“窑洞式”变电站主厂房与挡土墙一体化设计的力学性能★

张晓晓 吴培红 陈 凯 邓 华

(北京电力经济技术研究院，北京 100055)

黄土窑洞是我国黄土高原的一种民用建筑形式，多为依山崖挖掘而成或在冲沟的两边土壁上挖掘而成。但窑内光线太暗,通风不好。窑内在连阴雨天比较潮湿。对于灾害较多的窑洞，在大量降雨入渗时,易引起塌窑的严重后果，造成居住者心理上的恐慌，因而渐渐淡出人们视野[1]。

同样的原因，窑洞外观的工业建筑亦较为少见，国内类似窑洞外观的工业建筑仅见于几处陡崖处的水电站厂房。施工方法为新奥法隧道施工，依山崖隧道式水平钻进，采用喷锚支护，厂房一般位于隧道内，为条形狭长结构。

本文通过分析玉渡110 kV变电站的结构性能对“窑洞式”变电站结构形式的几项关键技术进行论述，在解决实际问题的同时，为今后同类型结构提供借鉴。

1 工程概况

玉渡110 kV变电站位于北京市延庆区张山营镇西大庄科村东北，规划2022年北京冬奥会奥运村的北部，规划海溪路东侧，承担着延庆赛区核心区的电力供应。由于所处地理位置特殊，需要满足较高的功能需求及景观需求。

玉渡110 kV变电站平面尺寸约为66 m×38 m，地下1层，地上3层。为了满足冬奥会赛前赛后的功能需要以及与整个赛区景观的协调性，本工程采用“窑洞式”建筑形式，变电站采取三侧靠山(临土)，单侧临崖(临空)，上方在赛时设立停车场，赛后重新覆土设滑雪道，整个建筑消隐在冬奥会赛区内。为了满足电力设备运输以及消防要求，变电站必须设消防道路，转弯半径不小于9 m，因而临土侧需设挡土墙，主厂房与挡土墙之间存在约10 m宽的大跨度通道，并与临崖侧道路衔接形成环形通道。窑洞式变电站与周边环境关系如图1所示。

玉渡变电站虽然是三面临土一面临空的窑洞式外观，但与传统的窑洞差异较大。此变电站平面尺寸较大，拟采用明挖法形成基坑，本体结构按顺作法施工，并在变电站上空设计相关功能型场地，此种设计除了达到变电站消隐的效果，在竖向空间上也达到多功能利用的目的。

玉渡110 kV变电站是国内第一座明挖施工大型窑洞式工业建筑。该种结构形式具有显著的环境友好、节约空间的特点，与周围环境融为一体(见图2)。

2 挡土墙与结构本体的设计

2.1 挡土墙与结构分离设计

挡土墙与主厂房分离设计的结构形式为主厂房外挑大平台，悬臂伸至挡土墙上方，悬臂与挡土墙之间设伸缩缝。

此种方案优点是结构受力明确，除顶板需承受上覆土压力外，主厂房侧墙不与周围土体发生关系、不承担水平土压力，侧土压力全部由挡土墙承担。但是结构顶板外挑悬臂跨度很大，且上方还需承受很大的覆土荷载，造成悬挑构件截面及配筋量较大。造成工程造价增大，有极大的局限性。如玉渡变电站结构上覆土厚度最厚达6 m，且顶板需外挑10 m，外挑顶板设计显然不够合理。

采用分力设计的结构形式，挡土墙可采用扶壁式挡土墙。考虑地基承载力、结构受力特点及经济等因素，扶壁式挡土墙适用于深度不宜超过10 m，对于玉渡变电站，挡土墙需要特别处理。且扶壁式挡土墙占地较大，将会增加变电站的占地面积，导致更大的土方工程量及施工周期，从而增加工程造价。因而挡土墙与主厂房分离设计的方案具有较大局限。

2.2 挡土墙与结构一体设计

考虑到以上困难，本文提出了挡土墙与结构一体化设计的方案。即地下部分主厂房与挡土墙采用整体筏形基础，地上部分主厂房与挡土墙通过梁、板进行连接，使得主厂房与挡土墙形成一个完整的结构体，挡土墙同时也成为结构体的外墙，消防道路按设于结构内部考虑(见图3，图4)。

挡土墙与结构一体化设计的优点是变电站结构受力相对合理，在土压力作用下，顶板和侧墙的内力均在合理范围内，解决了挡土墙与结构分离时结构顶板悬挑截面过大、承载能力不足等困难，解决了挡土墙高度局限性的问题。挡土墙与结构一体化设计能节约工程材料，缩短施工进度。

由于结构单侧临空的特殊性，结构体的侧土压力不对称，因而结构在抗滑移、抗倾覆、结构抗震等方面具有与普通地上或地下结构显著不同的特征。下面对“窑洞式”变电站挡土墙与主厂房一体的关键受力特性进行分析。

3 挡墙与结构一体的关键受力特性

3.1 抗震性能

三面临土窑洞式结构与土体相互关系的力学模型如图5，图6所示，结构三面被土包围。尤其对于2—2剖面，结构一侧临土一侧临空，地震作用下结构与土的相互作用非常复杂。由于土体不能对结构产生拉力，土对结构的作用为只受压的非线性弹簧。

只受压非线性弹簧的力学特性如图7所示，N1代表结构节点，d为结构与土体的初始间隙，k为土弹簧的刚度。

由于特征值分析与反应谱分析均为弹性分析，对于计算三面临土的窑洞式结构、尤其是2—2剖面方向的受力模式显然不适用。为了准确的计算地震作用下结构的力学特性，使用Midas Civil建立三维模型进行非线性时程分析。重点分析地震作用下2—2剖面方向一侧临土一侧临空的力学响应(见图8)。

选取1995, HYOUGOKEN地震波，计算结构在该地震波下10 s内的响应。地震波与2—2剖面方向一致(见图9，图10)。

结构迎土方向最大位移2.7 mm，迎空方向最大位移5.2 mm。

为了定性分析一侧土体对结构抗震性能的影响，对比计算了在两侧无土的情况下，结构在该地震波作用下的位移响应(见图11，图12)。

两侧无土的情况下，结构在该地震波作用下结构迎土方向最大位移10.6 mm，迎空方向最大位移11.7 mm。

通过对比显示，一侧临土一侧临空的状况比两侧均无土的状况建筑结构的迎土方向最大位移减少了75%，迎空方向最大位移减少了56%。可以看出一侧临土一侧临空的情况对地震力效应削弱明显。对结构的抗震性能有较大提高。

对于两侧临土的1—1剖面方向，结构两侧临土，与传统的地下结构抗震性能相近，亦能比两侧无土的情况大幅削减地震效应，此处不做赘述。

3.2 抗滑移稳定性

由于结构承受不对称土压力，在某一剖面存在一侧临土一侧临空(以下论述称为土压力不对称剖面)。在不对称土压力作用下，需要验算结构是否产生滑移。假定最可能发生滑移的破裂面沿结构底面。

对于结构底面存在倾角θ的情况，结构受力图示如图13所示，计算结构基础底面的滑动力与抗滑力。将结构自重G1、结构正上方覆土重量G2、主动土压力Ea等分解为垂直滑裂面与平行滑裂面两个方向。

滑裂面处的静摩擦力(μ为基础与地基摩擦系数)：

f=(G1n+G2n+Ean)μ。

平行滑裂面的力：

F=Eat-G1t-G2t。

抗滑移稳定系数可按下式计算：

其中：

G1n=G1×cosθ;G1t=G1×sinθ；

G2n=G2×cosθ;G2t=G2×sinθ；

Ean=Ea×cosθ;Eat=Ea×sinθ。

由公式不难看出，增大θ有助于提高抗滑稳定；结构的高度越高越不利，结构平面尺寸越大越有利；结构上方覆土厚度越大，虽然G2增大了，但也会使Ea增大，对结构抗滑性能的影响应根据覆土地形情况精确核算。

因而对于结构宽度与结构高度比值过小导致抗滑移力较小的情况，可考虑增大结构底面倾角θ，或设置抗滑桩。

另外，施工过程中的抗滑移性能也应该重视，回填过程中应注意土压力的变化。考虑到施工过程较为短暂，对抗滑移稳定系数的要求可适当降低。

3.3 抗倾覆性能

结构在不对称土压力的作用下，有发生倾覆的可能，因而需要验算结构的抗倾覆性能。结构受力如图14所示，将结构自重G1、结构正上方覆土重量G2、主动土压力Ea等对结构左下角O点取矩。

倾覆力矩为:

M1=Eah。

抗倾覆力矩为:

M2=G1X1+G2X2。

抗倾覆稳定性按下式计算:

从公式可知，基础底面与基岩土的角度对抗倾覆系数没有影响；结构的高度越高越不利，结构平面尺寸越大越有利；结构上方覆土厚度越大，虽然G2增大了，但也会使Ea增大，对结构抗滑性能的影响应根据覆土地形情况精确核算。

因而对于结构宽度与结构高度比值过小导致抗倾覆安全系数较小的情况，可在结构迎土侧设置抗拔桩。

4 结语

本文结合玉渡变电站，对“窑洞式”变电站进行了分析。

首先对明挖结构与挡土墙的关系作了对比，得出了覆土较深结构尺寸较大的情况下挡土墙与结构一体设计更合理的结论。

其次对挡土墙与结构一体设计的关键力学特性进行了计算分析，得出了以下结论及内容：

1)在地震作用下，一侧临土一侧临空的状况比两侧均无土的状况建筑结构的迎土方向地震效应减小显著。对于两侧临土的1—1剖面方向，结构两侧临土，与传统的地下结构抗震性能相近，亦能比两侧无土的情况大幅削减地震效应。因而该种结构形式相比地上结构的抗震性能有较大提高。

2)利用结构的抗倾覆稳定计算公式和抗滑移稳定计算公式，解决了此种结构类型的滑移稳定和倾覆稳定问题。

3)该种结构形式不仅具有显著的环境友好、节约空间的特点，且结构受力合理，很好的实现了建筑变电站及奥运赛道的各项功能。