亞曼蘇水電站GIS樓結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計研究

唐翠華，梁 山

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

亞曼蘇水電站是目前國內(nèi)引水流量最大的地面鋼結(jié)構(gòu)氣墊調(diào)壓室水電站，為解決長壓力管道調(diào)節(jié)保證計算的難題，亞曼蘇水電站在常規(guī)氣墊式調(diào)壓室理論的基礎(chǔ)上，拓寬氣墊調(diào)壓室的應(yīng)用范圍，創(chuàng)新性地在軟基基礎(chǔ)上設(shè)計了地面鋼結(jié)構(gòu)氣墊式調(diào)壓室。

由于壓力鋼管在本電站的運行中極為重要，筆者在技施圖階段接觸到該電站的GIS樓結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，出于工程安全和投資的考慮，把原設(shè)計方案的GIS樓基礎(chǔ)高程進行了調(diào)整，這一改變解決了原設(shè)計方案中壓力管道置于GIS樓基礎(chǔ)之下存在的風(fēng)險，同時節(jié)約了工程投資。2020年10月，四臺機組已全部投產(chǎn)發(fā)電，GIS樓和壓力管道均運行順利。

1 水電站GIS發(fā)展現(xiàn)狀

GIS(Gas Insulated Substation)是“氣體絕緣全封閉組合電器”的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。電力GIS是將電力企業(yè)的電力設(shè)備、變電站、輸配電網(wǎng)絡(luò)、電力用戶與電力負(fù)荷和生產(chǎn)及管理等核心業(yè)務(wù)連接形成電力信息化的生產(chǎn)管理的綜合信息系統(tǒng)。

GIS設(shè)備自20世紀(jì)60年代實用化以來，已廣泛運行于世界各地。GIS不僅在高壓、超高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域也被使用。經(jīng)過30多年的研制開發(fā)，GIS技術(shù)發(fā)展很快并迅速被應(yīng)用于全世界范圍內(nèi)的電力系統(tǒng)。目前，隨著全球電力系統(tǒng)自身的發(fā)展以及對系統(tǒng)運行可靠性要求的日益提高，GIS技術(shù)必將持續(xù)發(fā)展，成為本世紀(jì)高壓電器的發(fā)展主流。

近年來，GIS設(shè)備在我國新建水電工程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，部分使用傳統(tǒng)開放式設(shè)備的電站也完成了GIS設(shè)備改建，我們的GIS設(shè)備的技術(shù)也在越來越多的工程實踐中不斷精進，與歐美發(fā)達國家的差距越來越小，設(shè)備價格也有了大幅度下降。

2 工程概況

亞曼蘇水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內(nèi)的托什干河上，是托什干河“2庫11級”的第九級克克機格代和第十級牙滿蘇合并而成的亞曼蘇梯級。工程區(qū)介于北緯41°03′～41°12′、東經(jīng)78°48′～79°04′之間，海拔高程1 490～1 740 m。電站利用別迭里電站尾水發(fā)電，引水渠道沿左岸戈壁灘從西到東沿等高線布置，利用河道落差發(fā)電，電站尾水在秋格爾灌區(qū)取水口上游2.85 km匯入托什干河。電站廠房距烏什縣城約22 km，距阿克蘇市約130 km，交通便利。

電站發(fā)電引用流量140 m3/s，設(shè)計水頭199 m，總裝機容量244 MW，多年平均發(fā)電量8.00億kW·h/9.45億kW·h(近期/遠期)，年利用小時數(shù)3 279 h/3 873 h(近期/遠期)。

電站進水閘接上游別迭里二級水電站尾水，經(jīng)輸水明渠至壓力前池，考慮冬季運行的要求，明渠線路沿程布置壅水閘；發(fā)電建筑物采用“壓力前池+壓力管道+氣墊式調(diào)壓室+地面廠房”的布置型式。

配電裝置的選型與電站電氣主接線方案、廠區(qū)樞紐布置方案、升壓站站址選擇密不可分，結(jié)合本電站廠區(qū)樞紐布置，對常規(guī)電器和GIS的綜合比較如下：選用常規(guī)開敞式電器設(shè)備(AIS)時，占有場地較大。根據(jù)現(xiàn)場開挖的情況，廠房邊坡較高，處理難度和土建投資均較大。因此，為降低給工程開挖帶來的難度，避免邊坡滾石影響電氣設(shè)備正常安全運行，本工程選擇使用GIS設(shè)備。除此之外，采用GIS設(shè)備還具有以下優(yōu)點：

(1)提高運行可靠性。由于GIS設(shè)備中所有元器件均裝在全封閉的外殼內(nèi)，與外界隔絕，減少了故障幾率，極大地提高了設(shè)備運行的可靠性。亞曼蘇電站地區(qū)晝夜溫差較大，電氣設(shè)備按常規(guī)戶外布置存在著帶油設(shè)備熱脹冷縮后滲油的問題，這將直接影響到設(shè)備的使用壽命，加大了今后運行維護工作量。而且電氣設(shè)備絕緣子澆注件部分在此氣候條件下容易松動，密封系統(tǒng)易老化、損壞，可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。而GIS受環(huán)境影響較小，設(shè)備運行可靠性高，有利于實現(xiàn)電站高度自動化管理。

(2)運行維護方便。GIS布置在靠近廠房的GIS樓內(nèi)，與中控室、主廠房相鄰，便于日常的運行維護。由于GIS所有元件均裝在全封閉的外殼內(nèi)，其檢修周期比敞開式電氣設(shè)備長，且日常維護工作量要少。

(3)安裝周期短。GIS是成套件，現(xiàn)場安裝和調(diào)試很方便，其安裝周期比敞開式電氣設(shè)備短。GIS樓即為主要安置GIS設(shè)備的建筑物。

3 壓力管道與GIS樓的布置關(guān)系

本工程廠區(qū)樞紐建筑物主要包括主廠房、副廠房及GIS樓、尾水池、尾水渠等。廠房主機間和安裝間呈“一”字型布置，安裝間位于主機間右側(cè)，副廠房及GIS樓布置在主廠房上游側(cè)，中控室副廠房布置于安裝間上游側(cè)(見圖1)。

圖1 GIS樓與主廠房平面布置示意

根據(jù)現(xiàn)場的水文地質(zhì)地形條件，以及安全性、經(jīng)濟性等綜合條件對比后，對該電站的壓力管道布置進行了方案優(yōu)化調(diào)整，最終采用了“兩機一管+氣墊式調(diào)壓室”的基本布置型式。壓力鋼管共四根，三根直徑3.1 m，一根直徑2.2 m，壓力管道全線及氣墊式調(diào)壓室均采用明鋼管外包鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)型式，考慮到工程所處環(huán)境及冬季運行防冰凍等要求，采用淺埋回填方式，回填材料為砂礫石土。

壓力管道連接氣墊式調(diào)壓室和主廠房，由于GIS樓位于主廠房上游側(cè)，介于氣墊式調(diào)壓室和主廠房之間，所以壓力管道需穿GIS樓而過，且壓力管道的埋深不大。這對GIS樓本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和壓力鋼管的安全性都具有一定挑戰(zhàn)。

4 方案調(diào)整與優(yōu)化

GIS樓全長65.52 m，寬度16.3 m，考慮抗震要求，分為左右兩個結(jié)構(gòu)段，X方向布置有10排柱子，Y方向布置3排柱子。地質(zhì)資料顯示，該建筑物地基持力層為砂卵礫石，砂卵礫石天然密度2.06～2.09 g/cm3，相對密度0.55～0.67，平均0.62，壓縮模量25～30 MPa，具密實結(jié)構(gòu)，承載力良好。根據(jù)壓力管道與GIS樓的關(guān)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計對前期方案進行了調(diào)整優(yōu)化。

(1)前期方案：GIS樓采用筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)置于壓力鋼管之上。地下室只布置了地面以上建筑面積一半，上游側(cè)為鋼筋混凝土墻，設(shè)于上部中間排框架柱下方，下游側(cè)為框架柱，混凝土墻體外側(cè)建筑范圍內(nèi)的壓力鋼管至地面高程使用混凝土回填。前期方案如圖2所示。

對GIS樓進行結(jié)構(gòu)計算，最大單根柱底軸力為1 127.7 kN，筏板基礎(chǔ)基底離壓力管道波紋管頂距離不到1 m，雖然大部分柱子未直接落在壓力管道之上，但是筏板基礎(chǔ)厚度僅能做不到兩米厚，且旁邊即為主廠房，基礎(chǔ)無法傳力到旁邊土體上，整個GIS樓的重量將幾乎直接通過筏板基礎(chǔ)作用在壓力鋼管之上，由于壓力鋼管下部地基為砂礫卵石層，雖然承載力良好，但存在變形的可能性較大，而由于鋼管本身的材料特性，幾乎不允許變形，若再加上整個GIS樓的重量，可能對壓力鋼管造成破壞，嚴(yán)重情況下甚至可能導(dǎo)致影響整個電站的運行。

(2)施工圖設(shè)計：擴大地下室面積，上游鋼筋混凝土墻體向外側(cè)移動，地面以上GIS樓柱縱向鋼筋插入鋼筋混凝土墻中，使地下與地上對應(yīng)，結(jié)構(gòu)更加規(guī)則，各部分質(zhì)量和剛度也更均勻、連續(xù)。仍然采用筏板基礎(chǔ)，降低基礎(chǔ)高程，使基礎(chǔ)置于壓力鋼管之下，GIS樓廠用配電室地面以下高程上下游兩邊采用鋼筋混凝土墻。該方案調(diào)整了地面以下結(jié)構(gòu)布置，上下游墻均為鋼筋混凝土墻，并在墻體上開設(shè)洞口，壓力管道穿墻而過，壓力管道外包混凝土與鋼筋混凝土墻體結(jié)構(gòu)脫開，設(shè)有20 mm結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)縫之間設(shè)有止水，并用軟性材料填充塞滿，混凝土墻體開孔處進行結(jié)構(gòu)加強設(shè)計。施工方案如圖3所示。

圖3 施工圖設(shè)計示意(單位：cm)

對比兩個方案發(fā)現(xiàn)，前期方案廠用配電室建筑面積更小，機電設(shè)備布置相對擁擠，需要大量的回填混凝土，鋼筋使用量相對較少；施工圖設(shè)計方案增加了地下室建筑面積，機電設(shè)備布置的空間相對寬裕，混凝土回填量減少，鋼筋使用量相對前期方案多約60 t。

經(jīng)過分析，施工圖設(shè)計的筏板基礎(chǔ)直接整體置于砂卵礫石原狀土上，使GIS樓的整體結(jié)構(gòu)抗變形能力更強，結(jié)構(gòu)平立面更加對稱，結(jié)構(gòu)脫開使GIS樓對壓力鋼管的影響較小，整體安全及穩(wěn)定性更好，結(jié)構(gòu)可靠性大大提高；就工程造價而言，施工方案增加的鋼筋量造價少于前期方案回填混凝土的造價約計70萬。

5 結(jié) 語

2020年10月，亞曼蘇電站四臺機組已全部投產(chǎn)運行，GIS樓及壓力鋼管均運行正常，GIS樓在施工期方案優(yōu)化后減少了約3 000 m3回填混凝土，在該部位土建費用的原有基礎(chǔ)上減少了約70%投資。

在電站建筑物設(shè)計中，往往存在不同專業(yè)之間的結(jié)構(gòu)交叉，設(shè)計師應(yīng)該根據(jù)實際工程情況，與其他專業(yè)密切配合，適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置，合理選擇結(jié)構(gòu)布置和型式，盡量做到結(jié)構(gòu)相互獨立，避免交叉影響，確保結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性以保證工程的順利運行。