某復(fù)雜場地500 kV變電站場平設(shè)計優(yōu)化

(深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司,廣東 深圳 518054)

場平設(shè)計是變電站工程設(shè)計中的重要一環(huán),對山區(qū)復(fù)雜地貌場地尤為重要。對于地貌簡單場地,進行一般平整便可滿足工程要求；但對于地貌復(fù)雜場地,需充分考慮地形起伏、巖土條件、工程使用等各種因素進行設(shè)計。

深圳市某500 kV變電站的站址位于廢棄采石場,地形地貌復(fù)雜,起伏高差巨大(大于100 m),屬復(fù)雜場地。變電站建設(shè)規(guī)模為6h1000 MVA,圍墻內(nèi)占地4.5215 hm2,站區(qū)采用平坡式布置,由北至南依次布置500 kV、主變、35 kV及220 kV場地。受地形和進站道路等條件限制,場平需挖高填低,挖填總量超過100h104m3,既要控制挖填土方量就地平衡,又要控制挖填邊坡規(guī)模,確保場地安全可靠；場平及邊坡設(shè)計復(fù)雜,對工程造價影響巨大。站區(qū)布置、土方量、邊坡規(guī)模這三者相互關(guān)聯(lián),牽一發(fā)而動全身。設(shè)計工況極其復(fù)雜,是本工程難點之一。為此,本文研究了變電站紅線位置調(diào)整、場平標高調(diào)整、進站道路路徑調(diào)整、邊坡坡度調(diào)整等15種組合,進行了大量比選、優(yōu)化工作,最終確定了場平設(shè)計方案。

1 站址地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地形地貌

圖1 站址原始地貌照片

圖2 站址及周邊地形概貌

1.2 工程地質(zhì)條件

場地內(nèi)主要分布有人工填土層、坡殘積土層和燕山期花崗巖等地層。

人工填土層由礫質(zhì)粘性土混雜碎塊石、建筑垃圾等組成,碎塊石含量50%～65%,局部有架空間隙。該層屬市政棄土,均勻性差,欠固結(jié),層厚10.4～27.6 m。

坡殘積土層分布于原狀山體區(qū)域,厚度0.6～ 1.5 m。

燕山期花崗巖各風化層均有分布,其中全風化巖層厚度6.0～11.3 m,在采石區(qū)域該層已剝離；強風化巖層厚度變化大,在自然山體區(qū)厚1.3～28.6 m,在采石區(qū)域厚度1.4～5.5 m；微風化巖層起伏大,層頂高程88.0～117.2 m。

2 場平設(shè)計難點分析

本項目地形地貌及周邊環(huán)境復(fù)雜,場平設(shè)計難點在于：

(1)在規(guī)劃批復(fù)的用地范圍內(nèi),平緩地形區(qū)長寬均不超過150 m,不能滿足變電站245 mh187 m的用地需求。東西側(cè)需要開挖山體。南北側(cè)為斜坡及山坳,需要高回填。挖填土方量巨大,施工期長,水保控制復(fù)雜,且深圳棄土場緊張、土方外棄費用高,因此,控制挖填方量及就地平衡是該場平設(shè)計遵循的主要原則。

(2)進站道路布置。進站道路受山地地形控制,長度有限,大件設(shè)備運輸要求道路縱坡不宜超限設(shè)計。進站道路的長度決定了場平標高可比較調(diào)整的范圍,既影響土方量,又影響站外挖填邊坡的規(guī)模。

反思：在不同條件(如不同的濃度、溫度等)下,同種物質(zhì)的氧化性或還原性的強弱也有差異。由于稀鹽酸的還原性不如濃鹽酸強,故稀鹽酸不能和MnO2反應(yīng)。在實驗室中若用濃鹽酸制備氯氣則一看加熱條件,二看鹽酸濃度。

(3)場地西側(cè)福龍路隧道的保護。福龍路是深圳市南北向交通的主干道,由于距站址近,場平挖山爆破對隧道安全運行存在不利影響,應(yīng)考慮工程用地影響范圍(如開挖形成的邊坡)與隧道保持一定的安全距離。

(4)挖填邊坡規(guī)模的控制。受山地地形限制,該場平在站外不可避免形成挖方邊坡、填方邊坡,若場平過高,則填方坡回填高度就大,需填方量也大,可能需購?fù)粒蝗魣銎竭^低,則挖方坡就高,且挖方量也大,可能有外棄土。通過調(diào)整和優(yōu)化紅線位置的布置,應(yīng)控制邊坡規(guī)模和土方總量,降低工程投資。

3 場平設(shè)計優(yōu)化過程

場平最優(yōu)設(shè)計方案應(yīng)既能挖填方總量最少,又能挖填平衡；既對周邊山體及環(huán)境破壞最小、影響最小,又能合理控制造價。場平優(yōu)化涉及進站道路、站區(qū)布置、場平高程、邊坡規(guī)模、土方平衡等諸多因素,各個因素的影響又是相互關(guān)聯(lián)的,具體設(shè)計時需要統(tǒng)一考慮,反復(fù)試算,才能得到最優(yōu)場平設(shè)計方案。

3.1 進站道路布置

根據(jù)《變電站總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5056-2007)要求,進站道路坡度不大于6%,但對于山區(qū)變電站可不大于8%,因此,進站道路的長短基本決定了允許的最大場平高程,也相應(yīng)決定了挖填土方量及邊坡規(guī)模。

本項目進站道路依山坡地勢盤旋進站,結(jié)合進站大門的布置有兩種方案,詳見圖3,其中：A方案是進站門置于西側(cè),即西入口方案；B方案是進站門置于東側(cè),即東入口方案。A方案道路長650 m,B方案道路長530 m,A、B兩方案對北側(cè)回填區(qū)邊坡設(shè)計的影響差別不大,但是B方案在進站門口附近需挖山開路形成高邊坡,增加挖方量4h104m3,增加邊坡治理面積約1000 m2。

兩方案比較：A方案進站路較長,場平高程可供設(shè)計選擇比較的范圍較大,對現(xiàn)狀山體影響又較小,優(yōu)于B方案。因此,進站道路選用A方案,起點高程67.5 m,按最大允許坡降6%計,道路終點即場平設(shè)計高程最大可達106.5 m。

圖3 出入口方案比選

3.2 紅線布置

變電站紅線用地近似矩形,受電氣設(shè)備布置要求限制,總圖平面形態(tài)基本固定；受進出線方向及終端塔布置條件限制,紅線位置也不能大角度旋轉(zhuǎn),只能在規(guī)劃批復(fù)的用地范圍內(nèi),將總圖平面在各方向上平移、旋轉(zhuǎn)等微調(diào),以優(yōu)化場平布置。

3.2.1 南北方向平移比選

變電站南北向長度187 m,而現(xiàn)狀地形中部平緩區(qū)南北向長度僅為130 m,南北兩側(cè)均為市政棄土堆填形成的填土邊坡,需要新回填造地。

南北兩側(cè)邊坡均為市政棄土坡,表面植被良好,其中,南側(cè)坡面比較規(guī)則。經(jīng)專項評估,南側(cè)坡體穩(wěn)定性較好,工程可直接利用；北側(cè)邊坡較不規(guī)則,坡前洼地較寬,可消化較多土方,且現(xiàn)狀有簡易道路,便于場平土方施工。因此,南側(cè)邊坡保持現(xiàn)狀,以其坡頂為界線,向北布置紅線,考慮安全因素紅線距坡肩不小于5 m。北側(cè)需要填土的距離約為50～80 m,由低至高,分級回填放坡,填筑到場平設(shè)計高程(見圖4)。

圖4 場地南北向剖面示意圖

3.2.2 東西方向平移比選

變電站東西向長度245 m,而現(xiàn)狀地形東西向平緩區(qū)域?qū)挾葍H為150 m,東西兩側(cè)需開挖一部分山體才能滿足場平要求(見圖5)。

圖5 場地東西向剖面示意圖

根據(jù)地形,紅線位置在東西方向比選有3個方案(見圖6),各方案比選結(jié)果見表1。

圖6 場地東西向比選方案

表1 東西方向場平布置比選

基于挖方量、挖方邊坡治理規(guī)模、對相鄰市政路隧道影響等因素綜合比較,B方案優(yōu)于其它兩個方案,因此,東西方向的紅線布置采用B方案。

3.2.3 不同角度的比選

為進一步控制站外挖填坡的規(guī)模和土方量,在確認B方案基礎(chǔ)上,將場地紅線微旋轉(zhuǎn),以進一步優(yōu)化。選定4個旋轉(zhuǎn)方案,其中：B1方案為正南北方位布置,B2、B3、B4方案分別為B1方案順時針旋轉(zhuǎn)8°、16°、24°,從土方量、邊坡規(guī)模等方面進行比選,B3方案為最優(yōu)方案。

圖7 旋轉(zhuǎn)布置比選方案

需要指出的是,由于本工程的挖方量主要在圍墻內(nèi)及站外挖方邊坡區(qū),填方量主要在站外北側(cè)低洼坡地,所以在以上方案比選中,土方只比較了圍墻區(qū)內(nèi)的挖、填量及挖方坡的土方量,多余土方可以通過調(diào)整北側(cè)回填區(qū)的坡度以達到土方平衡。因此,各方案的土方比較中,最小挖方量是衡量場地紅線布置是否優(yōu)化的關(guān)鍵指標。

3.3 場平高程初定

場平設(shè)計高程的確定將直接影響土方量,場平高程基于以下考慮：(1)進站道路條件；(2)潛在邊坡規(guī)模；(3)土方開挖量；(4)防洪(澇)條件。由于擬建場地遠高于周邊百年一遇洪(澇)水位,場平高程不考慮設(shè)計洪(澇)水位的影響因素。

3.3.1 進站道路

進站道路的長度決定了場平高程可以調(diào)整的幅度。本工程進站道路長度650 m,起點高程為67.5 m,若允許坡降按6%控制,場平高程最高可達106.5 m；按8%控制,則可達119.5 m。

3.3.2 邊坡規(guī)模

本工程經(jīng)平移、旋轉(zhuǎn)等多方案比選而確定紅線位置后,站外挖填邊坡總體規(guī)模也基本確定。由于紅線面積約4.5h104m2,設(shè)計場平高程變化1～2 m,對邊坡總體規(guī)模影響不大,但對挖填土方量和就地平衡影響大。因此場平高程在小范圍內(nèi)的優(yōu)化比選時,也為了減輕比選計算工作量,可基本不考慮對邊坡規(guī)模的影響。

3.3.3 土方開挖量

紅線位置基本確定后,計算了不同場平高程下紅線內(nèi)挖、填土方量(見圖8),以合理確定場平高程。從圖8可看出,當高程由115 m降低至100 m時,挖方量顯著上升,填方量依次遞減；當高程約為112.5 m時,紅線內(nèi)土方挖填平衡。考慮場地北側(cè)洼地放坡回填區(qū)的需土量,經(jīng)計算,場平高程由112.5 m降至105.0 m時,可實現(xiàn)全場地挖填土方平衡,相應(yīng)進站道路坡降5.8%,也滿足不大于6%的常規(guī)要求。

圖8 不同設(shè)計場平高程土方量

3.4 場平高程確定

根據(jù)前文分析,按場平高程105.0 m進行場平施工圖設(shè)計,進一步優(yōu)化挖填邊坡范圍、進站道路之后,再次進行全場土方計算,挖填土方量缺8.6h104m3。考慮全場填挖區(qū)總用地為10.1h104m2,如果場平標高增減1 m,挖填土方總量將相應(yīng)增減約10.1h104m3,因此,場平高程降幅大致可確定為8.6/10.1≈0.85 m,即場平高程由105.0 m調(diào)整為104.2 m,再次微調(diào)場平高程和挖填坡線。經(jīng)核算,總填方54.8h104m3、總挖方量55.4h104m3,土方基本平衡。考慮必要的清表外棄量、松散系數(shù)、建(構(gòu))筑物基槽挖方量等,本項目施工圖場平高程最終確定為104.5 m。

3.5 邊坡治理方案

本工程邊坡治理包括挖方邊坡、填方邊坡,其中：挖方邊坡位于站外東西兩側(cè),高度超過30 m,坡體以土狀風化的全—強風化花崗巖為主,局部為中—微風化。為控制用地和土方量,坡比采用1∶0.25～1∶1.0。結(jié)合深圳地區(qū)經(jīng)驗,采用“錨桿(索)+格構(gòu)梁”的支護方案；填方邊坡位于變電站圍墻外北側(cè),總填方邊坡高度大于50 m。對于填土坡的設(shè)計,一是考慮填土邊坡的整體穩(wěn)定性,二是考慮土方量問題。常規(guī)治理包括坡率法、加筋土等方案,對本項目,場地北側(cè)具備放緩坡回填條件,又可滿足土方平衡的要求,因此,采用坡率法設(shè)計,分級坡率1∶2.0,總坡高56.5 m,坡面植草復(fù)綠。

3.6 場平施工效果

該變電站“二通一平”施工于2015年底完成,場平施工做到了挖填土方場內(nèi)平衡,避免了土方外棄和外購,設(shè)計方案合理,施工過程中未發(fā)生因設(shè)計原因而導(dǎo)致的變更,經(jīng)施工期間及竣工后變形監(jiān)測,挖填方邊坡變形穩(wěn)定,各項監(jiān)測指標均滿足規(guī)范要求,變電站場平竣工后全貌航拍見圖9。

圖9 變電站場平竣工后全貌航拍圖

4 結(jié)語

本變電站場平設(shè)計條件復(fù)雜,影響因素眾多,場平設(shè)計方案對工程造價影響較大。對此類復(fù)雜場地的場平設(shè)計,首先需要掌握關(guān)鍵點,如本項目的總土方量最小且場內(nèi)平衡是設(shè)計關(guān)鍵點,紅線位置、進站道路、挖填邊坡范圍均圍繞關(guān)鍵點進行比選；其次,場平方案需進行多因素綜合考慮,才能選定最優(yōu)的方案；另外,在比選中,關(guān)鍵指標的量化才能衡量比選方案是否合理,才能明確優(yōu)勢,而不是僅僅依靠直覺或經(jīng)驗確定。本項目的場平設(shè)計優(yōu)化過程,可供類似工程設(shè)計參考。

該變電站“二通一平”已于2015年底完成,完全做到了挖填土方場內(nèi)平衡,避免了土方外棄和外購,避免了土方場外運輸對環(huán)境的影響,涉及場外因素少,方便了施工組織,保證了工期,取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。