某復雜場地500 kV變電站場平設計優化

(深圳供電規劃設計院有限公司,廣東 深圳 518054)

場平設計是變電站工程設計中的重要一環,對山區復雜地貌場地尤為重要。對于地貌簡單場地,進行一般平整便可滿足工程要求；但對于地貌復雜場地,需充分考慮地形起伏、巖土條件、工程使用等各種因素進行設計。

深圳市某500 kV變電站的站址位于廢棄采石場,地形地貌復雜,起伏高差巨大(大于100 m),屬復雜場地。變電站建設規模為6h1000 MVA,圍墻內占地4.5215 hm2,站區采用平坡式布置,由北至南依次布置500 kV、主變、35 kV及220 kV場地。受地形和進站道路等條件限制,場平需挖高填低,挖填總量超過100h104m3,既要控制挖填土方量就地平衡,又要控制挖填邊坡規模,確保場地安全可靠；場平及邊坡設計復雜,對工程造價影響巨大。站區布置、土方量、邊坡規模這三者相互關聯,牽一發而動全身。設計工況極其復雜,是本工程難點之一。為此,本文研究了變電站紅線位置調整、場平標高調整、進站道路路徑調整、邊坡坡度調整等15種組合,進行了大量比選、優化工作,最終確定了場平設計方案。

1 站址地質環境概況

1.1 地形地貌

圖1 站址原始地貌照片

圖2 站址及周邊地形概貌

1.2 工程地質條件

場地內主要分布有人工填土層、坡殘積土層和燕山期花崗巖等地層。

人工填土層由礫質粘性土混雜碎塊石、建筑垃圾等組成,碎塊石含量50%～65%,局部有架空間隙。該層屬市政棄土,均勻性差,欠固結,層厚10.4～27.6 m。

坡殘積土層分布于原狀山體區域,厚度0.6～ 1.5 m。

燕山期花崗巖各風化層均有分布,其中全風化巖層厚度6.0～11.3 m,在采石區域該層已剝離；強風化巖層厚度變化大,在自然山體區厚1.3～28.6 m,在采石區域厚度1.4～5.5 m；微風化巖層起伏大,層頂高程88.0～117.2 m。

2 場平設計難點分析

本項目地形地貌及周邊環境復雜,場平設計難點在于：

(1)在規劃批復的用地范圍內,平緩地形區長寬均不超過150 m,不能滿足變電站245 mh187 m的用地需求。東西側需要開挖山體。南北側為斜坡及山坳,需要高回填。挖填土方量巨大,施工期長,水保控制復雜,且深圳棄土場緊張、土方外棄費用高,因此,控制挖填方量及就地平衡是該場平設計遵循的主要原則。

(2)進站道路布置。進站道路受山地地形控制,長度有限,大件設備運輸要求道路縱坡不宜超限設計。進站道路的長度決定了場平標高可比較調整的范圍,既影響土方量,又影響站外挖填邊坡的規模。

反思：在不同條件(如不同的濃度、溫度等)下,同種物質的氧化性或還原性的強弱也有差異。由于稀鹽酸的還原性不如濃鹽酸強,故稀鹽酸不能和MnO2反應。在實驗室中若用濃鹽酸制備氯氣則一看加熱條件,二看鹽酸濃度。

(3)場地西側福龍路隧道的保護。福龍路是深圳市南北向交通的主干道,由于距站址近,場平挖山爆破對隧道安全運行存在不利影響,應考慮工程用地影響范圍(如開挖形成的邊坡)與隧道保持一定的安全距離。

(4)挖填邊坡規模的控制。受山地地形限制,該場平在站外不可避免形成挖方邊坡、填方邊坡,若場平過高,則填方坡回填高度就大,需填方量也大,可能需購土；若場平過低,則挖方坡就高,且挖方量也大,可能有外棄土。通過調整和優化紅線位置的布置,應控制邊坡規模和土方總量,降低工程投資。

3 場平設計優化過程

場平最優設計方案應既能挖填方總量最少,又能挖填平衡；既對周邊山體及環境破壞最小、影響最小,又能合理控制造價。場平優化涉及進站道路、站區布置、場平高程、邊坡規模、土方平衡等諸多因素,各個因素的影響又是相互關聯的,具體設計時需要統一考慮,反復試算,才能得到最優場平設計方案。

3.1 進站道路布置

根據《變電站總布置設計技術規程》(DL/T 5056-2007)要求,進站道路坡度不大于6%,但對于山區變電站可不大于8%,因此,進站道路的長短基本決定了允許的最大場平高程,也相應決定了挖填土方量及邊坡規模。

本項目進站道路依山坡地勢盤旋進站,結合進站大門的布置有兩種方案,詳見圖3,其中：A方案是進站門置于西側,即西入口方案；B方案是進站門置于東側,即東入口方案。A方案道路長650 m,B方案道路長530 m,A、B兩方案對北側回填區邊坡設計的影響差別不大,但是B方案在進站門口附近需挖山開路形成高邊坡,增加挖方量4h104m3,增加邊坡治理面積約1000 m2。

兩方案比較：A方案進站路較長,場平高程可供設計選擇比較的范圍較大,對現狀山體影響又較小,優于B方案。因此,進站道路選用A方案,起點高程67.5 m,按最大允許坡降6%計,道路終點即場平設計高程最大可達106.5 m。

圖3 出入口方案比選

3.2 紅線布置

變電站紅線用地近似矩形,受電氣設備布置要求限制,總圖平面形態基本固定；受進出線方向及終端塔布置條件限制,紅線位置也不能大角度旋轉,只能在規劃批復的用地范圍內,將總圖平面在各方向上平移、旋轉等微調,以優化場平布置。

3.2.1 南北方向平移比選

變電站南北向長度187 m,而現狀地形中部平緩區南北向長度僅為130 m,南北兩側均為市政棄土堆填形成的填土邊坡,需要新回填造地。

南北兩側邊坡均為市政棄土坡,表面植被良好,其中,南側坡面比較規則。經專項評估,南側坡體穩定性較好,工程可直接利用；北側邊坡較不規則,坡前洼地較寬,可消化較多土方,且現狀有簡易道路,便于場平土方施工。因此,南側邊坡保持現狀,以其坡頂為界線,向北布置紅線,考慮安全因素紅線距坡肩不小于5 m。北側需要填土的距離約為50～80 m,由低至高,分級回填放坡,填筑到場平設計高程(見圖4)。

圖4 場地南北向剖面示意圖

3.2.2 東西方向平移比選

變電站東西向長度245 m,而現狀地形東西向平緩區域寬度僅為150 m,東西兩側需開挖一部分山體才能滿足場平要求(見圖5)。

圖5 場地東西向剖面示意圖

根據地形,紅線位置在東西方向比選有3個方案(見圖6),各方案比選結果見表1。

圖6 場地東西向比選方案

表1 東西方向場平布置比選

基于挖方量、挖方邊坡治理規模、對相鄰市政路隧道影響等因素綜合比較,B方案優于其它兩個方案,因此,東西方向的紅線布置采用B方案。

3.2.3 不同角度的比選

為進一步控制站外挖填坡的規模和土方量,在確認B方案基礎上,將場地紅線微旋轉,以進一步優化。選定4個旋轉方案,其中：B1方案為正南北方位布置,B2、B3、B4方案分別為B1方案順時針旋轉8°、16°、24°,從土方量、邊坡規模等方面進行比選,B3方案為最優方案。

圖7 旋轉布置比選方案

需要指出的是,由于本工程的挖方量主要在圍墻內及站外挖方邊坡區,填方量主要在站外北側低洼坡地,所以在以上方案比選中,土方只比較了圍墻區內的挖、填量及挖方坡的土方量,多余土方可以通過調整北側回填區的坡度以達到土方平衡。因此,各方案的土方比較中,最小挖方量是衡量場地紅線布置是否優化的關鍵指標。

3.3 場平高程初定

場平設計高程的確定將直接影響土方量,場平高程基于以下考慮：(1)進站道路條件；(2)潛在邊坡規模；(3)土方開挖量；(4)防洪(澇)條件。由于擬建場地遠高于周邊百年一遇洪(澇)水位,場平高程不考慮設計洪(澇)水位的影響因素。

3.3.1 進站道路

進站道路的長度決定了場平高程可以調整的幅度。本工程進站道路長度650 m,起點高程為67.5 m,若允許坡降按6%控制,場平高程最高可達106.5 m；按8%控制,則可達119.5 m。

3.3.2 邊坡規模

本工程經平移、旋轉等多方案比選而確定紅線位置后,站外挖填邊坡總體規模也基本確定。由于紅線面積約4.5h104m2,設計場平高程變化1～2 m,對邊坡總體規模影響不大,但對挖填土方量和就地平衡影響大。因此場平高程在小范圍內的優化比選時,也為了減輕比選計算工作量,可基本不考慮對邊坡規模的影響。

3.3.3 土方開挖量

紅線位置基本確定后,計算了不同場平高程下紅線內挖、填土方量(見圖8),以合理確定場平高程。從圖8可看出,當高程由115 m降低至100 m時,挖方量顯著上升,填方量依次遞減；當高程約為112.5 m時,紅線內土方挖填平衡。考慮場地北側洼地放坡回填區的需土量,經計算,場平高程由112.5 m降至105.0 m時,可實現全場地挖填土方平衡,相應進站道路坡降5.8%,也滿足不大于6%的常規要求。

圖8 不同設計場平高程土方量

3.4 場平高程確定

根據前文分析,按場平高程105.0 m進行場平施工圖設計,進一步優化挖填邊坡范圍、進站道路之后,再次進行全場土方計算,挖填土方量缺8.6h104m3。考慮全場填挖區總用地為10.1h104m2,如果場平標高增減1 m,挖填土方總量將相應增減約10.1h104m3,因此,場平高程降幅大致可確定為8.6/10.1≈0.85 m,即場平高程由105.0 m調整為104.2 m,再次微調場平高程和挖填坡線。經核算,總填方54.8h104m3、總挖方量55.4h104m3,土方基本平衡。考慮必要的清表外棄量、松散系數、建(構)筑物基槽挖方量等,本項目施工圖場平高程最終確定為104.5 m。

3.5 邊坡治理方案

本工程邊坡治理包括挖方邊坡、填方邊坡,其中：挖方邊坡位于站外東西兩側,高度超過30 m,坡體以土狀風化的全—強風化花崗巖為主,局部為中—微風化。為控制用地和土方量,坡比采用1∶0.25～1∶1.0。結合深圳地區經驗,采用“錨桿(索)+格構梁”的支護方案；填方邊坡位于變電站圍墻外北側,總填方邊坡高度大于50 m。對于填土坡的設計,一是考慮填土邊坡的整體穩定性,二是考慮土方量問題。常規治理包括坡率法、加筋土等方案,對本項目,場地北側具備放緩坡回填條件,又可滿足土方平衡的要求,因此,采用坡率法設計,分級坡率1∶2.0,總坡高56.5 m,坡面植草復綠。

3.6 場平施工效果

該變電站“二通一平”施工于2015年底完成,場平施工做到了挖填土方場內平衡,避免了土方外棄和外購,設計方案合理,施工過程中未發生因設計原因而導致的變更,經施工期間及竣工后變形監測,挖填方邊坡變形穩定,各項監測指標均滿足規范要求,變電站場平竣工后全貌航拍見圖9。

圖9 變電站場平竣工后全貌航拍圖

4 結語

本變電站場平設計條件復雜,影響因素眾多,場平設計方案對工程造價影響較大。對此類復雜場地的場平設計,首先需要掌握關鍵點,如本項目的總土方量最小且場內平衡是設計關鍵點,紅線位置、進站道路、挖填邊坡范圍均圍繞關鍵點進行比選；其次,場平方案需進行多因素綜合考慮,才能選定最優的方案；另外,在比選中,關鍵指標的量化才能衡量比選方案是否合理,才能明確優勢,而不是僅僅依靠直覺或經驗確定。本項目的場平設計優化過程,可供類似工程設計參考。

該變電站“二通一平”已于2015年底完成,完全做到了挖填土方場內平衡,避免了土方外棄和外購,避免了土方場外運輸對環境的影響,涉及場外因素少,方便了施工組織,保證了工期,取得了良好的經濟效益和社會效益。