严寒地区变电站抗冻胀预制斜面基础应用研究

张圣金，张静波

(中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司，哈尔滨 150078)

0 引言

寒冷地区，变电站内的建筑物、构支架、电缆沟、挡土墙以及道路等常由于基础受到地基土冻胀的影响而产生倾斜、裂缝、隆起等较大的破坏，越是高寒地区，这种现象越严重，影响安全生产，降低使用寿命[1]。

电网工程采用装配式基础较少，目前装配式杆塔基础已在我国冻土和沙漠地区输电线路工程中得到应用[2-3]，而采用斜面预制基础应用于严寒地区变电站尚属首次。

1 传统基础防冻胀措施

1.1 基侧填砂

基础侧填200 mm的中粗砂来减小或消除切向冻胀力，效果明显且简单易行。但此方法不太适合地下水位较高的情况[4]。

1.2 斜面基础

根据《建筑地基基础设计规范》附录，斜面的受力情况如图1、2所示。斜面基础底角为α，将冻层内的地基土分成n层(可近似按在负温度梯度下每隔1℃设一层)，每层的高度为△h，并认为土的冻胀率上下均匀，冻胀只在温度为零度的冻结界面一次完成。

图1 斜面基础示意图Fig.1 Schematic diagram of slop foundation

图2 斜面基础受力示意图Fig.2 Schematic diagram of forced slope foundation

当冬初第一层土冻结时，土产生冻胀，并同时出现两个方向的膨胀。沿水平方向膨胀基础受一水平力作用H1，垂直向上膨胀基础受一作用力V1，两力分解如图2所示。τ12是由于土有向上膨胀趋势对基础施加的切向冻胀力，N12是由于土有向上膨胀趋势对基础斜边法线方向作用的拉应力。τ12是由于水平冻胀力的作用施加在基础斜边上的切向冻胀力，N11则是由于水平冻胀力作用施加在基础斜边上的正压力。

此时，第一层土作用于基侧的切向冻胀力为：

摩擦力与剪切面上的正压力有关，基本上呈线性关系，压力越大，抗剪强度越高。正压力为：

由于N12为正拉力，它的存在将降低基侧受到的正压力数值。当冻结界面发展到第二层土时，除第一层的原受力不变之外，又叠加了第二层土冻胀时对第一层的作用。由于第二层土冻胀时受到第一层的约束，使第一层土对基侧的切向冻胀和正压力增加至：

τ1=τ11+τ12+τ22

N1=N11-N12-N22

当冻层发展到第三层土时，第一、二层重又出现上述现象。

由以上分析可以看出，某层的切向冻胀力随冻深的发展而逐步增加，而该层位置基础斜面上受到的冻胀压应力随冻深的发展数值逐步变小。当冻深发展到第n层，第一层的切向冻胀力克服基侧与土的冻结强度和由正压力N1产生的摩擦力时，基础便与冻土产生相对位移。当切向冻胀力与土的冻结强度和由正压力N1产生的摩擦力达到平衡时，没有相对位移产生，即是斜面基础的最优倾角。

在冻胀作用下，斜面基础受力明确，技术可靠，应用面广，推荐基础倾斜角2°～9°[4]。

1.3 保温基础

在室外地面以下、基础外侧采取保温措施，既减轻切向冻胀力，又减少地面热损耗，同时实现基础浅埋[4]。

斜面基础在冻胀作用下基础受力明确，技术可靠。结合装配式变电站建设，拟采用预制斜面基础。

2 大庆林源220 kV变电站新建工程

林源220 kV变电站位于黑龙江省大庆市。以《国家电网公司输变电工程通用设计220 kV变电站模块化建设》(2017年版)220-C-2(35)为基础，取消预制舱进行设计。220 kV配电装置和110 kV配电装置采用平行布置，主变压器、35 kV配电装置、35 kV电容器等布置在220 kV配电装置和110 kV配电装置中间，东西向186 m，南北向149.5 m，围墙内 2.665 2 hm2。

该区累年极端最低气温-36.2℃，标准冻结深度为2.05 m，最大冻结深度为2.09 m。地震动峰值加速度为0.05 g，抗震设防烈度为6度，特征周期为0.45 s，设计地震分组为第一组。地基承载力采用粉质黏土(可塑)，fak=150 kPa，采用独立基础。

3 预制斜面基础

3.1 体量较小的基础

110 kV、220 kV、主变等设备支架基础、围墙基础、主控通信室及配电装置室等基础，由于上部结构较轻，基础底面尺寸较小。经计算，底面积为0.8×0.8mm、1.0×1.0 mm、1.5×1.5 mm，考虑基础底面下允许冻土层，基础埋深1.6 mm。可直接采用预制斜面基础，基础上部预埋地脚螺栓，待基础垫层强度达到要求后，直接吊装基础，安装设备支架，机械化程度较高。

如图3所示，左图为严寒地区变电站常规阶梯型基础，方形截面。为防止冻胀，基侧设200 mm厚防冻胀粗砂。右图为倾角9.8°预制斜面基础，底面尺寸、埋深未变。由表1对比可见，采用预制斜面基础后，单个基础减少混凝土0.284 m3，占原常规基础体积的1/4，省掉防冻胀粗砂1.08 m3，基础开挖节省10.12 m3，占原常规基础开挖量的1/2。

3.2 体量较大的基础

对于220 kV、66 kV架构基础，由于受力较大，基础底面约4.0×4.0 m，埋深2.5 m。若仍采用单个预制混凝土基础，基础预制困难，且运输、安装也不方便。拆分基础为两块，分别预制并运输至现场，再借助节点连接，现场组装一个整体。如图4、5，为220 kV人字柱基础。

图4 常规架构阶梯基础Fig.4 Ladder foundation of conventional architecture

图4为严寒地区变电站架构常规阶梯型基础，方形截面。为防止冻胀，基侧设200 mm厚防冻胀粗砂。图5为倾角10°预制斜面基础，底面尺寸、埋深未变。预制基础分预制件A、B两部分单独制作，运至现场，A、B间通过预埋锚固件连接牢固。经计算，采用预制斜面基础后，单个基础减少混凝土1.68 m3，占原常规基础体积的1/8，省掉防冻胀粗砂1.48 m3，基础开挖节省32.5 m3，占原常规基础开挖量的1/4。

图5 预制斜面基础Fig.5 Precast slope foundation

表1 本站预制基础情况Tab.1 Precast foundation of this station

3.3 预制斜面基础统计

表1统计了本站建、构筑物采用预制基础情况。与常规阶梯型现浇基础相比，优越性比较明显。采用预制斜面混凝土的建、构筑物基础，不仅摆脱季节施工束缚，还大大减少现场湿作业，提高变电站机械化水平。

4 结论

通过实际工程的应用，预制混凝土装配式基础相对于常规现浇混凝土基础具有以下优点：工厂预制，现场组装，质量容易控制。安装不受气候条件影响，安装周期短，严寒地区优势明显。基础作业面小，减少现场土方开挖量，绿色环保，综合造价低。