亚曼苏水电站GIS楼结构方案的优化设计研究

唐翠华，梁 山

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

亚曼苏水电站是目前国内引水流量最大的地面钢结构气垫调压室水电站，为解决长压力管道调节保证计算的难题，亚曼苏水电站在常规气垫式调压室理论的基础上，拓宽气垫调压室的应用范围，创新性地在软基基础上设计了地面钢结构气垫式调压室。

由于压力钢管在本电站的运行中极为重要，笔者在技施图阶段接触到该电站的GIS楼结构设计工作，出于工程安全和投资的考虑，把原设计方案的GIS楼基础高程进行了调整，这一改变解决了原设计方案中压力管道置于GIS楼基础之下存在的风险，同时节约了工程投资。2020年10月，四台机组已全部投产发电，GIS楼和压力管道均运行顺利。

1 水电站GIS发展现状

GIS(Gas Insulated Substation)是“气体绝缘全封闭组合电器”的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。电力GIS是将电力企业的电力设备、变电站、输配电网络、电力用户与电力负荷和生产及管理等核心业务连接形成电力信息化的生产管理的综合信息系统。

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。经过30多年的研制开发，GIS技术发展很快并迅速被应用于全世界范围内的电力系统。目前，随着全球电力系统自身的发展以及对系统运行可靠性要求的日益提高，GIS技术必将持续发展，成为本世纪高压电器的发展主流。

近年来，GIS设备在我国新建水电工程中已经得到了广泛的应用，部分使用传统开放式设备的电站也完成了GIS设备改建，我们的GIS设备的技术也在越来越多的工程实践中不断精进，与欧美发达国家的差距越来越小，设备价格也有了大幅度下降。

2 工程概况

亚曼苏水电站工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区乌什县亚曼苏乡境内的托什干河上，是托什干河“2库11级”的第九级克克机格代和第十级牙满苏合并而成的亚曼苏梯级。工程区介于北纬41°03′～41°12′、东经78°48′～79°04′之间，海拔高程1 490～1 740 m。电站利用别迭里电站尾水发电，引水渠道沿左岸戈壁滩从西到东沿等高线布置，利用河道落差发电，电站尾水在秋格尔灌区取水口上游2.85 km汇入托什干河。电站厂房距乌什县城约22 km，距阿克苏市约130 km，交通便利。

电站发电引用流量140 m3/s，设计水头199 m，总装机容量244 MW，多年平均发电量8.00亿kW·h/9.45亿kW·h(近期/远期)，年利用小时数3 279 h/3 873 h(近期/远期)。

电站进水闸接上游别迭里二级水电站尾水，经输水明渠至压力前池，考虑冬季运行的要求，明渠线路沿程布置壅水闸；发电建筑物采用“压力前池+压力管道+气垫式调压室+地面厂房”的布置型式。

配电装置的选型与电站电气主接线方案、厂区枢纽布置方案、升压站站址选择密不可分，结合本电站厂区枢纽布置，对常规电器和GIS的综合比较如下：选用常规开敞式电器设备(AIS)时，占有场地较大。根据现场开挖的情况，厂房边坡较高，处理难度和土建投资均较大。因此，为降低给工程开挖带来的难度，避免边坡滚石影响电气设备正常安全运行，本工程选择使用GIS设备。除此之外，采用GIS设备还具有以下优点：

(1)提高运行可靠性。由于GIS设备中所有元器件均装在全封闭的外壳内，与外界隔绝，减少了故障几率，极大地提高了设备运行的可靠性。亚曼苏电站地区昼夜温差较大，电气设备按常规户外布置存在着带油设备热胀冷缩后渗油的问题，这将直接影响到设备的使用寿命，加大了今后运行维护工作量。而且电气设备绝缘子浇注件部分在此气候条件下容易松动，密封系统易老化、损坏，可能导致事故的发生。而GIS受环境影响较小，设备运行可靠性高，有利于实现电站高度自动化管理。

(2)运行维护方便。GIS布置在靠近厂房的GIS楼内，与中控室、主厂房相邻，便于日常的运行维护。由于GIS所有元件均装在全封闭的外壳内，其检修周期比敞开式电气设备长，且日常维护工作量要少。

(3)安装周期短。GIS是成套件，现场安装和调试很方便，其安装周期比敞开式电气设备短。GIS楼即为主要安置GIS设备的建筑物。

3 压力管道与GIS楼的布置关系

本工程厂区枢纽建筑物主要包括主厂房、副厂房及GIS楼、尾水池、尾水渠等。厂房主机间和安装间呈“一”字型布置，安装间位于主机间右侧，副厂房及GIS楼布置在主厂房上游侧，中控室副厂房布置于安装间上游侧(见图1)。

图1 GIS楼与主厂房平面布置示意

根据现场的水文地质地形条件，以及安全性、经济性等综合条件对比后，对该电站的压力管道布置进行了方案优化调整，最终采用了“两机一管+气垫式调压室”的基本布置型式。压力钢管共四根，三根直径3.1 m，一根直径2.2 m，压力管道全线及气垫式调压室均采用明钢管外包钢筋混凝土的结构型式，考虑到工程所处环境及冬季运行防冰冻等要求，采用浅埋回填方式，回填材料为砂砾石土。

压力管道连接气垫式调压室和主厂房，由于GIS楼位于主厂房上游侧，介于气垫式调压室和主厂房之间，所以压力管道需穿GIS楼而过，且压力管道的埋深不大。这对GIS楼本身的结构稳定性和压力钢管的安全性都具有一定挑战。

4 方案调整与优化

GIS楼全长65.52 m，宽度16.3 m，考虑抗震要求，分为左右两个结构段，X方向布置有10排柱子，Y方向布置3排柱子。地质资料显示，该建筑物地基持力层为砂卵砾石，砂卵砾石天然密度2.06～2.09 g/cm3，相对密度0.55～0.67，平均0.62，压缩模量25～30 MPa，具密实结构，承载力良好。根据压力管道与GIS楼的关系，结构设计对前期方案进行了调整优化。

(1)前期方案：GIS楼采用筏板基础，基础置于压力钢管之上。地下室只布置了地面以上建筑面积一半，上游侧为钢筋混凝土墙，设于上部中间排框架柱下方，下游侧为框架柱，混凝土墙体外侧建筑范围内的压力钢管至地面高程使用混凝土回填。前期方案如图2所示。

对GIS楼进行结构计算，最大单根柱底轴力为1 127.7 kN，筏板基础基底离压力管道波纹管顶距离不到1 m，虽然大部分柱子未直接落在压力管道之上，但是筏板基础厚度仅能做不到两米厚，且旁边即为主厂房，基础无法传力到旁边土体上，整个GIS楼的重量将几乎直接通过筏板基础作用在压力钢管之上，由于压力钢管下部地基为砂砾卵石层，虽然承载力良好，但存在变形的可能性较大，而由于钢管本身的材料特性，几乎不允许变形，若再加上整个GIS楼的重量，可能对压力钢管造成破坏，严重情况下甚至可能导致影响整个电站的运行。

(2)施工图设计：扩大地下室面积，上游钢筋混凝土墙体向外侧移动，地面以上GIS楼柱纵向钢筋插入钢筋混凝土墙中，使地下与地上对应，结构更加规则，各部分质量和刚度也更均匀、连续。仍然采用筏板基础，降低基础高程，使基础置于压力钢管之下，GIS楼厂用配电室地面以下高程上下游两边采用钢筋混凝土墙。该方案调整了地面以下结构布置，上下游墙均为钢筋混凝土墙，并在墙体上开设洞口，压力管道穿墙而过，压力管道外包混凝土与钢筋混凝土墙体结构脱开，设有20 mm结构缝，结构缝之间设有止水，并用软性材料填充塞满，混凝土墙体开孔处进行结构加强设计。施工方案如图3所示。

图3 施工图设计示意(单位：cm)

对比两个方案发现，前期方案厂用配电室建筑面积更小，机电设备布置相对拥挤，需要大量的回填混凝土，钢筋使用量相对较少；施工图设计方案增加了地下室建筑面积，机电设备布置的空间相对宽裕，混凝土回填量减少，钢筋使用量相对前期方案多约60 t。

经过分析，施工图设计的筏板基础直接整体置于砂卵砾石原状土上，使GIS楼的整体结构抗变形能力更强，结构平立面更加对称，结构脱开使GIS楼对压力钢管的影响较小，整体安全及稳定性更好，结构可靠性大大提高；就工程造价而言，施工方案增加的钢筋量造价少于前期方案回填混凝土的造价约计70万。

5 结 语

2020年10月，亚曼苏电站四台机组已全部投产运行，GIS楼及压力钢管均运行正常，GIS楼在施工期方案优化后减少了约3 000 m3回填混凝土，在该部位土建费用的原有基础上减少了约70%投资。

在电站建筑物设计中，往往存在不同专业之间的结构交叉，设计师应该根据实际工程情况，与其他专业密切配合，适当调整和优化结构布置，合理选择结构布置和型式，尽量做到结构相互独立，避免交叉影响，确保结构的安全性及稳定性以保证工程的顺利运行。