基礎(chǔ)不均勻沉降對特高壓GIS 設(shè)備的影響分析及應(yīng)對措施

◎王保剛 付佳佳 劉靜靜 程偉然 王磊 方啟 劉斯騰 王晨峰 隨祥旭

（作者單位：平高集團(tuán)有限公司）

引言：隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對特高壓GIS 高壓開關(guān)產(chǎn)品使用要求更為嚴(yán)格，使用環(huán)境適應(yīng)性也更廣泛。由于GIS開關(guān)設(shè)備運(yùn)行高可靠性，占地面積小等特點(diǎn)，是用戶首選的開關(guān)設(shè)備。針對特高壓工程建設(shè)質(zhì)量、設(shè)備的可靠性要求的高標(biāo)準(zhǔn)，使特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備的工程適應(yīng)性就更加優(yōu)越。特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備是安裝在基礎(chǔ)上對應(yīng)預(yù)埋鋼板上，所以特高壓工程基礎(chǔ)的建設(shè)是特高壓GIS 設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的根本，一旦基礎(chǔ)沉降超出要求值，且發(fā)生不均勻沉降時，將會對GIS 設(shè)備安全可靠運(yùn)行帶來嚴(yán)重的、不可預(yù)估的質(zhì)量隱患，如氣體泄漏、放電等事故。

本文針對某特高壓工程基礎(chǔ)發(fā)生較大不均勻沉降時，結(jié)合GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)特殊性，提出GIS 設(shè)備沉降值的獲取方法；對沉降數(shù)據(jù)分析計(jì)算，找出適合GIS 設(shè)備應(yīng)力計(jì)算模型；利用ANSYS 分析與應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行對比，評價(jià)設(shè)備狀態(tài)；提出GIS 開關(guān)設(shè)備的臨時性解決方案，及實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)。為基礎(chǔ)沉降后的GIS 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)分析提供參考依據(jù)。關(guān)于基礎(chǔ)永久糾偏措施復(fù)雜，本文不做分析研究。

一、特高壓GIS 對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求

目前我國特高壓GIS 工程建設(shè)時，均按一倍半接線方式進(jìn)行GIS 開關(guān)設(shè)備布置，由于特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備占地面積較高壓、超高壓GIS 開關(guān)設(shè)備大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)按功能分：串內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)、主母設(shè)備基礎(chǔ)、分支母線設(shè)備基礎(chǔ)。由于串內(nèi)設(shè)備與主母設(shè)備布置原因，一般串內(nèi)設(shè)備與主母線基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為同一基礎(chǔ)，即一個特高壓工程基礎(chǔ)最終按功能劃分為GIS 本體基礎(chǔ)、分支母線基礎(chǔ)。

為保證特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求，即要滿足GIS 運(yùn)行時載荷要求，又要滿足沉降要求。GIS 本體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時通常為整體大板結(jié)構(gòu)，一般在80～100m 左右設(shè)置伸縮縫，解決基礎(chǔ)熱脹冷縮；分支母線基礎(chǔ)為整體大板設(shè)計(jì)，也可以是筏板加支墩方式設(shè)計(jì)，分支母線基礎(chǔ)與GIS 本體基礎(chǔ)交接處設(shè)置伸縮縫。伸縮縫的設(shè)置一是為滿足基礎(chǔ)表面在受載不均或基礎(chǔ)自身熱脹冷縮工況避免發(fā)生局部斷裂等問題；二是用來吸收不同基礎(chǔ)間均勻沉降量。

二、特高壓GIS 對基礎(chǔ)沉降要求

基礎(chǔ)沉降是指GIS 設(shè)備和土工建筑物荷載通過基礎(chǔ)傳遞給地基，地基中產(chǎn)生了豎向、側(cè)向和剪切變形，導(dǎo)致各點(diǎn)的豎向和側(cè)向位移。

基礎(chǔ)沉降又分均勻沉降和不均勻沉降。GIS 工程設(shè)計(jì)時是按照工程均勻沉降量要求，經(jīng)科學(xué)計(jì)算后進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)布置，基礎(chǔ)在均勻沉降范圍內(nèi)，GIS 設(shè)備均能安全可靠運(yùn)行。

GIS 設(shè)備安裝時，通過設(shè)備支撐高低調(diào)整來解決基礎(chǔ)埋件施工誤差及基礎(chǔ)均勻沉降差，GIS 等高設(shè)備安裝后要保證中心高度相同。所以，兩個獨(dú)立大板基礎(chǔ)或同一大板內(nèi)不同埋件間出現(xiàn)不均勻沉降時，判定設(shè)備是否安全可靠運(yùn)行前提條件有以下幾方面：1. 基礎(chǔ)相對沉降量必須滿足GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許值。2.兩個獨(dú)立大板伸縮縫處相對沉降量必須小于此處GIS 彈簧元件沉降功能允許值。3.同一大板內(nèi)不同支撐埋件的相對沉降差必須小于兩支撐間GIS 設(shè)備撓度變形量允許值。4.當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時，仍然要通過測量GIS 設(shè)備中心高度，分析設(shè)備變形量，評價(jià)設(shè)備狀態(tài)。

三、不均勻沉降對GIS 設(shè)備影響分析

造成基礎(chǔ)不沉降因素較多，如土體性質(zhì)、設(shè)計(jì)方面、勘測報(bào)告、施工原因等，所以針對不均勻沉降的影響分析，需以實(shí)際沉降數(shù)據(jù)為依據(jù)，對土工建筑物或基礎(chǔ)上安裝設(shè)備進(jìn)行影響分析。

下面以某特高壓工程基礎(chǔ)不均勻沉降實(shí)際工況，對基礎(chǔ)上安裝的特高壓GIS開關(guān)設(shè)備實(shí)際形變進(jìn)行影響分析，評價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1.GIS 設(shè)備沉降量的確定。GIS 設(shè)備是安裝在基礎(chǔ)表面的預(yù)埋鋼板上，預(yù)埋鋼板通過植筋與混凝土鋼筋網(wǎng)進(jìn)行連接并進(jìn)行尺寸定位，再進(jìn)行混凝土澆筑。GIS 開關(guān)設(shè)備安裝前要進(jìn)行所有預(yù)埋鋼板高度差測量，高度誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)才允許GIS安裝。

國內(nèi)某一特高壓工程在GIS 設(shè)備自安裝后運(yùn)行約1 年，依據(jù)GB/T12897-2006國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范、GB50026-2007工程測量規(guī)范、JGJ 8-2016 建筑變形測量規(guī)范、DL/T5445-2010 電力工程施工測量技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測發(fā)現(xiàn)（基礎(chǔ)示意見圖1，線框?yàn)榛A(chǔ)邊界），其中GIS 設(shè)備分支母線1、分支母線2 處基礎(chǔ)局部發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，沉降速率遠(yuǎn)超0.01mm/d。

圖1 某一特高壓工程基礎(chǔ)示意圖

為研究該工程基礎(chǔ)不均勻沉降對GIS設(shè)備影響，現(xiàn)以本程沉降最嚴(yán)重的分支母線1 數(shù)據(jù)為例進(jìn)行研究分析。以分支母線1設(shè)備區(qū)域基礎(chǔ)發(fā)生沉降后，分支母線1 設(shè)備不同部位發(fā)生不同程度撓度變形。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，在母線長度方向進(jìn)行分段設(shè)置支撐，支撐與母線連接部位設(shè)置有高低調(diào)整結(jié)構(gòu)，可用于GIS 設(shè)備安裝時或運(yùn)行一段時間后（即當(dāng)基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定后）的高低調(diào)整，本工程支撐最大調(diào)整量為10mm。所以，為了準(zhǔn)確得到GIS 設(shè)備的實(shí)際沉降量，提出以GIS 設(shè)備每個筒體連接法蘭為測量點(diǎn)，每個法蘭處分別取最高點(diǎn)和水平中心位置為測量點(diǎn)，每點(diǎn)測量至少三次，取平均值并記錄。分支母線1 測量點(diǎn)見圖2。

圖2 分支母線1 測量點(diǎn)示意圖

依據(jù)國家相關(guān)測量規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，對測量數(shù)據(jù)匯總見表1。為分析GIS 設(shè)備受最大沉降影響，每處法蘭取兩個測量點(diǎn)中的最大絕對值為設(shè)備的相對沉降值yn（n 為1～9 自然數(shù)）。

表1 沉降值數(shù)據(jù)表

2.計(jì)算分析。（1）數(shù)據(jù)分析。依據(jù)用戶要求，分支母線1 與GIS 本體大板基礎(chǔ)之間的沉降差值不得超過±25mm，每一塊大板基礎(chǔ)上的任意兩塊埋件的設(shè)計(jì)沉降值按表2 執(zhí)行：

表2 分支母線1 埋件設(shè)計(jì)沉降量

根據(jù)圖2 及表2，計(jì)算得出分支母線1每處支撐位置GIS 設(shè)備設(shè)計(jì)沉降值為y設(shè)n#（見表3）。

表3 支撐點(diǎn)設(shè)計(jì)沉降值y 設(shè)n#/mm

按圖2 設(shè)置布置及表1 測量數(shù)據(jù)，簡化繪制出分支母線1 設(shè)備實(shí)際沉降近似曲線圖（見圖3），從圖上可看出：分支母線1在MX1-72、MX1-82 點(diǎn)位置沉降最為明顯。

圖3 分支母線1 沉降曲線

依據(jù)實(shí)際沉降曲線圖3，利用三角形等比定理，近似計(jì)算出每兩個支撐間GIS設(shè)備相對沉降量，假設(shè)5#支撐與4#支撐間的設(shè)備相對沉降量為y5#，即：

以此類推，計(jì)算出每個支撐處GIS 設(shè)備實(shí)際相對沉降量得出表4。

表4 支撐點(diǎn)GIS筒體實(shí)際相對沉降量yn#/mm

結(jié)論：對比表3 和表4，5#～7#支撐處GIS 設(shè)備實(shí)際相對沉降量已超出設(shè)計(jì)允許值，說明基礎(chǔ)已產(chǎn)生較大不均勻沉降。

（2）GIS 設(shè)備工況分析。由于GIS 結(jié)構(gòu)及支撐布置的特殊性，為更準(zhǔn)確計(jì)算GIS設(shè)備沉降應(yīng)力，綜合前述沉降分析，需將分支母線1 簡化為分段模型計(jì)算。通過分析，在基礎(chǔ)沉降時，往往支撐位置筒體承受應(yīng)力最大。通過對整體沉降趨勢分析，轉(zhuǎn)化計(jì)算各支撐處的沉降值（見表4），建立數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出各支撐處筒體應(yīng)力情況。

根據(jù)受力分析，可將每個支撐處GIS設(shè)備分析為懸臂梁受力結(jié)構(gòu)，分析本次沉降對該分支母線設(shè)備的受力狀況。

數(shù)學(xué)模型公式：y=FL3/(3EI) （4）

其中：y 為筒體沉降絕對值（表4）；F為筒體承受力；L 為支撐間筒體長度；E 為彈性模量（5083-H112：71GPa、304：204GP）；I 為筒體慣性矩0.002769m4。

根據(jù)公式（4）可以推出筒體產(chǎn)生沉降力如式（5）所示： F=3EIy/L3（5）

由于1#支撐處筒體為測量參考點(diǎn)，默認(rèn)沉降為0，所以對2#支撐處母線設(shè)備簡化模型如下圖：

圖4 2#支撐處設(shè)備沉降后簡化模型

即2#支撐間母線設(shè)備所承受沉降力值為：

根據(jù)上式計(jì)算取F2#最大值用于考核筒體承載應(yīng)力，以此計(jì)算出所有支撐處設(shè)備筒體沉降力F 為：

表5 支撐點(diǎn)GIS 筒體沉降力

應(yīng)力計(jì)算公式：由σ=M/W，得出：σ=FLD/(2I)＜σ0.2（6）

其中：F 為筒體產(chǎn)生的沉降力；L 為支撐間筒體長度；D 為筒體直徑；I 為筒體慣性矩0.002769m4；σ0.2為材料屈服強(qiáng)度（5083-H112：125MPa、304：205MPa）。

由式（5）、（6）分別計(jì)算出每個支撐間母線設(shè)備的應(yīng)力值：

以此計(jì)算各部位設(shè)備筒體應(yīng)力為：

表6 計(jì)算筒體應(yīng)力σ /MPa

結(jié)論：根據(jù)表6 可知，目前已有5#、6#、7#支撐筒應(yīng)力已超出許用應(yīng)力，但仍小于材料拉抗強(qiáng)度，雖然筒體沒有遭到破壞，但說明筒體產(chǎn)生較大應(yīng)力，存在損壞的隱患，或有輕微變形。

所以，對不均勻沉降量較大的位置所對應(yīng)GIS 開關(guān)設(shè)備要及時進(jìn)行應(yīng)力消除。

（3）ANSYS 分析GIS 設(shè)備工況。為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，利用ANSYS 軟件對分支母線1 設(shè)備進(jìn)行建模，計(jì)算筒體受力情況。計(jì)算模型如下圖所示：

圖5 沉降計(jì)算簡化模型

由于支架為剛性連接，在三維建模過程中將支架略去，僅保留筒體的支腿。將表4 值施加在筒體支腿上，計(jì)算出筒體法蘭沉降量，如下圖所示：

圖6 整體變形示意圖

為了對比結(jié)果的正確性，提取表1 對應(yīng)法蘭位置的計(jì)算沉降量與表1 測量值作比較，結(jié)果如下：

表7 計(jì)算值與測量值對比

從表7 數(shù)據(jù)可知ANSYS 仿真計(jì)算的各個法蘭對接面的沉降量與實(shí)測值較為接近，本文建立的ANSYS 模型基本正確。

表8 支撐點(diǎn)GIS筒體應(yīng)力ANSYS計(jì)算結(jié)果l

表9 ANSYS 仿真與理論計(jì)算值對比

從表9 對比數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算值與ANSYS 仿真計(jì)算值基本吻合，理論計(jì)算可以反映筒體應(yīng)力的真實(shí)情況。

四、基礎(chǔ)不均勻沉降GIS 開關(guān)設(shè)備的臨時性解決方案

通過對本工程沉降量分析，已超出GIS 設(shè)計(jì)允許范圍，說明設(shè)備產(chǎn)生較大應(yīng)力，存在較大質(zhì)量隱患。所以，在基礎(chǔ)不能及時做永久糾偏時，可以先對GIS 設(shè)備采取臨時性對策，首先保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.臨時性解決方法。

（1）對GIS 設(shè)備中心高度進(jìn)行測量，整理數(shù)據(jù)；

（2）利用數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行撓度、應(yīng)力計(jì)算，分析設(shè)備應(yīng)力狀態(tài)；

（3）當(dāng)沉降量較小時，微調(diào)GIS 設(shè)備支撐高度解決設(shè)備不平狀態(tài)；

（4）當(dāng)沉降量超過支撐調(diào)整量時，通過抬升或降低設(shè)備支撐，使設(shè)備總體恢復(fù)至安裝時水平高度狀態(tài)；

（5）設(shè)備調(diào)整后，根據(jù)目前沉降速率，結(jié)合設(shè)備沉降能力范圍，制定基礎(chǔ)沉降觀測頻次，及時掌握沉降狀態(tài)；

（6）重點(diǎn)關(guān)注雨季、冬季等易引起基礎(chǔ)土層形變較大的季節(jié)，制定沉降量預(yù)警值。

2.特高壓GIS 設(shè)備抬升或降低注意事項(xiàng)。由于特高壓GIS 設(shè)備較常規(guī)GIS 開關(guān)體積大，重量沉，在設(shè)備調(diào)整時，務(wù)必做好人員、設(shè)備安全等相關(guān)措施，根據(jù)現(xiàn)場施工條件及特高壓GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要做到以下注意事項(xiàng)：

（1）當(dāng)GIS 設(shè)備抬升或降低時，為保證安全，原則上建議設(shè)備停電后作業(yè)；

（2）作業(yè)前，GIS 設(shè)備外殼要有可靠接地，消除外殼靜電危害；

（3）GIS 設(shè)備調(diào)整部分含有伸縮元器件時，要做好原始狀態(tài)記錄，便于設(shè)備精準(zhǔn)恢復(fù)；

（4）GIS 設(shè)備抬升或降低調(diào)整時，務(wù)必平穩(wěn)、等間距微調(diào)，可每次3～5mm 間距循環(huán)調(diào)整，杜絕一次性大距離調(diào)整；

（5）禁止對薄壁元件（如筒體）小面積作用力，務(wù)必使用專用工裝，增大薄壁元件受力面積；

（6）作業(yè)用頂起（液壓）裝置或吊裝工裝等，使用前務(wù)必確認(rèn)狀態(tài)完好；

（7）若現(xiàn)場有焊接、氣割等動火作業(yè)時，務(wù)必做好消防安全等措施。

五、總結(jié)及建議

本文對某一特高壓工程基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，提出了數(shù)據(jù)測量、計(jì)算分析、及臨時性解決方案內(nèi)容有：（1）提出了對GIS設(shè)備連接法蘭進(jìn)行中心高測量，可獲得GIS 更精確的沉降量值；（2）比對GIS 設(shè)備實(shí)際沉降量，找出超出設(shè)計(jì)允許沉降量設(shè)備位置；（3）依據(jù)GIS 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特殊性，對超出允許沉降值的GIS 設(shè)備建立受力模型，評價(jià)設(shè)備應(yīng)力工況；（4）GIS 設(shè)備母線出現(xiàn)沉降后可以通過理論計(jì)算對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，評價(jià)設(shè)備工況；（5）根據(jù)設(shè)備評價(jià)結(jié)果，當(dāng)基礎(chǔ)不能做永久糾偏時，提出GIS 設(shè)備臨時性解決方案，及實(shí)施過程中的注意事項(xiàng)。

以上對基礎(chǔ)沉降后的GIS 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評價(jià)分析提供參考意見。特高壓工程是重點(diǎn)工程，基礎(chǔ)建設(shè)至關(guān)重要，發(fā)生較大沉降時，要及時做好永久糾偏措施，預(yù)防特高壓開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障，以免造成重大安全事故。