘而成。但窯內(nèi)光線太暗,通風(fēng)不好。窯內(nèi)在連陰雨天比較潮濕。對于災(zāi)害較多的窯洞，在大量降雨入滲時,易引起塌窯的嚴(yán)重后果，造成居住者心理上的恐慌，因而漸漸淡出人們視野[1]。

同樣的原因，窯洞外觀的工業(yè)建筑亦較為少見，國內(nèi)類似窯洞外觀的工業(yè)建筑僅見于幾處陡崖處的水電站廠房。施工方法為新奧法隧道施工，依山崖隧道式水平鉆進(jìn)，采用噴錨支護，廠房一般位于隧道內(nèi)，為條形狹長結(jié)構(gòu)。

本文通過分析玉渡110 kV變電站的結(jié)構(gòu)性能對“窯洞式”變電站結(jié)構(gòu)形式的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，在解決實際問題的同時，為今后同類型結(jié)構(gòu)提供借鑒。

1 工程概況

玉渡110 kV變電站位于北京市延慶區(qū)張山營鎮(zhèn)西大莊科村東北，規(guī)劃2022年北京冬奧會奧運村的北部，規(guī)劃海溪路東側(cè)，承擔(dān)著延慶賽區(qū)核心區(qū)的電力供應(yīng)。由于所處地理位置特殊，需要滿足較高的功能需求及景觀需求。

玉渡110 kV變電站平面尺寸約為66 m×38 m，地下1層，地上3層。為了滿足冬奧會賽前賽后的功能需要以及與整個賽區(qū)景觀的協(xié)調(diào)性，本工程采用“窯洞式”建筑形式，變電站采取三側(cè)靠山(臨土)，單側(cè)臨崖(臨空)，上方在賽時設(shè)立停車場，賽后重新覆土設(shè)滑雪道，整個建筑消隱在冬奧會賽區(qū)內(nèi)。為了滿足電力設(shè)備運輸以及消防要求，變電站必須設(shè)消防道路，轉(zhuǎn)彎半徑不小于9 m，因而臨土側(cè)需設(shè)擋土墻，主廠房與擋土墻之間存在約10 m寬的大跨度通道，并與臨崖側(cè)道路銜接形成環(huán)形通道。窯洞式變電站與周邊環(huán)境關(guān)系如圖1所示。

玉渡變電站雖然是三面臨土一面臨空的窯洞式外觀，但與傳統(tǒng)的窯洞差異較大。此變電站平面尺寸較大，擬采用明挖法形成基坑，本體結(jié)構(gòu)按順作法施工，并在變電站上空設(shè)計相關(guān)功能型場地，此種設(shè)計除了達(dá)到變電站消隱的效果，在豎向空間上也達(dá)到多功能利用的目的。

玉渡110 kV變電站是國內(nèi)第一座明挖施工大型窯洞式工業(yè)建筑。該種結(jié)構(gòu)形式具有顯著的環(huán)境友好、節(jié)約空間的特點，與周圍環(huán)境融為一體(見圖2)。

2 擋土墻與結(jié)構(gòu)本體的設(shè)計

2.1 擋土墻與結(jié)構(gòu)分離設(shè)計

擋土墻與主廠房分離設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式為主廠房外挑大平臺，懸臂伸至擋土墻上方，懸臂與擋土墻之間設(shè)伸縮縫。

此種方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)受力明確，除頂板需承受上覆土壓力外，主廠房側(cè)墻不與周圍土體發(fā)生關(guān)系、不承擔(dān)水平土壓力，側(cè)土壓力全部由擋土墻承擔(dān)。但是結(jié)構(gòu)頂板外挑懸臂跨度很大，且上方還需承受很大的覆土荷載，造成懸挑構(gòu)件截面及配筋量較大。造成工程造價增大，有極大的局限性。如玉渡變電站結(jié)構(gòu)上覆土厚度最厚達(dá)6 m，且頂板需外挑10 m，外挑頂板設(shè)計顯然不夠合理。

采用分力設(shè)計的結(jié)構(gòu)形式，擋土墻可采用扶壁式擋土墻。考慮地基承載力、結(jié)構(gòu)受力特點及經(jīng)濟等因素，扶壁式擋土墻適用于深度不宜超過10 m，對于玉渡變電站，擋土墻需要特別處理。且扶壁式擋土墻占地較大，將會增加變電站的占地面積，導(dǎo)致更大的土方工程量及施工周期，從而增加工程造價。因而擋土墻與主廠房分離設(shè)計的方案具有較大局限。

2.2 擋土墻與結(jié)構(gòu)一體設(shè)計

考慮到以上困難，本文提出了擋土墻與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的方案。即地下部分主廠房與擋土墻采用整體筏形基礎(chǔ)，地上部分主廠房與擋土墻通過梁、板進(jìn)行連接，使得主廠房與擋土墻形成一個完整的結(jié)構(gòu)體，擋土墻同時也成為結(jié)構(gòu)體的外墻，消防道路按設(shè)于結(jié)構(gòu)內(nèi)部考慮(見圖3，圖4)。

擋土墻與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計的優(yōu)點是變電站結(jié)構(gòu)受力相對合理，在土壓力作用下，頂板和側(cè)墻的內(nèi)力均在合理范圍內(nèi)，解決了擋土墻與結(jié)構(gòu)分離時結(jié)構(gòu)頂板懸挑截面過大、承載能力不足等困難，解決了擋土墻高度局限性的問題。擋土墻與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計能節(jié)約工程材料，縮短施工進(jìn)度。

由于結(jié)構(gòu)單側(cè)臨空的特殊性，結(jié)構(gòu)體的側(cè)土壓力不對稱，因而結(jié)構(gòu)在抗滑移、抗傾覆、結(jié)構(gòu)抗震等方面具有與普通地上或地下結(jié)構(gòu)顯著不同的特征。下面對“窯洞式”變電站擋土墻與主廠房一體的關(guān)鍵受力特性進(jìn)行分析。

3 擋墻與結(jié)構(gòu)一體的關(guān)鍵受力特性

3.1 抗震性能

三面臨土窯洞式結(jié)構(gòu)與土體相互關(guān)系的力學(xué)模型如圖5，圖6所示，結(jié)構(gòu)三面被土包圍。尤其對于2—2剖面，結(jié)構(gòu)一側(cè)臨土一側(cè)臨空，地震作用下結(jié)構(gòu)與土的相互作用非常復(fù)雜。由于土體不能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力，土對結(jié)構(gòu)的作用為只受壓的非線性彈簧。

只受壓非線性彈簧的力學(xué)特性如圖7所示，N1代表結(jié)構(gòu)節(jié)點，d為結(jié)構(gòu)與土體的初始間隙，k為土彈簧的剛度。

由于特征值分析與反應(yīng)譜分析均為彈性分析，對于計算三面臨土的窯洞式結(jié)構(gòu)、尤其是2—2剖面方向的受力模式顯然不適用。為了準(zhǔn)確的計算地震作用下結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，使用Midas Civil建立三維模型進(jìn)行非線性時程分析。重點分析地震作用下2—2剖面方向一側(cè)臨土一側(cè)臨空的力學(xué)響應(yīng)(見圖8)。

選取1995, HYOUGOKEN地震波，計算結(jié)構(gòu)在該地震波下10 s內(nèi)的響應(yīng)。地震波與2—2剖面方向一致(見圖9，圖10)。

結(jié)構(gòu)迎土方向最大位移2.7 mm，迎空方向最大位移5.2 mm。

為了定性分析一側(cè)土體對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，對比計算了在兩側(cè)無土的情況下，結(jié)構(gòu)在該地震波作用下的位移響應(yīng)(見圖11，圖12)。

兩側(cè)無土的情況下，結(jié)構(gòu)在該地震波作用下結(jié)構(gòu)迎土方向最大位移10.6 mm，迎空方向最大位移11.7 mm。

通過對比顯示，一側(cè)臨土一側(cè)臨空的狀況比兩側(cè)均無土的狀況建筑結(jié)構(gòu)的迎土方向最大位移減少了75%，迎空方向最大位移減少了56%?？梢钥闯鲆粋?cè)臨土一側(cè)臨空的情況對地震力效應(yīng)削弱明顯。對結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大提高。

對于兩側(cè)臨土的1—1剖面方向，結(jié)構(gòu)兩側(cè)臨土，與傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)抗震性能相近，亦能比兩側(cè)無土的情況大幅削減地震效應(yīng)，此處不做贅述。

3.2 抗滑移穩(wěn)定性

由于結(jié)構(gòu)承受不對稱土壓力，在某一剖面存在一側(cè)臨土一側(cè)臨空(以下論述稱為土壓力不對稱剖面)。在不對稱土壓力作用下，需要驗算結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生滑移。假定最可能發(fā)生滑移的破裂面沿結(jié)構(gòu)底面。

對于結(jié)構(gòu)底面存在傾角θ的情況，結(jié)構(gòu)受力圖示如圖13所示，計算結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底面的滑動力與抗滑力。將結(jié)構(gòu)自重G1、結(jié)構(gòu)正上方覆土重量G2、主動土壓力Ea等分解為垂直滑裂面與平行滑裂面兩個方向。

滑裂面處的靜摩擦力(μ為基礎(chǔ)與地基摩擦系數(shù))：

f=(G1n+G2n+Ean)μ。

平行滑裂面的力：

F=Eat-G1t-G2t。

抗滑移穩(wěn)定系數(shù)可按下式計算：

其中：

G1n=G1×cosθ;G1t=G1×sinθ；

G2n=G2×cosθ;G2t=G2×sinθ；

Ean=Ea×cosθ;Eat=Ea×sinθ。

由公式不難看出，增大θ有助于提高抗滑穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)的高度越高越不利，結(jié)構(gòu)平面尺寸越大越有利；結(jié)構(gòu)上方覆土厚度越大，雖然G2增大了，但也會使Ea增大，對結(jié)構(gòu)抗滑性能的影響應(yīng)根據(jù)覆土地形情況精確核算。

因而對于結(jié)構(gòu)寬度與結(jié)構(gòu)高度比值過小導(dǎo)致抗滑移力較小的情況，可考慮增大結(jié)構(gòu)底面傾角θ，或設(shè)置抗滑樁。

另外，施工過程中的抗滑移性能也應(yīng)該重視，回填過程中應(yīng)注意土壓力的變化。考慮到施工過程較為短暫，對抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的要求可適當(dāng)降低。

3.3 抗傾覆性能

結(jié)構(gòu)在不對稱土壓力的作用下，有發(fā)生傾覆的可能，因而需要驗算結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能。結(jié)構(gòu)受力如圖14所示，將結(jié)構(gòu)自重G1、結(jié)構(gòu)正上方覆土重量G2、主動土壓力Ea等對結(jié)構(gòu)左下角O點取矩。

傾覆力矩為:

M1=Eah。

抗傾覆力矩為:

M2=G1X1+G2X2。

抗傾覆穩(wěn)定性按下式計算:

從公式可知，基礎(chǔ)底面與基巖土的角度對抗傾覆系數(shù)沒有影響；結(jié)構(gòu)的高度越高越不利，結(jié)構(gòu)平面尺寸越大越有利；結(jié)構(gòu)上方覆土厚度越大，雖然G2增大了，但也會使Ea增大，對結(jié)構(gòu)抗滑性能的影響應(yīng)根據(jù)覆土地形情況精確核算。

因而對于結(jié)構(gòu)寬度與結(jié)構(gòu)高度比值過小導(dǎo)致抗傾覆安全系數(shù)較小的情況，可在結(jié)構(gòu)迎土側(cè)設(shè)置抗拔樁。

4 結(jié)語

本文結(jié)合玉渡變電站，對“窯洞式”變電站進(jìn)行了分析。

首先對明挖結(jié)構(gòu)與擋土墻的關(guān)系作了對比，得出了覆土較深結(jié)構(gòu)尺寸較大的情況下?lián)跬翂εc結(jié)構(gòu)一體設(shè)計更合理的結(jié)論。

其次對擋土墻與結(jié)構(gòu)一體設(shè)計的關(guān)鍵力學(xué)特性進(jìn)行了計算分析，得出了以下結(jié)論及內(nèi)容：

1)在地震作用下，一側(cè)臨土一側(cè)臨空的狀況比兩側(cè)均無土的狀況建筑結(jié)構(gòu)的迎土方向地震效應(yīng)減小顯著。對于兩側(cè)臨土的1—1剖面方向，結(jié)構(gòu)兩側(cè)臨土，與傳統(tǒng)的地下結(jié)構(gòu)抗震性能相近，亦能比兩側(cè)無土的情況大幅削減地震效應(yīng)。因而該種結(jié)構(gòu)形式相比地上結(jié)構(gòu)的抗震性能有較大提高。

2)利用結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定計算公式和抗滑移穩(wěn)定計算公式，解決了此種結(jié)構(gòu)類型的滑移穩(wěn)定和傾覆穩(wěn)定問題。

3)該種結(jié)構(gòu)形式不僅具有顯著的環(huán)境友好、節(jié)約空間的特點，且結(jié)構(gòu)受力合理，很好的實現(xiàn)了建筑變電站及奧運賽道的各項功能。