500kV變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)形式分析比較

韓根偉（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041）

500kV變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)形式分析比較

韓根偉（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041）

本文分析了500kV變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)形式，并采用ANSYS軟件對(duì)GIS的獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行了算分析，結(jié)合工程實(shí)際情況，得出了最優(yōu)結(jié)果。

變電站；分析；結(jié)果

1　引言

目前，我國(guó)用電需求以每年約15%的速度遞增，而電網(wǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱，電網(wǎng)輸送能力和需求矛盾較為突出。國(guó)家電網(wǎng)公司大力發(fā)展特高壓輸變電建設(shè)，加快構(gòu)建特高壓堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，可以大大提高線路走廊的利用率，提高土地利用率，對(duì)滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力的需求，促進(jìn)電力產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用率具有重要意義。目前，我國(guó)變電站配電裝置使得的主要設(shè)備類型有：AIS（常規(guī)空氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備）、HGIS（混合氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備）、GIS（氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備）三種類型。其中GIS主要是由斷路器、高壓母線、空氣開(kāi)關(guān)、電磁互感器等器件組成，這些器件通常封裝在金屬外殼內(nèi)，并且金屬外殼接地，可以有效保護(hù)這些設(shè)備不受外界因素?fù)p壞。

2　GIS電氣設(shè)備

通常情況下，GIS組合電氣設(shè)備使用氣體絕緣方式，其重要電氣元件都被有效密封在SF6氣室內(nèi)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且壽命長(zhǎng)、不容易出現(xiàn)故障。把GIS設(shè)備密封環(huán)節(jié)通過(guò)應(yīng)用于HGIS上，并且需要在每個(gè)間隔內(nèi)使用絕緣套管連接起來(lái)，這種連接方式很大程度上決定了基礎(chǔ)不能有比較大的差異沉降。根據(jù)電氣布置情況，500kV配電裝置采用GIS布置方案，與敞開(kāi)式設(shè)備方案和HGIS設(shè)備方案相比較，換流站占地面積大幅減小，配電裝置更為整齊簡(jiǎn)潔，電氣元件減少，減少運(yùn)行維護(hù)的工作量，具有其優(yōu)越性。通過(guò)對(duì)500kV GIS設(shè)備地基基礎(chǔ)方案的研究，選擇適應(yīng)設(shè)備要求的基礎(chǔ)形式，吸取以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選方案，既能降低混凝土的用量，降低工程造價(jià)，又能減少混凝土的體積，進(jìn)一步減少混凝土的溫度應(yīng)力，對(duì)于設(shè)備基礎(chǔ)的抗裂控制具有重要意義。

3　基礎(chǔ)沉降

3.1變形特性測(cè)試方法

土的室內(nèi)試驗(yàn)有側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮。土的側(cè)限壓縮實(shí)驗(yàn)（固結(jié)實(shí)驗(yàn)）室通過(guò)測(cè)量圖樣在各級(jí)壓力pi作用下的壓縮變形量Si，計(jì)算出對(duì)應(yīng)于每一級(jí)壓力的孔隙比ei，從而繪制出e-p曲線，計(jì)算圖的壓縮系數(shù)a1-2﹑壓縮模量Es，從而評(píng)價(jià)土的壓縮性。三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土抗剪強(qiáng)度的一種較為完善的方法。三軸壓縮儀由壓力室、軸向加荷系統(tǒng)、施加周圍壓力系統(tǒng)、孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)等組成。三軸壓縮儀的突出優(yōu)點(diǎn)是能較為嚴(yán)格地控制排水條件以及可以量測(cè)試件中孔隙水壓力的變化。此外，試件中的應(yīng)力狀態(tài)也比較明確，破裂面是在最弱處，而不像直接剪切儀那樣限定在上下盒之間。

3.2最終沉降量計(jì)算

研究表明：粘性土地基在基底壓力作用下的沉降量S由三種不同的原因引起：

初始沉降（瞬時(shí)沉降）Sd：有限范圍的外荷載作用下地基由于發(fā)生側(cè)向位移（即剪切變形）引起的；主固結(jié)沉降（滲流固結(jié)沉降）Sc：由于超孔隙水壓力逐漸向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化而發(fā)生的土滲透固結(jié)變形引起的。是地基變形的主要部分；次固結(jié)沉降Ss：主固結(jié)沉降完成以后，在有效應(yīng)力不變條件下，由于土骨架的蠕變特性引起的變形。這種變形的速率與孔壓消散的速率無(wú)關(guān)，取決于土的蠕變性質(zhì)，既包括剪應(yīng)變，又包括體應(yīng)變。

圖1　最終沉降量計(jì)算示意圖

4　基礎(chǔ)形式的分析比較

4.1獨(dú)立基礎(chǔ)

將上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，通過(guò)作用在滿足基礎(chǔ)埋件要求的平面尺寸上，使作用在基底的壓應(yīng)力等于或小于地基土的承載力，而基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)同時(shí)滿足材料本身的強(qiáng)度要求，獨(dú)立基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土，基礎(chǔ)抗彎能力強(qiáng)，不受剛性角限制。獨(dú)立基礎(chǔ)與其他基礎(chǔ)形式相比，一般具有節(jié)省混凝土，施工便利，工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　獨(dú)立基礎(chǔ)示意圖

4.2獨(dú)立擴(kuò)展基礎(chǔ)

將上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，通過(guò)向側(cè)邊擴(kuò)展成一定底面積，使作用在基底的壓應(yīng)力等于或小于地基土的允許承載力，而基礎(chǔ)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)同時(shí)滿足材料本身的強(qiáng)度要求，這種起到壓力擴(kuò)散作用的基礎(chǔ)稱為擴(kuò)展基礎(chǔ)。

圖3　獨(dú)立基礎(chǔ)示意圖

4.3筏板基礎(chǔ)

筏板基礎(chǔ)是發(fā)展較早的一種基礎(chǔ)形式，當(dāng)鋼筋混凝土被用于建筑物的基礎(chǔ)時(shí)，開(kāi)始較多使用的是條形基礎(chǔ)、獨(dú)立柱基礎(chǔ)和交叉梁基礎(chǔ)，由于建筑物荷載越來(lái)越大或地基承載力較低，基座所占基礎(chǔ)平面的面積越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到3/4以上時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)采用整板式基礎(chǔ)更經(jīng)濟(jì)，于是就產(chǎn)生了筏板基礎(chǔ)。

上部荷載較大，地基承載力較低，上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基基礎(chǔ)變形要求高等情況，采用一般基礎(chǔ)不能滿足承載力或變形要求時(shí)，可將基礎(chǔ)擴(kuò)大成支承整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)的大鋼筋混凝土板，既成為筏形基礎(chǔ)或稱為筏板基礎(chǔ)。筏板基礎(chǔ)不僅能減少地基土的單位面積壓力、提高承載力，還能增強(qiáng)基礎(chǔ)剛度，有效地調(diào)整基礎(chǔ)的不均勻沉降。因此，對(duì)于變形要求嚴(yán)格的GIS設(shè)備來(lái)說(shuō)，筏板基礎(chǔ)是一種適宜的基礎(chǔ)形式。筏板基礎(chǔ)有如下兩種可選方案。

4.4筏板倒置式基礎(chǔ)

一般的筏板基礎(chǔ)由于埋深較大，土方開(kāi)挖量大，建成后筏板上也會(huì)增加一定的土重。筏板倒置式就是將筏板置于基礎(chǔ)頂，這樣在減少土方開(kāi)挖量的同時(shí)也給GIS設(shè)備吊裝提供一個(gè)平臺(tái)。但是由于GIS設(shè)備重量重，這樣會(huì)使基礎(chǔ)底面積很大，同時(shí)吊車在倒置的筏板上也會(huì)使筏板承受很大荷載。這種基礎(chǔ)的缺點(diǎn)就在于大體積混凝土的裂縫控制及預(yù)埋件的定位問(wèn)題。因此該種基礎(chǔ)做為一種新的基礎(chǔ)形式有待于進(jìn)一步的論證。

4.5箱形基礎(chǔ)

對(duì)于500kV GIS設(shè)備如采用箱型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)整體性更好，由于基礎(chǔ)存在空腔，基底附加壓力小，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，還可充分利用其內(nèi)部空間敷設(shè)電纜，在基礎(chǔ)范圍內(nèi)無(wú)需另設(shè)電纜溝。與筏板基礎(chǔ)相比，箱型基礎(chǔ)鋼筋用量大，鋼筋和模板工程量大，施工較為復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，造價(jià)較高，不具優(yōu)勢(shì)。因此，在獨(dú)立基礎(chǔ)或筏板基礎(chǔ)能滿足地基變形要求的前提下，不推薦采用箱型基礎(chǔ)。

5　計(jì)算參數(shù)

5.1地質(zhì)計(jì)算參數(shù)

地基沉降計(jì)算主要和地基土的壓縮模量、地基土分層、上部荷載大小有關(guān)。選取合理的沉降計(jì)算參數(shù)是地基沉降計(jì)算結(jié)果科學(xué)、客觀、合理的保證。

根據(jù)某工程巖土勘察報(bào)告，站內(nèi)工程地質(zhì)鉆探深度范圍內(nèi)地基土可分為二大層，自上而下分別為：

①粘土（Q4el）：粘土為硬塑狀，其力學(xué)性能較好。根據(jù)工程類比、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，推薦其天然重力密度γ=19.0kN/m3，粘聚力c=20～30kPa，內(nèi)摩擦角φ=15～20°，其承載力特征值fak=170～220kPa，Es=6～10MPa。該層力學(xué)性能較好，可作為天然地基持力層。

②泥巖夾卵礫石（N2X）：根據(jù)工程類比、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，推薦其天然重力密度γ=21kN/m3，承載力特征值fak=280～350kPa，該層物理力學(xué)性能好，可作為天然地基持力層、下臥層及樁端持力層，但該層對(duì)水極為敏感，遇水極易軟化，設(shè)計(jì)施工注意此特性。

表1　地基巖土主要設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

5.2基礎(chǔ)埋深的選取

本工程500kV GIS場(chǎng)地大部分位于挖方區(qū)，最大挖方5.76m，一小部分位于填方區(qū)，最大填方1.26m，根據(jù)地勘報(bào)告情況及地基處理情況，在保證基礎(chǔ)承載力的情況下，盡量減小滿深，確定500kV GIS基礎(chǔ)埋深為1.0m，為了為防止雨水的浸泡，考慮基礎(chǔ)頂標(biāo)高高出地面150mm。

5.3地基變形計(jì)算深度的選取

采用變形比法確定地基變形計(jì)算深度。地基變形計(jì)算深度zn，應(yīng)符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）5.3.6條的要求：

Δs′n≤0.025∑Δs′i

Δs′i——在計(jì)算深度范圍內(nèi)，第i層土的計(jì)算變形值；

Δs′n——再由計(jì)算深度向上取厚度為Δz的土層計(jì)算變形值。

6　500kV GIS計(jì)算結(jié)果分析

6.1模型的建立

根據(jù)500kV GIS場(chǎng)地的地質(zhì)情況及地基處理措施，對(duì)500kV GIS挖方區(qū)采用孤島式獨(dú)立基礎(chǔ)，填方小于4m的區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)，對(duì)500kV GIS填方大于4m的區(qū)域采用直徑600mm的旋挖鉆孔樁筏基礎(chǔ)。下面對(duì)500kV GIS基礎(chǔ)的挖方區(qū)、填方小于4m的區(qū)域、填方大于4m的區(qū)域分別運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析。

模型選取solid45，該單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu).單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力。

圖4　s olid45單元

6.2獨(dú)立基礎(chǔ)計(jì)算分析

根據(jù)750kV GIS設(shè)備的荷載，采用獨(dú)立基礎(chǔ)形式，地基承載力很容易滿足要求，但GIS設(shè)備對(duì)地基變形要求嚴(yán)格，設(shè)備伸縮節(jié)之間的埋件誤差要求控制在約20mm內(nèi)，采用獨(dú)立基礎(chǔ)，挖方區(qū)斷路器基礎(chǔ)沉降達(dá)到9.2mm，填方小于4m區(qū)域斷路器基礎(chǔ)沉降達(dá)到16.2mm，用同樣的方法計(jì)算出其他設(shè)備基礎(chǔ)的沉降滿足電氣設(shè)備的要求。

圖5　500kV G IS獨(dú)立基礎(chǔ)

圖6　500kV G IS筏板基礎(chǔ)

同樣的方法建立其他單元的模型可以得出下表中的結(jié)論，結(jié)果均滿足要求。

其中A為斷路器基礎(chǔ)，B為母線支撐基礎(chǔ)，C為隔離接地開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)，D為套管基礎(chǔ)，E為主母線接地開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)（見(jiàn)表2）。

6.3樁基礎(chǔ)計(jì)算分析

對(duì)填方區(qū)大于4m的地方采用樁筏基礎(chǔ)，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）中的公式：

表2　基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果表

可計(jì)算出樁基礎(chǔ)沉降量為6mm。對(duì)于單排樁的設(shè)備基礎(chǔ)之間可以設(shè)置拉梁。拉梁承擔(dān)受力的同時(shí)也可以調(diào)節(jié)不均勻沉降。

7　結(jié)論

通過(guò)分析目前較常用的幾種GIS設(shè)備基礎(chǔ)，并結(jié)合文中500kV換流站的地質(zhì)情況，本著節(jié)省材料和方便施工的原則，對(duì)500kV GIS挖方區(qū)采用孤島式獨(dú)立基礎(chǔ)，填方小于4m的區(qū)域采用筏板基礎(chǔ)，對(duì)GIS填方大于4m的區(qū)域采用直徑600mm的旋挖鉆孔樁筏基礎(chǔ)。同時(shí)提出了保證埋件的水平的施工措施、控制大體積混凝土裂縫的措施。

[1]劉 強(qiáng).500kV變電站GIS故障預(yù)防及相應(yīng)故障分析[J].工程技術(shù)，2011（5）.

[2]王志軍.GIS設(shè)備安裝與調(diào)試技術(shù)在電力系統(tǒng)中變電站中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011.

[3]陳玉全.500kV變電站GIS設(shè)備運(yùn)行維護(hù)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2010（9）.

TM63

A

2095-2066（2016）31-0047-03

2016-10-20

韓根偉（1981-），男，工程師，碩士研究生，主要從事變電站土建設(shè)計(jì)工作。