基礎不均勻沉降對特高壓GIS 設備的影響分析及應對措施

◎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：平高集團有限公司）

引言：隨著我國電網規模的不斷擴大，對特高壓GIS 高壓開關產品使用要求更為嚴格，使用環境適應性也更廣泛。由于GIS開關設備運行高可靠性，占地面積小等特點，是用戶首選的開關設備。針對特高壓工程建設質量、設備的可靠性要求的高標準，使特高壓GIS 開關設備的工程適應性就更加優越。特高壓GIS 開關設備是安裝在基礎上對應預埋鋼板上，所以特高壓工程基礎的建設是特高壓GIS 設備安全、穩定運行的根本，一旦基礎沉降超出要求值，且發生不均勻沉降時，將會對GIS 設備安全可靠運行帶來嚴重的、不可預估的質量隱患，如氣體泄漏、放電等事故。

本文針對某特高壓工程基礎發生較大不均勻沉降時，結合GIS 設備結構特殊性，提出GIS 設備沉降值的獲取方法；對沉降數據分析計算，找出適合GIS 設備應力計算模型；利用ANSYS 分析與應力計算模型進行對比，評價設備狀態；提出GIS 開關設備的臨時性解決方案，及實施過程中的注意事項。為基礎沉降后的GIS 設備運行狀態評價分析提供參考依據。關于基礎永久糾偏措施復雜，本文不做分析研究。

一、特高壓GIS 對基礎設計要求

目前我國特高壓GIS 工程建設時，均按一倍半接線方式進行GIS 開關設備布置，由于特高壓GIS 開關設備占地面積較高壓、超高壓GIS 開關設備大，基礎設計按功能分：串內設備基礎、主母設備基礎、分支母線設備基礎。由于串內設備與主母設備布置原因，一般串內設備與主母線基礎設計為同一基礎，即一個特高壓工程基礎最終按功能劃分為GIS 本體基礎、分支母線基礎。

為保證特高壓GIS 開關設備安全、可靠運行，對基礎設計有嚴格要求，即要滿足GIS 運行時載荷要求，又要滿足沉降要求。GIS 本體基礎設計時通常為整體大板結構，一般在80～100m 左右設置伸縮縫，解決基礎熱脹冷縮；分支母線基礎為整體大板設計，也可以是筏板加支墩方式設計，分支母線基礎與GIS 本體基礎交接處設置伸縮縫。伸縮縫的設置一是為滿足基礎表面在受載不均或基礎自身熱脹冷縮工況避免發生局部斷裂等問題；二是用來吸收不同基礎間均勻沉降量。

二、特高壓GIS 對基礎沉降要求

基礎沉降是指GIS 設備和土工建筑物荷載通過基礎傳遞給地基，地基中產生了豎向、側向和剪切變形，導致各點的豎向和側向位移。

基礎沉降又分均勻沉降和不均勻沉降。GIS 工程設計時是按照工程均勻沉降量要求，經科學計算后進行合理結構布置，基礎在均勻沉降范圍內，GIS 設備均能安全可靠運行。

GIS 設備安裝時，通過設備支撐高低調整來解決基礎埋件施工誤差及基礎均勻沉降差，GIS 等高設備安裝后要保證中心高度相同。所以，兩個獨立大板基礎或同一大板內不同埋件間出現不均勻沉降時，判定設備是否安全可靠運行前提條件有以下幾方面：1. 基礎相對沉降量必須滿足GIS 設備結構設計允許值。2.兩個獨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.同一大板內不同支撐埋件的相對沉降差必須小于兩支撐間GIS 設備撓度變形量允許值。4.當基礎發生不均勻沉降時，仍然要通過測量GIS 設備中心高度，分析設備變形量，評價設備狀態。

三、不均勻沉降對GIS 設備影響分析

造成基礎不沉降因素較多，如土體性質、設計方面、勘測報告、施工原因等，所以針對不均勻沉降的影響分析，需以實際沉降數據為依據，對土工建筑物或基礎上安裝設備進行影響分析。

下面以某特高壓工程基礎不均勻沉降實際工況，對基礎上安裝的特高壓GIS開關設備實際形變進行影響分析，評價設備運行狀態。

1.GIS 設備沉降量的確定。GIS 設備是安裝在基礎表面的預埋鋼板上，預埋鋼板通過植筋與混凝土鋼筋網進行連接并進行尺寸定位，再進行混凝土澆筑。GIS 開關設備安裝前要進行所有預埋鋼板高度差測量，高度誤差在設計范圍內才允許GIS安裝。

國內某一特高壓工程在GIS 設備自安裝后運行約1 年，依據GB/T12897-2006國家一二等水準測量規范、GB50026-2007工程測量規范、JGJ 8-2016 建筑變形測量規范、DL/T5445-2010 電力工程施工測量技術規范標準，對基礎進行沉降觀測發現（基礎示意見圖1，線框為基礎邊界），其中GIS 設備分支母線1、分支母線2 處基礎局部發生不均勻沉降現象，沉降速率遠超0.01mm/d。

圖1 某一特高壓工程基礎示意圖

為研究該工程基礎不均勻沉降對GIS設備影響，現以本程沉降最嚴重的分支母線1 數據為例進行研究分析。以分支母線1設備區域基礎發生沉降后，分支母線1 設備不同部位發生不同程度撓度變形。

依據設計要求，在母線長度方向進行分段設置支撐，支撐與母線連接部位設置有高低調整結構，可用于GIS 設備安裝時或運行一段時間后（即當基礎沉降趨于穩定后）的高低調整，本工程支撐最大調整量為10mm。所以，為了準確得到GIS 設備的實際沉降量，提出以GIS 設備每個筒體連接法蘭為測量點，每個法蘭處分別取最高點和水平中心位置為測量點，每點測量至少三次，取平均值并記錄。分支母線1 測量點見圖2。

圖2 分支母線1 測量點示意圖

依據國家相關測量規范及標準，對測量數據匯總見表1。為分析GIS 設備受最大沉降影響，每處法蘭取兩個測量點中的最大絕對值為設備的相對沉降值yn（n 為1～9 自然數）。

表1 沉降值數據表

2.計算分析。（1）數據分析。依據用戶要求，分支母線1 與GIS 本體大板基礎之間的沉降差值不得超過±25mm，每一塊大板基礎上的任意兩塊埋件的設計沉降值按表2 執行：

表2 分支母線1 埋件設計沉降量

根據圖2 及表2，計算得出分支母線1每處支撐位置GIS 設備設計沉降值為y設n#（見表3）。

表3 支撐點設計沉降值y 設n#/mm

按圖2 設置布置及表1 測量數據，簡化繪制出分支母線1 設備實際沉降近似曲線圖（見圖3），從圖上可看出：分支母線1在MX1-72、MX1-82 點位置沉降最為明顯。

圖3 分支母線1 沉降曲線

依據實際沉降曲線圖3，利用三角形等比定理，近似計算出每兩個支撐間GIS設備相對沉降量，假設5#支撐與4#支撐間的設備相對沉降量為y5#，即：

以此類推，計算出每個支撐處GIS 設備實際相對沉降量得出表4。

表4 支撐點GIS筒體實際相對沉降量yn#/mm

結論：對比表3 和表4，5#～7#支撐處GIS 設備實際相對沉降量已超出設計允許值，說明基礎已產生較大不均勻沉降。

（2）GIS 設備工況分析。由于GIS 結構及支撐布置的特殊性，為更準確計算GIS設備沉降應力，綜合前述沉降分析，需將分支母線1 簡化為分段模型計算。通過分析，在基礎沉降時，往往支撐位置筒體承受應力最大。通過對整體沉降趨勢分析，轉化計算各支撐處的沉降值（見表4），建立數學模型，可以計算出各支撐處筒體應力情況。

根據受力分析，可將每個支撐處GIS設備分析為懸臂梁受力結構，分析本次沉降對該分支母線設備的受力狀況。

數學模型公式：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。

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

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

圖4 2#支撐處設備沉降后簡化模型

即2#支撐間母線設備所承受沉降力值為：

根據上式計算取F2#最大值用于考核筒體承載應力，以此計算出所有支撐處設備筒體沉降力F 為：

表5 支撐點GIS 筒體沉降力

應力計算公式：由σ=M/W，得出：σ=FLD/(2I)＜σ0.2（6）

其中：F 為筒體產生的沉降力；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為材料屈服強度（5083-H112：125MPa、304：205MPa）。

由式（5）、（6）分別計算出每個支撐間母線設備的應力值：

以此計算各部位設備筒體應力為：

表6 計算筒體應力σ /MPa

結論：根據表6 可知，目前已有5#、6#、7#支撐筒應力已超出許用應力，但仍小于材料拉抗強度，雖然筒體沒有遭到破壞，但說明筒體產生較大應力，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GIS 開關設備要及時進行應力消除。

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

圖5 沉降計算簡化模型

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

為了對比結果的正確性，提取表1 對應法蘭位置的計算沉降量與表1 測量值作比較，結果如下：

表7 計算值與測量值對比

從表7 數據可知ANSYS 仿真計算的各個法蘭對接面的沉降量與實測值較為接近，本文建立的ANSYS 模型基本正確。

表8 支撐點GIS筒體應力ANSYS計算結果l

表9 ANSYS 仿真與理論計算值對比

從表9 對比數據可知，理論計算值與ANSYS 仿真計算值基本吻合，理論計算可以反映筒體應力的真實情況。

四、基礎不均勻沉降GIS 開關設備的臨時性解決方案

通過對本工程沉降量分析，已超出GIS 設計允許范圍，說明設備產生較大應力，存在較大質量隱患。所以，在基礎不能及時做永久糾偏時，可以先對GIS 設備采取臨時性對策，首先保證設備安全穩定運行。

1.臨時性解決方法。

（1）對GIS 設備中心高度進行測量，整理數據；

（2）利用數據對設備進行撓度、應力計算，分析設備應力狀態；

（3）當沉降量較小時，微調GIS 設備支撐高度解決設備不平狀態；

（4）當沉降量超過支撐調整量時，通過抬升或降低設備支撐，使設備總體恢復至安裝時水平高度狀態；

（5）設備調整后，根據目前沉降速率，結合設備沉降能力范圍，制定基礎沉降觀測頻次，及時掌握沉降狀態；

（6）重點關注雨季、冬季等易引起基礎土層形變較大的季節，制定沉降量預警值。

2.特高壓GIS 設備抬升或降低注意事項。由于特高壓GIS 設備較常規GIS 開關體積大，重量沉，在設備調整時，務必做好人員、設備安全等相關措施，根據現場施工條件及特高壓GIS 設備結構特點，要做到以下注意事項：

（1）當GIS 設備抬升或降低時，為保證安全，原則上建議設備停電后作業；

（2）作業前，GIS 設備外殼要有可靠接地，消除外殼靜電危害；

（3）GIS 設備調整部分含有伸縮元器件時，要做好原始狀態記錄，便于設備精準恢復；

（4）GIS 設備抬升或降低調整時，務必平穩、等間距微調，可每次3～5mm 間距循環調整，杜絕一次性大距離調整；

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

（6）作業用頂起（液壓）裝置或吊裝工裝等，使用前務必確認狀態完好；

（7）若現場有焊接、氣割等動火作業時，務必做好消防安全等措施。

五、總結及建議

本文對某一特高壓工程基礎發生不均勻沉降，提出了數據測量、計算分析、及臨時性解決方案內容有：（1）提出了對GIS設備連接法蘭進行中心高測量，可獲得GIS 更精確的沉降量值；（2）比對GIS 設備實際沉降量，找出超出設計允許沉降量設備位置；（3）依據GIS 設備的結構特殊性，對超出允許沉降值的GIS 設備建立受力模型，評價設備應力工況；（4）GIS 設備母線出現沉降后可以通過理論計算對設備狀態進行初步判斷，評價設備工況；（5）根據設備評價結果，當基礎不能做永久糾偏時，提出GIS 設備臨時性解決方案，及實施過程中的注意事項。

以上對基礎沉降后的GIS 設備運行狀態評價分析提供參考意見。特高壓工程是重點工程，基礎建設至關重要，發生較大沉降時，要及時做好永久糾偏措施，預防特高壓開關設備出現運行故障，以免造成重大安全事故。