变电站工程设计过程中非常见结构问题

马瑞

摘 要 变电站是属于电力系统基建项目中最广泛存在的项目，在工程实践中，除了电算模型有诸多方面需要注意，系数的选择、计算过程的调节等都对设计结果产生影响，此外地基基础的处理、构架支架的计算、建筑病害的治理等非常见问题也是我们经常要面对的问题。

关键词 变电站工程；设计；非常见；结构问题；小结；应用

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0166-02

1 概述

变电站是属于电力系统基建项目中最广泛存在的项目，在工程实践中，除出了电算模型有诸多方面需要注意，系数的选择、计算过程的调节等都对设计结果产生影响，此外，诸如地基基础的处理、构架支架的计算、矩形水池等特种结构非常见问题也是我们经常要面对的问题。

2 注浆技术

在电力工程施工建设过程中，经常会遇到水的威胁和不良地层的影响，致使工程事故、停滞而产生损失。对于此类地下工程水害和加固软弱地层，堵水、截流、维幕、岩土加固等诸多技术共同构成的注浆技术。注浆材料的研究主要是探索新的品种，熟悉并掌握其性能，以便更好地为生产建设服务，解决地下水害的问题。最早用于注浆的材料，是石灰和粘土。法国的朗格于1934年对尤斯登法加以改进。他将一种盐预先加入到水玻璃中，由于这两种浆液的反应需要一段时间，所以可将这两种浆液混合后，在凝胶之前采用单系统方式注入。其渗透能力和扩散半径远较尤斯登法为大。由于水玻璃材料来源丰富、价格便宜，所以，自问世以来就得到各国的重视，如德国、法国、英国、美国、前苏联、日本都先后进行了许多研究工作，并且大量用于注浆技术中，因而水玻璃化学注浆法也得到了不断的改进与完善，直到现在还广泛被用于矿井、隧道、大坝、桥墩等的注浆工程之中。据日本资料报道，在所有化学注浆材料中，水玻璃浆液最广泛使用。

3 电力构架

1）构架、设备支架等构筑物应根据变电站的电压等级、规模、施工及运行条件、制作水平、运输条件及当地的气候条件来选择合适的结构，其外形应做到相互协调，支架还应与上部设备相协调。

2）330 kV及以上构架柱宜采用格构式钢结构或A字柱钢管结构。220 kV及以下构架柱可采用水泥杆或A字柱钢管结构。梁宜用三角形或矩形断面的格构式钢梁。当A字柱平面外稳定不能满足要求时，应设置端撑。500 kV及以上构架梁内宜设置走道并与柱的爬梯相连接。

3）变电站的屋外构支架应采用热镀锌、喷锌或其他可靠防腐措施。

4）屋外构支架挠度不宜超过限值。

5）配电装置内的平台两端应设置扶梯，扶梯和走道栏杆的高度为1.1 m，走道板宜用热镀锌的花纹钢板。

6）构架及支架等构筑物，宜采用混凝土刚性基础或钢筋混凝土扩展基础。

7）构架、支架及其他构筑物的基础，当验算上拔或倾覆稳定时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，基础上拔或倾覆弯矩应小于或等于基础的抗拔力或抗倾覆弯矩除以限值表中的稳定系数。当基础处于稳定的地下水位以下时，应计算浮力的影响。

8）架构及设备支架的柱插入基础杯口的深度不应小于《220kV～750kV变电站设计技术规程》表7.4.8的规定值。根据吊装稳定需要，柱插入杯口深度还不应小于0.05倍柱身高度。但当施工采取打临时拉线等措施时可不受限制。

9）构架及支架的杯口，当杯壁厚度与杯壁高度之比（当基础为阶梯型且杯口深大于第一台阶高度时，取壁厚与第一阶壁高之比）大于或等于0.5（对构架）或0.4（对支架）时，允许杯壁内不配置钢筋。杯壁厚度及底板扣除杯口深度后的净厚度均不应小于150 mm。

10）空心管构、支架柱底内应采取可靠防止积水措施：管底埋管或灌混凝土，混凝土上部开泻水孔；柱脚在地面以下的部分应采取强度等级较低的混凝土包裹（保护层厚度不应小于50 mm）。并应使包裹的混凝土高出地面不小于150 mm；当柱脚地面在地面以上时，柱脚地面应高出地面不小于l00 mm。

11）电缆沟的侧壁宜采用砌体结构，在地质条件差、地基土不均匀的地段可局部采用钢筋混凝土或混凝土结构，混凝土盖板宜双面配筋。对于严寒地区，湿陷性黄土、膨胀土等地区，不宜采用砖砌电缆沟。砌体沟壁顶端处宜设置混凝土压顶梁。

4 矩形水池实例

4.1 设计资料

池顶活荷P1=4.5（kN/m2）；覆土厚度ht=200（mm）；池内水位Hw=3000（mm）；容许承载力R=90（kN/m2）。

水池长度H=12000（mm）；水池宽度B=8000（mm）；池壁高度h0=3000（mm）；底板外伸C1=500（mm）。

底板厚度h1=300（mm）；顶板厚度h2=200（mm）；垫层厚度h3=100（mm）；池壁厚度h4=250（mm）。

地基承载力设计值R=90（kPa）。

支柱数n1=2 ；支柱截面尺寸a1=300（mm）。

地下水位高于底板Hd=1500（mm）；抗浮安全系数Kf=1.10。

4.2 地基承载力验算

1）底板面积AR1=（H+2*h4+2*C1）*（B+2*h4+2*C1）

=（12+2*0.25+2*0.5）*（8+2*0.25+2*0.5）=128.2（m2）

2）顶板面积AR2=（H+2*h4）*（B+2*h4）

=（12+2*0.25）*（8+2*0.25）=106.2（m2）

3）支柱重量Fk1=25*a1*a1*H0*n1=25*0.3*0.3*3*2=13.5（kN）

4）池顶荷载Pg=P1+ht*18=4.5+0.2*18=8.1（kN/m2）endprint

5）池壁重量CB=25*（H+2*h4+B）*2*H0*h4=25*（12+2*0.25+8）*2*3*0.25=768.7（kN）

6）底板重量DB1=25*AR1*h1=25*128.2*0.3=961.5（kN）

7）顶板重量DB2=25*AR2*h2=25*106.2*0.2=531（kN）

8）水池全重G=CB+DB1+DB2+Fk1=768.7+961.5+531+13.5=2274.7（kN）

9）单位面积水重Pwg=（H*B*Hw*10）/AR1=（12*8*3*10）/128.2=22.46（kN/m2）

10）单位面积垫层重Pd=23*h3=23*0.1=2.3（kN/m2）

11）地基反力R0=Pg+G/AR1+Pwg+Pd=8.1+2274.7/128.2+22.46+1.79=50（kN/m2）

R0=50（kN/m2）

4.3 水池整体抗浮验算

底板外伸部分回填土重Fkt=[（H+2 *h4+2*C1）+（B+2*h4）]*2*C1*H0*16=[（12+2*0.25+2*0.5）+（8+2*0.25）]*2*0.5*3*16=1056（kN）

抗浮全重Fk=G+ht*AR2*16+Fkt（抗浮时覆土容重取16 kN/m3）=2274.7+0.2*106.2*16+1056=3638（kN）

总浮力Fw=AR2*（Hd+h1）*10=106.2*（1.5+0.3）*10=1912（kN）

Fk=3638（kN）>Kf*Fw=2103.2（kN）整体抗浮验算满足要求。

4.4 水池局部抗浮验算

单位面积抗浮力G1=[（16*ht+25*h1+25*h2）*AR2+Fk1]/AR2=[（16*0.2+25*0.3+25*0.2）*106.2+13.5]/106.2=16（kN/m2）

局部浮力Fw1=10*（Hd+h1）=10*（1.5+0.3）=18（kN/m2）

G1=16（kN/m2）

4.5 荷载计算

1）池内水压Pw=rw*H0=10*3=30（kN/m2）

2）池外土压Pt：池壁顶端Pt0=[Pg+rt*（ht+h2）]*[Tan（45-30/2）^2]=[8.1+18*（0.2+0.2）]*[Tan（45-30/2）^2]=5.09（kN/m2）

池壁底端Pt1=[Pg+rt*（ht+h2+H0-Hd）+rt*Hd]*[Tan（45-/2）^2]+10*Hd=[8.1+18*（0.2+0.2+3-1.5）+10*1.5]*[Tan（45-30/2）^2]+10*1.5=34.09（kN/m2）

池底荷载qD=Pg+（Fk1+CB）/AR2=8.1+（13.5+768.7）/

106.2=14.20（kN/m2）

4.6 内力计算

（H边）池壁内力计算：H/H0=12000/3000=4，由于H/H0>2故按竖向单向板（挡土墙）计算池壁内力。

1）池外（土、水）压力作用下池壁内力。

Pt0=Pt1-Pt2=34.09-5.09=29（kN/m2）

U=Pt2/Pt1=5.09/34.09=0.14

V=（9*U^2+7*U+4）/20）^0.5=（9*0.14^2+7*0.14+4）/20）^0.5=0.50

QA=[（11*Pt2+4*Pt1）*H0]/40=[11*5.09+4*34.09）*3]/40=14.0

Y0=（V-U）*H0/（1-U）=（0.50-0.14）*3000/（1-0.14）=1.2

最大弯矩Mn1=QA*Y0-[Pt2*（Y0^2）]/2-[（Pt0*（Y0^3）]/（6*H）

=14.0*1.2-[5.09*（1.2^2）]/2-[29*（1.2^3）]/（6*12）=12.4（kN·m）

底端弯矩Mn2=-（7*Pt2+8*Pt1）*H0^2/120=

-（7*5.09+8*34.09）*3^2/120=-23.0（kN·m）

角隅最大弯矩Mj1=-0.076*Pt1*H0^2=-0.076*34.09*3^2=-3.4（kN·m）

2）池内水压力作用下池壁内力。

最大弯矩Mw1=0.0298*Pw*H0^2=0.0298*30*3^2=8.04（kN·m）

最大弯矩位置，距底端0.553*H0=1.659（m）

底 端 弯 矩Mw2=-（Pw*H0^2）/15=-（30*3^2）/15=-18（kN·m）

角隅最大弯矩Mj2=-0.035*Pw*H0^2=-0.035*30*3^2=-9.4（kN·m）

由于B边池壁高度与H边相同，故计算从略，内力计算结果参见H边池壁计算。

5 结论

综合考虑以各具体方案及现实存在的可变性因素和固定因素，进行总体上适用于电气专业使用的结构、构筑物，分部上，每个具体构筑物或地基基础的处理又都满足相应的使用要求和安全性评价。

参考文献

[1]韩立军，张茂林，贺永年.岩土加固技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2005.

[2]王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000.

[3]梁炯鋆.锚固与注浆技术手册[M].北京：中国电力出版社，1999.

[4]张连明.一种廉价优质的注浆材料——粘土水泥浆[J].大坝观测与土工测试，1997（3）：39-40.