嚴(yán)寒地區(qū)變電站抗凍脹預(yù)制斜面基礎(chǔ)應(yīng)用研究

張圣金，張靜波

(中國能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，哈爾濱 150078)

0 引言

寒冷地區(qū)，變電站內(nèi)的建筑物、構(gòu)支架、電纜溝、擋土墻以及道路等常由于基礎(chǔ)受到地基土凍脹的影響而產(chǎn)生傾斜、裂縫、隆起等較大的破壞，越是高寒地區(qū)，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重，影響安全生產(chǎn)，降低使用壽命[1]。

電網(wǎng)工程采用裝配式基礎(chǔ)較少，目前裝配式桿塔基礎(chǔ)已在我國凍土和沙漠地區(qū)輸電線路工程中得到應(yīng)用[2-3]，而采用斜面預(yù)制基礎(chǔ)應(yīng)用于嚴(yán)寒地區(qū)變電站尚屬首次。

1 傳統(tǒng)基礎(chǔ)防凍脹措施

1.1 基側(cè)填砂

基礎(chǔ)側(cè)填200 mm的中粗砂來減小或消除切向凍脹力，效果明顯且簡單易行。但此方法不太適合地下水位較高的情況[4]。

1.2 斜面基礎(chǔ)

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄，斜面的受力情況如圖1、2所示。斜面基礎(chǔ)底角為α，將凍層內(nèi)的地基土分成n層(可近似按在負(fù)溫度梯度下每隔1℃設(shè)一層)，每層的高度為△h，并認(rèn)為土的凍脹率上下均勻，凍脹只在溫度為零度的凍結(jié)界面一次完成。

圖1 斜面基礎(chǔ)示意圖Fig.1 Schematic diagram of slop foundation

圖2 斜面基礎(chǔ)受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of forced slope foundation

當(dāng)冬初第一層土凍結(jié)時，土產(chǎn)生凍脹，并同時出現(xiàn)兩個方向的膨脹。沿水平方向膨脹基礎(chǔ)受一水平力作用H1，垂直向上膨脹基礎(chǔ)受一作用力V1，兩力分解如圖2所示。τ12是由于土有向上膨脹趨勢對基礎(chǔ)施加的切向凍脹力，N12是由于土有向上膨脹趨勢對基礎(chǔ)斜邊法線方向作用的拉應(yīng)力。τ12是由于水平凍脹力的作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的切向凍脹力，N11則是由于水平凍脹力作用施加在基礎(chǔ)斜邊上的正壓力。

此時，第一層土作用于基側(cè)的切向凍脹力為：

摩擦力與剪切面上的正壓力有關(guān)，基本上呈線性關(guān)系，壓力越大，抗剪強(qiáng)度越高。正壓力為：

由于N12為正拉力，它的存在將降低基側(cè)受到的正壓力數(shù)值。當(dāng)凍結(jié)界面發(fā)展到第二層土?xí)r，除第一層的原受力不變之外，又疊加了第二層土凍脹時對第一層的作用。由于第二層土凍脹時受到第一層的約束，使第一層土對基側(cè)的切向凍脹和正壓力增加至：

τ1=τ11+τ12+τ22

N1=N11-N12-N22

當(dāng)凍層發(fā)展到第三層土?xí)r，第一、二層重又出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

由以上分析可以看出，某層的切向凍脹力隨凍深的發(fā)展而逐步增加，而該層位置基礎(chǔ)斜面上受到的凍脹壓應(yīng)力隨凍深的發(fā)展數(shù)值逐步變小。當(dāng)凍深發(fā)展到第n層，第一層的切向凍脹力克服基側(cè)與土的凍結(jié)強(qiáng)度和由正壓力N1產(chǎn)生的摩擦力時，基礎(chǔ)便與凍土產(chǎn)生相對位移。當(dāng)切向凍脹力與土的凍結(jié)強(qiáng)度和由正壓力N1產(chǎn)生的摩擦力達(dá)到平衡時，沒有相對位移產(chǎn)生，即是斜面基礎(chǔ)的最優(yōu)傾角。

在凍脹作用下，斜面基礎(chǔ)受力明確，技術(shù)可靠，應(yīng)用面廣，推薦基礎(chǔ)傾斜角2°～9°[4]。

1.3 保溫基礎(chǔ)

在室外地面以下、基礎(chǔ)外側(cè)采取保溫措施，既減輕切向凍脹力，又減少地面熱損耗，同時實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)淺埋[4]。

斜面基礎(chǔ)在凍脹作用下基礎(chǔ)受力明確，技術(shù)可靠。結(jié)合裝配式變電站建設(shè)，擬采用預(yù)制斜面基礎(chǔ)。

2 大慶林源220 kV變電站新建工程

林源220 kV變電站位于黑龍江省大慶市。以《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)220 kV變電站模塊化建設(shè)》(2017年版)220-C-2(35)為基礎(chǔ)，取消預(yù)制艙進(jìn)行設(shè)計(jì)。220 kV配電裝置和110 kV配電裝置采用平行布置，主變壓器、35 kV配電裝置、35 kV電容器等布置在220 kV配電裝置和110 kV配電裝置中間，東西向186 m，南北向149.5 m，圍墻內(nèi) 2.665 2 hm2。

該區(qū)累年極端最低氣溫-36.2℃，標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為2.05 m，最大凍結(jié)深度為2.09 m。地震動峰值加速度為0.05 g，抗震設(shè)防烈度為6度，特征周期為0.45 s，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。地基承載力采用粉質(zhì)黏土(可塑)，fak=150 kPa，采用獨(dú)立基礎(chǔ)。

3 預(yù)制斜面基礎(chǔ)

3.1 體量較小的基礎(chǔ)

110 kV、220 kV、主變等設(shè)備支架基礎(chǔ)、圍墻基礎(chǔ)、主控通信室及配電裝置室等基礎(chǔ)，由于上部結(jié)構(gòu)較輕，基礎(chǔ)底面尺寸較小。經(jīng)計(jì)算，底面積為0.8×0.8mm、1.0×1.0 mm、1.5×1.5 mm，考慮基礎(chǔ)底面下允許凍土層，基礎(chǔ)埋深1.6 mm。可直接采用預(yù)制斜面基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上部預(yù)埋地腳螺栓，待基礎(chǔ)墊層強(qiáng)度達(dá)到要求后，直接吊裝基礎(chǔ)，安裝設(shè)備支架，機(jī)械化程度較高。

如圖3所示，左圖為嚴(yán)寒地區(qū)變電站常規(guī)階梯型基礎(chǔ)，方形截面。為防止凍脹，基側(cè)設(shè)200 mm厚防凍脹粗砂。右圖為傾角9.8°預(yù)制斜面基礎(chǔ)，底面尺寸、埋深未變。由表1對比可見，采用預(yù)制斜面基礎(chǔ)后，單個基礎(chǔ)減少混凝土0.284 m3，占原常規(guī)基礎(chǔ)體積的1/4，省掉防凍脹粗砂1.08 m3，基礎(chǔ)開挖節(jié)省10.12 m3，占原常規(guī)基礎(chǔ)開挖量的1/2。

3.2 體量較大的基礎(chǔ)

對于220 kV、66 kV架構(gòu)基礎(chǔ)，由于受力較大，基礎(chǔ)底面約4.0×4.0 m，埋深2.5 m。若仍采用單個預(yù)制混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)預(yù)制困難，且運(yùn)輸、安裝也不方便。拆分基礎(chǔ)為兩塊，分別預(yù)制并運(yùn)輸至現(xiàn)場，再借助節(jié)點(diǎn)連接，現(xiàn)場組裝一個整體。如圖4、5，為220 kV人字柱基礎(chǔ)。

圖4 常規(guī)架構(gòu)階梯基礎(chǔ)Fig.4 Ladder foundation of conventional architecture

圖4為嚴(yán)寒地區(qū)變電站架構(gòu)常規(guī)階梯型基礎(chǔ)，方形截面。為防止凍脹，基側(cè)設(shè)200 mm厚防凍脹粗砂。圖5為傾角10°預(yù)制斜面基礎(chǔ)，底面尺寸、埋深未變。預(yù)制基礎(chǔ)分預(yù)制件A、B兩部分單獨(dú)制作，運(yùn)至現(xiàn)場，A、B間通過預(yù)埋錨固件連接牢固。經(jīng)計(jì)算，采用預(yù)制斜面基礎(chǔ)后，單個基礎(chǔ)減少混凝土1.68 m3，占原常規(guī)基礎(chǔ)體積的1/8，省掉防凍脹粗砂1.48 m3，基礎(chǔ)開挖節(jié)省32.5 m3，占原常規(guī)基礎(chǔ)開挖量的1/4。

圖5 預(yù)制斜面基礎(chǔ)Fig.5 Precast slope foundation

表1 本站預(yù)制基礎(chǔ)情況Tab.1 Precast foundation of this station

3.3 預(yù)制斜面基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)

表1統(tǒng)計(jì)了本站建、構(gòu)筑物采用預(yù)制基礎(chǔ)情況。與常規(guī)階梯型現(xiàn)澆基礎(chǔ)相比，優(yōu)越性比較明顯。采用預(yù)制斜面混凝土的建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)，不僅擺脫季節(jié)施工束縛，還大大減少現(xiàn)場濕作業(yè)，提高變電站機(jī)械化水平。

4 結(jié)論

通過實(shí)際工程的應(yīng)用，預(yù)制混凝土裝配式基礎(chǔ)相對于常規(guī)現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)具有以下優(yōu)點(diǎn)：工廠預(yù)制，現(xiàn)場組裝，質(zhì)量容易控制。安裝不受氣候條件影響，安裝周期短，嚴(yán)寒地區(qū)優(yōu)勢明顯。基礎(chǔ)作業(yè)面小，減少現(xiàn)場土方開挖量，綠色環(huán)保，綜合造價低。