變電站L形預裝式混凝土電纜溝設計研究

國網湖北省電力有限公司經濟技術研究院 李智威 孫利平 賀蘭菲 高曉晶 熊川羽 柯方超 周秋鵬國網荊門供電公司 方 釗

1.引言

裝配式變電站采用全預制裝配結構建筑模式，通過工廠生產預制現場裝配安裝兩大階段來建設變電站，這種建設方式大大減少了變電站的占地面積，大幅縮減建設工期。隨著全預制裝配式變電站的試點成功和逐步推廣，這種全預制裝配式變電站將成為今后變電站建設的主流模式[1-5]。電纜溝是電網系統中變電站、開關站等建筑工程的重要組成部分，在施工中往往成為制約工期的一個重要環節。

目前電纜溝施工一般采用磚砌電纜溝和現澆混凝土電纜溝，在現場的施工工期相對較長，在一些時間低溫陰雨、擴建工程、工期短等特殊環境下施工受到諸多制約。預裝式混凝土電纜溝采用混凝土和鋼模板施工技術，在工廠對電纜溝結構進行分段預制，然后運抵現場拼裝而成，使變電站的建設從傳統的土建設計和施工模式開始向“設計標準化、加工工廠化、安裝機械化、施工專業化”的模式轉變，有利于變電站建設向科技含量高、資源消耗低、環境污染少、建設精細化的方向發展[6-8]。

我國對預裝式變電站的研究始于本世紀初。2007年，國家電網公司對變電站的建設工作提出了“建設資源節約型、環境友好型、工業化”（簡稱“兩型一化”）的發展思路，裝備是變電站逐步受到重視。預裝式混凝土電纜溝的設計與應用技術研究也開始受到了工程界的重視。2008年，浙江110kV楊柳變電站、江蘇220kV三興變電站相繼竣工并投入使用，開創了預裝式混凝土電纜溝在變電站工程中的成功應用先例。此后，相關單位對預裝式變電站的預裝項目開始逐步進行研究和推廣，其中，預裝式混凝土電纜溝施工技術已開始進行嘗試并已取得了部分成果。2014年，湖南省電力公司經濟技術研究院在芷江220kV開關站項目中試點使用了預制高強輕質防腐混凝土電纜溝，高強輕質防腐混凝土的密度和彈性模量均低于普通混凝土[8]。山西省電力勘測設計院針對寒冷地區工程建設進度需求，研究采用的預制裝配式混凝土電纜溝，每個單體的斷面為U形，左、右溝壁對稱，底部設有弧形排水槽。廣東電網公司對比普通混凝土電纜溝蓋板及兩種新型電纜溝蓋板（鋼纖維混凝土電纜溝蓋板和玻璃纖維增強塑料復合蓋板）的特性，研究認為鋼纖維混凝土蓋板抗壓強度和抗折性較普遍混凝土蓋板大幅提高，但同樣存在蓋板較重、裝難度較大。美國內華達州拉斯維加斯的電力與天然氣供應商NV Energy研究并批量生產了裝配式電纜溝，斷面為U形，左右對稱，預制蓋板通過螺栓與溝體連接，接地扁鋼嵌在溝體內。總體看來，目前國內對預裝式變電站項目的研究比較活躍，也取得了一些可喜的成果，但對預裝式混凝土電纜溝的結構選型優化、構配件之間的連接構造、溝道排水防滲措施、現場預裝施工技術的研究還不太成熟，尚未達到“標準化、系列化、工廠化”的程度和形成統一的質量監控與驗收標準體系，應用方面與國外相比仍存在一定的差距[9-10]。

預裝式混凝土電纜溝改變變電站電纜溝傳統建設思路，為變電站逐步實現“設計標準化、加工工廠化、安裝機械化、施工專業化”建設提供前期研究探索。但預裝式混凝土電纜溝在設計與應用技術上仍存在一些問題（如結構設計與施工技術優化、防滲、排水問題等）。通過預裝式電纜溝的研究，降低現場施工工作量和施工周期，解決傳統施工方法存的質量問題，提高電網發展質量等具有重要意義。

2.預裝式混凝土電纜溝技術方案

2.1 預裝式混凝土電纜溝技術特點

全預制裝配式變電站是變電站建設的一場革命，改變了傳統的變電站電氣布局、土建設計和施工模式，通過工廠生產預制、現場安裝兩大階段來建設變電站。全預制裝配式變電站是“兩型一化”變電站的具體體現，其標準化設計、模塊化組合、工業化生產、集約化施工，使變電站建設走向科技含量高、資源消耗低、環境污染少、精細化建造的道路。

預裝式混凝土電纜溝采用混凝土和鋼模板的施工技術，對電纜溝主體結構進行分段預制，然后運抵現場拼裝而成。理論上應根據使用和施工階段的各種工況，對電纜溝結構的承載力、穩定性和抗傾覆性進行分析計算；研究溝道連接、轉彎時的結構處理方式以及預制構件的連接構造措施；優化模板施工技術及現場拼裝方案和施工工藝；并解決電纜溝溝道內排水、支架安裝等技術問題。

預裝式混凝土電纜溝具有下列特點：

（1）充分發揮預制構件優越性，體現以人為本、節約資源的思想，建筑風格上更加樸實、整潔；

（2）施工工藝上，推行構件工廠化、集成化加工、機械化施工、環保施工，極大提高了資源利用率與施工效率；

（3）按照標準化、系列化設計原則，可滿足體系化設計的要求，并充分考慮構配件的標準化、模數化、多樣化；

（4）工廠化預制加工，不受現場氣候、環境、地質等因素影響，構件質量容易得到保證，很大的縮短了工程的工期。

預制電纜溝的兩種斷面形式：（1）U形斷面；（2）L形斷面。L型電纜溝穩定性較好，能滿足要求；安裝時，整體調平調直難度大，安裝時間較U型溝長。本文研究具體方案為L形預裝式混凝土電纜溝方案。

2.2 L形預裝式混凝土電纜溝方案

設計的L形電纜溝為對稱布置，溝道凈空尺寸（即有效尺寸）見表1。為了與電纜支架的安裝間距相匹配，每預制基本段溝身標志長度1400mm，實際長度1395mm。電纜電纜溝斷面如圖1所示。在溝壁厚度方向，底部為150mm，頂部為130mm；頂部設橡膠壓條；底板厚度為160mm；中間留矩形排水溝尺寸為150 mm×40mm，上設鋼絲網篦子，排水溝底部100mm厚為二次澆注微膨脹混凝土，橫向雙坡度2%。溝寬800mm及以下時不采用L形溝。

表1 預裝式電纜溝有效尺寸

圖1 預制L形電纜溝斷面示意圖

預制基本段溝身蓋板一般構造如下：板標志寬度為500 mm，板實際寬度為498 mm，板厚為50 mm；板面活荷載標準值按4 kN/mm2考慮；板四周帶角鋼邊框，角鋼選用不等邊角鋼。溝頂（蓋板頂面）露出自然地面高度150 mm。預制L形電纜溝橫斷面面積、構件實際長度及構件自重見表2。預制L形溝的蓋板與預制L形溝一一對應，預制蓋板自重見表3。

表2 預制L形溝自重（單塊構件自重）

表3 預制L形溝蓋板自重

3.L形預裝式混凝土電纜溝計算

3.1 抗浮穩定性

依據《建筑地基基礎設計規范》GB5007-2011 5.4.3條規定對預制L形電纜溝進行抗浮穩定性驗算。以型號為D1210預制L形電纜溝為例驗算抗浮穩定性（下文除特殊說明者外，計算分析均以型號為D1210預制L形溝為例），其余型號的預制L形溝抗浮穩定性驗算結果列于表4。

取1m長L形溝為計算單元，抗浮驗算水位取場地標高，L形溝自重G1k：

預制蓋板重G2k：

單個L形溝每邊設有2副電纜支架，電纜支架重及電纜壓重按每副支架3kN計算，每米L形溝電纜支架及電纜壓重G3k：

浮力作用值：

抗浮驗算：

抗浮驗算滿足要求。其余型號的預制L形溝的抗浮驗算結果見表4。

表4 預制L形溝抗浮驗算結果

3.2 施工階段承載力驗算

施工階段側壁受到的外推力1kN/m2，截面I-I彎矩為：

因此MI-I＜Mα，施工階段承載力驗算滿足。其余型號預制L形電纜溝施工階段承載力驗算均滿足。

3.3 施工階段抗傾覆驗算

計算結果表明，MIOV＜Mr，抗傾覆驗算滿足要求。其余型號的預制L形電纜溝的施工階段抗傾覆驗算結果見表6。

混凝土抗彎承載力：

施工階段側壁受到的外推力為1kN/m2，如圖2所示。側壁重：

底板重：

施工外推力產生的傾覆力矩：

自重作用下的抗傾覆力矩：

圖2 抗傾覆驗算示意圖

表6 預制L形溝抗傾覆驗算結果

4.L形預裝式混凝土電纜溝方案實現

2015年，湖北省電力公司建設部提出探討預裝式變電站的總體構想，并提出了在臥龍500kV變電站項目中實施預裝式混凝土電纜溝的設想。對變電站預裝方案進行了很多次研究探討，形成了變電站預裝初步方案，并應用于某變電站的建設中。

4.1 排水方案

電纜溝排水方案分為順場地坡向的電纜溝排水、垂直于場地坡向的電纜溝排水以及遇到與場地坡向相交的電纜溝或場地局部需要帶來的溝道頂部過水問題。本項目中采取順場地坡向的電纜溝排水方案。

預制L形電纜溝應結合變電站內廠區市政排水坡度進行安裝施工，即在預制混凝土電纜溝構件鋪設前利用混凝土墊層找坡形成溝道縱向排水坡度。溝道排水縱坡一般控制在2‰～5‰，有特別要求時根據排水施工圖另行考慮。

對于預制L形電纜溝，溝內橫向排水坡度為2%，在二次澆筑混凝土范圍頂面形成縱向排水槽150mm×40mm，頂部設鋼絲網篦子。溝內排水口間距單坡時宜為20～30米，雙坡時可為40米。排水口尺寸為250mm×250mm，預留在預制溝段中部（普通溝段1/2長度處、T形和L形連接的軸線相交處）底板上，排水口頂面設鋼絲網篦子并連接場區排水管。

4.2 防滲水措施

與現澆電纜溝不同，預制電纜溝存在溝體拼接處的縫隙滲水問題。在研究目前已有防滲技術措施的基礎上，本文結合預制混凝土電纜溝的防水使用要求提出下述三種防滲水措施，設計人員可結合場地的工程水文地質特征選用。

（1）填充發泡劑+硅酮耐候膠勾縫止水

在每段預制混凝土電纜溝的兩端沿端面內外壁邊緣（底板下部除外）預留20mm×3mm槽口，考慮制作及施工偏差，拼縫寬度取5mm，預制電纜溝拼接就位后，在預留槽口內填充發泡劑，后用硅酮耐候膠勾縫形成止水縫。填充發泡劑除具有一定的止水效果外，其主要作用是一旦外層硅酮耐候防水膠遭到破損時能有效防止溝外泥漿滲入溝道內。

該方法施工簡單，沒有濕作業，施工速度快，而且經濟實用。

（2）外側螺栓錨固+止水橡膠條止水

預制溝壁外側預設螺栓孔，孔徑20mm，螺栓外徑16～18mm；預制電纜溝端面中心位置均預設梯形公槽或梯形母槽，安裝前將6mm厚橡膠條固定在溝端一側的母槽內，構件就位后擰緊外側螺栓擠壓橡膠條形成止水縫。

（3）微膨脹漿料灌縫止水

預制電纜溝溝壁端面及底板端面中心位置均預設1/2圓弧凹槽，直徑40mm，構件就位后從頂部澆灌微膨脹漿料形成止水縫。在微膨脹漿料灌縫前，應事先固定好拼縫外側的專用止漿橡膠條及夾具，以防漏漿。專用止漿橡膠條及夾具制作簡單，且可重復使用。澆灌前應保證孔道及排氣孔暢通，必要時可輔以鋼筋通條澆搗，以保證灌縫漿料澆灌密實。

圖3 電纜支架安裝方式

4.3 安裝與施工

電纜支架安裝方式，電纜支架間距700mm，電纜支架采用螺栓固定，每副支架承擔最大荷載按3kN計算。溝寬b≥1000mm時，溝內兩側溝壁均設支架，每副支架對應位置的溝壁上需預埋螺母4個，如圖3（a）所示。溝寬b≤800mm時，溝內只一側溝壁設支架，每副支架對應位置的溝壁上需預埋螺母3個，如圖3（b）所示。預埋螺母需垂直溝道內壁，螺母表面有防滑紋，外徑20mm，內徑12mm，螺母長80mm，絲長45mm。在溝道連接（十字形、T形、L形）處的每個對應的45°切角面上安裝2副電纜支架。

L形預裝式混凝土電纜溝的應用，全面落實了資源節約、環境友好，實現社會綜合效益最大化，主要體現在以下幾點：

（1）系統策劃，標準先導，改變傳統電纜溝的布置型式，廢除傳統建筑結構形式。因地制宜，美化設計，使之與周邊環境相協調。

（2）貫徹建筑節能、節材、節水、節地方針，土建結構安全裕度精準，建筑耐久性與變電站運行壽命相協同，力求使建筑結構輕型化。

（3）凈化施工現場，減少施工期粉塵、噪音、污水污染以及水資源消耗。采用預裝式結構，現場基礎、柱、梁、板、屋架一次就位，縮短了近一半施工周期。

5.結論

本文研究了變電站L形預裝式混凝土電纜溝設計。通過對比分析，歸納了預裝式混凝土電纜溝的技術優點，并通L形預裝式混凝土電纜溝的結構設計、抗浮穩定性計算、施工階段承載力驗算、抗傾覆驗算，從結構上驗證了L形預裝式混凝土電纜溝方案的可行性。并通過提出采取順場地坡向的電纜溝排水方案，結合預制混凝土電纜溝的防水使用要求提出下述三種防滲水措施，設計人員可結合場地的工程水文地質特征選用。最后結合L形預裝式混凝土電纜溝結構提出電纜支架安裝方式。L形預裝式混凝土電纜溝可有效提高施工周期，滿足建設資源節約型、環境友好型、工業化的變電站技術要求。

[1]申屠剛.智能化變電站架構及標準化信息平臺研究[D].浙江：浙江大學,2010.

[2]劉國斌.關于智能化預裝式變電站[J].科技視界,2012(16)：280-281.

[3]張飛強.裝配式變電站探索與安裝技術[D].浙江：浙江大學,2011.

[4]朱文博,張蕓.全預制裝配式變電站考察情況簡述[J].能源與節能,2011(10)：20-22.

[5]柳國良,張新育,胡兆明.變電站模塊化建設研究綜述[J].電網技術,2008,32(14)：36-39.

[6]單暉.110kV預裝式變電站在電網中的應用與分析[J].電氣技術,2013(8)：102-104.

[7]張守河,李紅興.淺談變電站電纜溝施工方法[J].價值工程,2010：37-38.

[8]李小云,周鯤,徐滿華等.高強輕質防腐混凝土的預制電纜溝在輸變電工程的應用[J].工程建設,2014,46(4)：30-34.

[9]張福生.中壓網混凝土電纜溝工程監理質量控制[J].建設監理,2014(8)：60-63.

[10]楊軍.電纜溝常見問題分析[J].電力安全技術,2009(11)：50-52.