復雜地形下500 kV變電站場平優(yōu)化設計

陳發(fā)波，葛帆，陳鴻

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029)

復雜地形下500 kV變電站場平優(yōu)化設計

陳發(fā)波?，葛帆，陳鴻

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳 518029)

某500 kV變電站選址位于復雜丘陵山地，原始場地無法滿足建設要求，場地需要進行填低挖高，挖填土方量超過50萬m3，且將形成超過30 m的挖方高邊坡和超過50m的填方高邊坡，場平設計方案對土建成本影響大，土方平衡是設計需要考慮的重點。本文對該場平設計過程中的重難點進行分析，在平面設計、標高選定、邊坡設計等方面對設計方案進行了比選，最終得到優(yōu)化的設計方案。

場平設計；土方平衡；邊坡；填土；500 kV變電站

1 引 言

場平設計是工程建設中重要的一環(huán)。對于簡單地形條件，進行一般平整即可滿足工程建設要求；但對于復雜地形條件，需充分考慮場地的地形地貌、地質條件、工程使用需求等各種因素進行設計。文獻[1]對工業(yè)企業(yè)總平面的設計進行了規(guī)范，但具體的項目需要考慮各自的實際進行綜合設計。尤其是涉及開挖與回填，需要參照相關技術規(guī)范進行設計，并考慮設計方案的經(jīng)濟合理性。

某500 kV變電站選址位于深圳市南山區(qū)東北部丘陵區(qū)，該場地為廢棄采石場，并經(jīng)棄土回填，地形起伏大，工程地質條件復雜。在此地建設變電站，一是工程土方挖填量均較大，且將形成高陡邊坡，場平設計方案對土建成本影響大，需對站址的場平設計需要進行多方面比選，以獲得最優(yōu)的方案。二是土建工程對場地地形環(huán)境改變大，場平設計應盡量減少對現(xiàn)有環(huán)境的破壞，能體現(xiàn)環(huán)保及“低沖擊開發(fā)”理念；低沖擊開發(fā)理念不僅僅用于雨水管理，對工程規(guī)劃建設同樣有意義[2]。

2 地質環(huán)境概況

2.1 地形地貌

場地區(qū)域原始地貌為低丘陵，后經(jīng)開山采石，原有山頭已經(jīng)挖除，原始地貌完全破壞，并曾作為工程渣土堆場，后經(jīng)整治復綠，成為現(xiàn)狀地貌(如圖1所示)。整個區(qū)域如馬鞍狀，其中中部的開挖回填區(qū)域相對南北兩側要高，而東西兩側自然山體較中部更高。中部場地為開挖采石后回填整平，高程約112 m～117 m。其南北兩側均為場地整平后分級放坡形成的填土高邊坡，均已綠化，南側坡腳高程在66 m左右，北側坡腳高程在50 m左右。西側山體最高約152 m，東側山體最高約300 m。

圖1 用地及周邊地形概貌

2.2 工程地質條件

根據(jù)勘察報告，場地內巖土層主要是人工填土層、坡積土層、殘積土層和燕山期花崗巖。

人工填土層是場地內主要分布的土層，為素填土，成分由花崗巖碎石、塊石及礫質粘性土組成，碎塊石含量50%～65%左右，呈棱角狀，土質很不均勻，局部有架空間隙。揭露層厚10.40 m～27.60 m。

坡積土層與殘積土層均分布于自然山坡區(qū)域，厚度分別為1.5 m、0.6 m左右。

燕山期花崗巖根據(jù)風化程度分為全風化層、強風化層、中等風化層和微風化層。全風化花崗巖厚度6.0 m～11.3 m，原采石區(qū)域該層已剝離。強風化花崗巖厚度變化大，在原采石區(qū)域厚度1.3 m～14.3 m，在自然山坡區(qū)域厚度最小17.9 m，最大28.6 m(未鉆穿)。中風化花崗巖在采石區(qū)域厚度1.4 m～5.5 m，在自然山體區(qū)域埋深約25.9 m。微風化花崗巖在采石區(qū)起伏大，層頂高程88.04 m～117.15 m，在自然山坡區(qū)域埋深28.2 m以上。

3 項目難點分析

本項目用地位于低丘陵區(qū)域廢棄采石場，地形條件復雜，設計重難點在于:

(1)現(xiàn)有場地中部平整區(qū)域長寬均不超過150 m，不能滿足變電站245 m×187 m的用地需求。東西側受山體限制，需要開挖山體，在滿足場地長度需求的條件下，開挖山體將形成近50 m高邊坡；南北側受填土邊坡限制，需要新增填土區(qū)，其現(xiàn)狀填土邊坡高度超過50 m，如增加填土區(qū)，為保證填土邊坡的穩(wěn)定性，新增填土應從坡腳往上填土形成新的填土邊坡。這樣，意味著本項目一是填挖土方工程量均很大，二是場地周邊將形成高邊坡。基于深圳現(xiàn)狀，土方外運或外購土方費用均較高，因此土方平衡設計是本場平設計考慮的重點。由于存在挖方高邊坡和填方高邊坡，邊坡治理、填土壓實方案也是影響工程安全和場平費用的重要因素。

(2)進場道路條件限制。變電站進場道路需由鄰近的福龍路引入。福龍路可提供接口處的兩端分別接隧道和橋梁，可供選擇的位置有限；進場道路受場地限制，長度有限。進場道路對場平標高形成制約，并影響北側填土邊坡形態(tài)。

(3)場地西側為福龍路隧道。本項目工程建設、巖石爆破可能對隧道存在不利影響，故場地應與隧道保持一定的安全距離。

(4)變電站終端塔條件:變電站四面環(huán)山，東西兩側山體高度大，終端塔受場地周邊地形條件和線路限制，只能由南部引入，北部引出，這限制了場地紅線布置方案不能有大方位的調整。

4 場平設計過程

基于上文分析，本項目整個工程有挖有填，最優(yōu)設計應能做到挖填土方就地平衡，且土方挖填總量最少，對周邊山體破壞最小。本項目場平設計需要從站內用地位置、設計場平標高等多個因素來考慮。由于幾個因素的影響是綜合性的，具體設計時需要綜合統(tǒng)一考慮，反復試算，才得到最優(yōu)設計。

4.1 平面布置

本項目站內用地近似為矩形，東西向長245 m，南北向寬187 m，進出線位于南北兩側。由于電氣設備布置需要，用地的形狀不能調整；進出線終端塔決定了用地的大方位，不能有大旋轉；因此，平面設計只能從用地紅線在各方向上平移、微調旋轉等比較來優(yōu)選合適的布置。詳述如下。

(1)進站道路布置

變電站區(qū)域近似矩形，進場道路于站外西北側的福龍路開口，向東盤旋進入變電站。結合進站大門的具體布置，有兩種方案，一是布置于西側，二是布置于東側。兩種布置方案的路口與福龍路距離分別為250 m、400 m，考慮道路兩端高差約37 m，道路坡比分別為14.8%、9.2%，均高于規(guī)范要求，故只能將線路布置為繞行線路。繞行方案a:大門位于西側，道路由西側繞行至東側后折返至西側大門處；繞行方案b:大門位于東側，道路由西側延伸經(jīng)轉彎后到達大門處。兩方案均需要避讓繞行場地北側的終端塔。

從線路布置上看，a方案線路長約650 m，線路坡率5.7%；b方案線路長約530 m，線路坡率7.0%。道路縱向設計a方案要優(yōu)越。另外，b方案路線需要在東北側形成高邊坡，預計挖方量多4萬m3，且增加邊坡治理面積約1 000 m2。兩者比較，方案a較好。

綜合比較，確定道路出入口方案選a方案，道路設置在西北角，道路長度約650 m。

(2)南北方向平移比選

用地紅線在南北方向主要長度為187 m(不計局部突出)。而場地現(xiàn)狀地貌在南北兩側均為人工填土邊坡，坡頂場地南北向長度約130 m，遠小于場地需要的長度，需要考慮填土造地。

兩側邊坡均為分級放坡，且表面植被覆蓋良好。南北兩側邊坡相比，南側邊坡分為7級，邊坡坡面規(guī)則，坡率約1∶1.8；北側邊坡較亂，且目前的進場簡易道路布置于北側，平均坡率約1∶2.5左右，如進一步填土，北側相對南側更有利于填土邊坡的穩(wěn)定。因此場地在南北方向的布置，以南側邊坡坡頂為界線，向北布置，南側邊坡保持現(xiàn)狀，北側填土達到設計高程。

預計場地設計高程約在105 m左右，紅線布置依據(jù)設計高程的地形布置，南側以邊坡坡頂線為界，考慮安全因素后退約5 m布置紅線。北側需要填土的距離約為50 m～80 m。

(3)東西方向平移比選

用地紅線在東西方向長度245 m，而現(xiàn)狀地形在東西方向受限于兩側山體，寬度僅150 m，即需要部分開挖山體才能形成要求的場地。根據(jù)現(xiàn)有場地條件，東西方向的布置有3種方案可供選擇。

A、西側布置方案:該方案場地偏向西側布置，開挖西側山體，東側山體保持現(xiàn)狀；

B、中部布置方案:該方案居中布置，東西兩側均需要開挖山體，控制兩側邊坡高度；

C、東側布置方案:方案偏東布置，東側的南部和北部均有邊坡開挖，西側不需要開挖山體邊坡，但由于現(xiàn)狀邊坡高陡，需要治理。

三個方案比選見表1。其中方案的土方工程量為設定相同的條件進行計算得到。計算條件為:設計高程取105 m；考慮場地周邊放坡坡率1∶1，紅線外擴5 m為放坡線。

東西方向場地布置比選 表1

從表1可看出，A方案土方量遠大于B、C兩方案，且該方案用地將占用福龍路隧道上部場地，需要專門的措施以保障變電站施工時的隧道安全，該方案不合適。

B、C兩方案相比，B方案土方開挖量要小，邊坡規(guī)模也比C方案要小。只是C方案不用開挖西側山體，避免開挖基巖，西側不需要爆破，對施工有利。而根據(jù)已有施工經(jīng)驗看，間距小于10m的復線隧道尚可爆破施工[3]，本項目基巖爆破與隧道距離80m以上，只要控制好爆破裝藥量，是完全可以做到對隧道無影響的。

綜上分析，場地在東西方向的布置采用B方案，即場地偏向中部布置，東西兩側均需要適量開挖山體，并與隧道保持一定的安全距離。

(4)不同角度的比選

為進一步優(yōu)化場地布置方案，在前文已確定條件的基礎上，考慮將場地稍微旋轉，看是否能夠減小工程量和土方量。選定有4個旋轉方案，分別為:A、正南北方位布置；B、逆時針旋轉8°；C、順時針旋轉8°；D、順時針旋轉16°。以上旋轉方案，均考慮兩側開挖，在南側則與坡頂距離5m以上。同樣采用前文比選方法，從土方量、邊坡工程量比選，C方案為最優(yōu)方案。

需要說明的是，以上各方面需要綜合考慮，經(jīng)多次設計、計算才能得到最佳的場平布置。方案比選中只比較了挖方量，而未比較填方量，是因為整個項目的挖方量主要在場地內，填方量則主要在場外，場地北側放坡需要回填大量土方，土方平衡可以通過調整放坡坡率做到。因此在針對場地的土方計算比較中最小挖方量才是場地紅線布置的關鍵。另外，以上計算土方量僅只是在相同條件下的對比，與最終方案的土方量會有一定的差異。

4.2 設計標高初定

場地設計標高的確定將直接影響土建工程量，需要慎重確定。本項目場地設計標高確定基于以下考慮:①進場道路條件；②潛在邊坡規(guī)模；③土方開挖量。由于場外地形標高低于50 m，用地標高超過100 m，不用考慮設計洪水位的影響。

(1)進場道路

場地設計高程與進場道路坡降直接相關。進站道路長度約650 m，道路起點高程為68 m，按道路坡降不超過8%計，道路終點高程不能超過120 m；若場平標高105 m左右，則道路平均坡率可控制在6%以內。

(2)邊坡規(guī)模

本場地內有填有挖，其中東西側開挖形成挖方邊坡，北側填土形成填土邊坡。場平設計標高大，則挖方邊坡規(guī)模小，填方邊坡規(guī)模大；反之則挖方邊坡規(guī)模大而填方邊坡規(guī)模小。本項目挖填高邊坡均超過30 m，場平設計高程變化1 m～2 m，對邊坡總體規(guī)模影響不大，但對挖填總土方量影響較大。因此邊坡規(guī)模對設計高程在小范圍內的取值變化不敏感，不是主要考慮因素。

(3)土方開挖量

在前文確定的紅線范圍內，考慮邊界挖方1∶1放坡，坡腳線為紅線外擴5 m。在此基礎上，計算不同設計高程條件下土方開挖量如圖2所示。從圖中可看出，當設計高程由115 m降低至100 m時，挖方量顯著上升，由最初的12.7萬m3增加到80萬m3；填方量則由28萬m3減小到4.5萬m3。如僅從紅線內土方平衡來說，設計高程大致設計為112.5 m可以達到土方平衡。

圖2 不同設計標高土方量

但本項目在場地北側需要回填放坡和修筑道路，這一部分土方需求量較大，總的填方估計在50萬m3左右，土方平衡需要考慮這一部分的需求。從這一條件看，設計高程宜選定在105 m左右。

由此，設計高程初定為105 m。

4.3 邊坡治理方案

場地內邊坡治理包括挖方邊坡和填方邊坡。

挖方邊坡位于場地東西兩側，均為高度超過30 m的高邊坡。對于挖方高邊坡，可供選擇的治理方案有限，一般采用分級支擋或分級錨固。結合深圳地區(qū)邊坡治理經(jīng)驗，采用分級放坡后錨桿(錨索)+格構梁的治理方案。常規(guī)放坡破壞山體面積較大，因此方案盡量優(yōu)化邊坡坡率，通過預應力錨索對山體進行加固，減小占用山體面積。

填方邊坡位于場地北側，總填方邊坡高度大于50 m。對于填方高邊坡，可采用的治理方案包括:坡率法、加筋土擋墻等。由于填土厚度大、土性松散，錨固方案不適用。坡率法通過穩(wěn)定坡率放坡達到邊坡穩(wěn)定的目的，是最經(jīng)濟的方案，缺點在于放坡占地較大，土方量大。加筋土邊坡可通過加筋以增加邊坡穩(wěn)定性，以達到減小占地和土方的目的，但加筋土工合成材料需要另外增加費用，對本項目高填方邊坡，土工格柵費用高，且土方含石量大，不適合采用。本項目且場地北側具備放坡的場地，且土方量可滿足需求，因此采用坡率法，通過分級放坡保證邊坡的穩(wěn)定性。

4.4 土方平衡

站內紅線、設計場平高程確定后，總的挖方量已可基本確定，而填方量取決于場地北側的填土放坡和進站路路基設計方案。北側填土邊坡采用坡率法保證邊坡的穩(wěn)定，但具體放坡參數(shù)在滿足邊坡穩(wěn)定的前提下可以進行調整，以滿足土方平衡要求。擬采用8 m一級邊坡、1∶2左右坡率的放坡方案。

進站路總長度約650m，其中道路終點段靠近紅線的區(qū)域可以與場地填土放坡結合，由填土形成路基，這樣比較經(jīng)濟。而道路起點段，即由福龍路引出的部分，路面起點設計高程68m，而福龍路堤東側地面高程48m左右，高差20m，這一部分設計兩種方案進行比選，一是架設橋梁與后段的路基相連(方案a)，填土邊坡與橋梁相對獨立；二是完全填土形成路基，即北側邊坡向外延伸，兼顧道路路基(方案b)。經(jīng)試算，b方案土方量約為80萬m3，與初估挖方50萬m3相差太大，因此對填土進行調整，坡率增大，北側邊坡及路基邊坡相對獨立，以減少土方，形成c方案，土方減少至55萬m3。c方案由于邊坡坡率增加，需要采用加筋土對邊坡進行加固。

方案a增加了橋梁建造費用，但土方平衡，且土方量在3個方案中最小；方案b土方量大，且無法做到土方平衡，需借土約20萬m3～30萬m3；方案c可以土方平衡，挖填方量均較方案a要多約10%，且增加加筋土費用及排水管道費用，經(jīng)估算其費用較a方案的橋梁費用更高。綜合比較，選用方案a，進站道路部分采用橋梁，部分與填土邊坡結合。填土邊坡放坡坡率1∶2.0(局部根據(jù)地形調整)。

4.5 標高微調

根據(jù)前文分析，按105 m標高進行場平設計，包括山體開挖邊坡、填土區(qū)邊坡、道路等，進行初步方案設計，根據(jù)該設計方案再次進行土方計算。此次計算土方量比較準確。計算得到總填方52.5萬m3，總挖方43.9萬m3，挖填土方量相差8.6萬m3。整個填挖區(qū)，包括變電站及站外邊坡、道路區(qū)域，總面積為10.1萬m2，這意味著，如果場平標高增減少1m，挖填土方量差值將相應增減約10.1萬m3，要保證挖填平衡，設計場平高程需要降低，降低數(shù)字大致可確定為8.6/10.1=0.85m。最終確定場平標高為104.2m。根據(jù)該設計標高進行場平、邊坡的設計，最終計算總填方54.8萬m3、總挖方量55.4萬m3，考慮場內0.3m厚表土清理后，需要外棄土方1 187m3，占總挖方量的0.2%，土方平衡。

經(jīng)過上述多方比選，最終得到場平設計方案。設計方案做到了土方平衡、總土方量最小、土建成本最經(jīng)濟，并對周邊環(huán)境影響最小，體現(xiàn)了低沖擊性開發(fā)理念。

5 結 語

本變電站設計條件復雜，需要考慮因素眾多，各分項工程方案對土建成本均產(chǎn)生較大的影響。對此類復雜地形條件下的場平設計，首先需要進行設計條件分析，理清影響設計方案的條件，掌握重難點、關鍵點。如本項目，土方平衡及總土方量最小是設計關鍵點，也是重難點，邊坡方案、道路方案均圍繞這一點進行比選；低沖擊開發(fā)，避免過多的破壞周邊環(huán)境也是需要在設計方案中考慮的。當然，邊坡治理和道路方案必須以滿足相關規(guī)范技術要求為前提。其次，方案進行多方考慮與比選。設計中考慮多種方案的可能性，并在技術上、經(jīng)濟上進行比較，才能選定最優(yōu)的方案。另外，在比選中，選擇關鍵指標是進行優(yōu)化比選的重要標準，如選取土方量、邊坡治理工程量估算等，指標應容易確定，且對工程影響明顯。量化的指標才能明確優(yōu)勢，而不是僅僅依靠設計人員的直覺確定。本項目的場平設計優(yōu)化過程，可供類似工程項目設計參考。

[1] GB50187-2012.工業(yè)企業(yè)總平面設計規(guī)范[S].

[2] GB50330-2002.建筑邊坡工程技術規(guī)范[S].

[3] 溫莉，彭灼，吳珮琪.城市低沖擊開發(fā)理念的應用與實踐[J].2010城市發(fā)展與規(guī)劃國際大會論文集，258～264.

[4] 郭廣東.低沖擊理念下的城市開發(fā)與管理新模式[J].上海城市管理.2012，05:53～56.

[5] JTG B01-2003.公路工程技術標準[S].

[6] 李飛，陳衛(wèi)忠，李術才等.高速公路淺埋大跨度雙跨連拱隧道爆破振動影響研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23(增2):4744～4748.

Site Leveling Optimal Design of 500kV Substation in Difficult Terrain

Chen Fabo，Ge Fan，Chen Hong
(Shenzhen Municipal Design＆Research Institute Co.，Ltd.Shenzhen 518029，China)

A 500kV substation was sited in difficult hilly area，where could notmeet the need for construction，the sitemust be cut and fill.The earth volume of cut or fillwasmore then 500000m3，the slope of excavation wasmore than 30m high，and the slope of fillwas 50m high.The cost of construction was impact by the site leveling design；the earthwork balance was the key of the design need to consider.The difficult point in this project was analyzed，the design scheme was comparison and selected，the optimum design was obtained.

site leveling design；earthwork balance；slope；filling；500kV substation

1672-8262(2013)05-172-05

TU47

B

2013—06—03

陳發(fā)波(1978—)男，工程師，主要從事巖土工程勘察設計以及市政工程測量和管線探測工作。