某复杂场地500 kV变电站场平设计优化

(深圳供电规划设计院有限公司,广东 深圳 518054)

场平设计是变电站工程设计中的重要一环,对山区复杂地貌场地尤为重要。对于地貌简单场地,进行一般平整便可满足工程要求；但对于地貌复杂场地,需充分考虑地形起伏、岩土条件、工程使用等各种因素进行设计。

深圳市某500 kV变电站的站址位于废弃采石场,地形地貌复杂,起伏高差巨大(大于100 m),属复杂场地。变电站建设规模为6h1000 MVA,围墙内占地4.5215 hm2,站区采用平坡式布置,由北至南依次布置500 kV、主变、35 kV及220 kV场地。受地形和进站道路等条件限制,场平需挖高填低,挖填总量超过100h104m3,既要控制挖填土方量就地平衡,又要控制挖填边坡规模,确保场地安全可靠；场平及边坡设计复杂,对工程造价影响巨大。站区布置、土方量、边坡规模这三者相互关联,牵一发而动全身。设计工况极其复杂,是本工程难点之一。为此,本文研究了变电站红线位置调整、场平标高调整、进站道路路径调整、边坡坡度调整等15种组合,进行了大量比选、优化工作,最终确定了场平设计方案。

1 站址地质环境概况

1.1 地形地貌

图1 站址原始地貌照片

图2 站址及周边地形概貌

1.2 工程地质条件

场地内主要分布有人工填土层、坡残积土层和燕山期花岗岩等地层。

人工填土层由砾质粘性土混杂碎块石、建筑垃圾等组成,碎块石含量50%～65%,局部有架空间隙。该层属市政弃土,均匀性差,欠固结,层厚10.4～27.6 m。

坡残积土层分布于原状山体区域,厚度0.6～ 1.5 m。

燕山期花岗岩各风化层均有分布,其中全风化岩层厚度6.0～11.3 m,在采石区域该层已剥离；强风化岩层厚度变化大,在自然山体区厚1.3～28.6 m,在采石区域厚度1.4～5.5 m；微风化岩层起伏大,层顶高程88.0～117.2 m。

2 场平设计难点分析

本项目地形地貌及周边环境复杂,场平设计难点在于：

(1)在规划批复的用地范围内,平缓地形区长宽均不超过150 m,不能满足变电站245 mh187 m的用地需求。东西侧需要开挖山体。南北侧为斜坡及山坳,需要高回填。挖填土方量巨大,施工期长,水保控制复杂,且深圳弃土场紧张、土方外弃费用高,因此,控制挖填方量及就地平衡是该场平设计遵循的主要原则。

(2)进站道路布置。进站道路受山地地形控制,长度有限,大件设备运输要求道路纵坡不宜超限设计。进站道路的长度决定了场平标高可比较调整的范围,既影响土方量,又影响站外挖填边坡的规模。

反思：在不同条件(如不同的浓度、温度等)下,同种物质的氧化性或还原性的强弱也有差异。由于稀盐酸的还原性不如浓盐酸强,故稀盐酸不能和MnO2反应。在实验室中若用浓盐酸制备氯气则一看加热条件,二看盐酸浓度。

(3)场地西侧福龙路隧道的保护。福龙路是深圳市南北向交通的主干道,由于距站址近,场平挖山爆破对隧道安全运行存在不利影响,应考虑工程用地影响范围(如开挖形成的边坡)与隧道保持一定的安全距离。

(4)挖填边坡规模的控制。受山地地形限制,该场平在站外不可避免形成挖方边坡、填方边坡,若场平过高,则填方坡回填高度就大,需填方量也大,可能需购土；若场平过低,则挖方坡就高,且挖方量也大,可能有外弃土。通过调整和优化红线位置的布置,应控制边坡规模和土方总量,降低工程投资。

3 场平设计优化过程

场平最优设计方案应既能挖填方总量最少,又能挖填平衡；既对周边山体及环境破坏最小、影响最小,又能合理控制造价。场平优化涉及进站道路、站区布置、场平高程、边坡规模、土方平衡等诸多因素,各个因素的影响又是相互关联的,具体设计时需要统一考虑,反复试算,才能得到最优场平设计方案。

3.1 进站道路布置

根据《变电站总布置设计技术规程》(DL/T 5056-2007)要求,进站道路坡度不大于6%,但对于山区变电站可不大于8%,因此,进站道路的长短基本决定了允许的最大场平高程,也相应决定了挖填土方量及边坡规模。

本项目进站道路依山坡地势盘旋进站,结合进站大门的布置有两种方案,详见图3,其中：A方案是进站门置于西侧,即西入口方案；B方案是进站门置于东侧,即东入口方案。A方案道路长650 m,B方案道路长530 m,A、B两方案对北侧回填区边坡设计的影响差别不大,但是B方案在进站门口附近需挖山开路形成高边坡,增加挖方量4h104m3,增加边坡治理面积约1000 m2。

两方案比较：A方案进站路较长,场平高程可供设计选择比较的范围较大,对现状山体影响又较小,优于B方案。因此,进站道路选用A方案,起点高程67.5 m,按最大允许坡降6%计,道路终点即场平设计高程最大可达106.5 m。

图3 出入口方案比选

3.2 红线布置

变电站红线用地近似矩形,受电气设备布置要求限制,总图平面形态基本固定；受进出线方向及终端塔布置条件限制,红线位置也不能大角度旋转,只能在规划批复的用地范围内,将总图平面在各方向上平移、旋转等微调,以优化场平布置。

3.2.1 南北方向平移比选

变电站南北向长度187 m,而现状地形中部平缓区南北向长度仅为130 m,南北两侧均为市政弃土堆填形成的填土边坡,需要新回填造地。

南北两侧边坡均为市政弃土坡,表面植被良好,其中,南侧坡面比较规则。经专项评估,南侧坡体稳定性较好,工程可直接利用；北侧边坡较不规则,坡前洼地较宽,可消化较多土方,且现状有简易道路,便于场平土方施工。因此,南侧边坡保持现状,以其坡顶为界线,向北布置红线,考虑安全因素红线距坡肩不小于5 m。北侧需要填土的距离约为50～80 m,由低至高,分级回填放坡,填筑到场平设计高程(见图4)。

图4 场地南北向剖面示意图

3.2.2 东西方向平移比选

变电站东西向长度245 m,而现状地形东西向平缓区域宽度仅为150 m,东西两侧需开挖一部分山体才能满足场平要求(见图5)。

图5 场地东西向剖面示意图

根据地形,红线位置在东西方向比选有3个方案(见图6),各方案比选结果见表1。

图6 场地东西向比选方案

表1 东西方向场平布置比选

基于挖方量、挖方边坡治理规模、对相邻市政路隧道影响等因素综合比较,B方案优于其它两个方案,因此,东西方向的红线布置采用B方案。

3.2.3 不同角度的比选

为进一步控制站外挖填坡的规模和土方量,在确认B方案基础上,将场地红线微旋转,以进一步优化。选定4个旋转方案,其中：B1方案为正南北方位布置,B2、B3、B4方案分别为B1方案顺时针旋转8°、16°、24°,从土方量、边坡规模等方面进行比选,B3方案为最优方案。

图7 旋转布置比选方案

需要指出的是,由于本工程的挖方量主要在围墙内及站外挖方边坡区,填方量主要在站外北侧低洼坡地,所以在以上方案比选中,土方只比较了围墙区内的挖、填量及挖方坡的土方量,多余土方可以通过调整北侧回填区的坡度以达到土方平衡。因此,各方案的土方比较中,最小挖方量是衡量场地红线布置是否优化的关键指标。

3.3 场平高程初定

场平设计高程的确定将直接影响土方量,场平高程基于以下考虑：(1)进站道路条件；(2)潜在边坡规模；(3)土方开挖量；(4)防洪(涝)条件。由于拟建场地远高于周边百年一遇洪(涝)水位,场平高程不考虑设计洪(涝)水位的影响因素。

3.3.1 进站道路

进站道路的长度决定了场平高程可以调整的幅度。本工程进站道路长度650 m,起点高程为67.5 m,若允许坡降按6%控制,场平高程最高可达106.5 m；按8%控制,则可达119.5 m。

3.3.2 边坡规模

本工程经平移、旋转等多方案比选而确定红线位置后,站外挖填边坡总体规模也基本确定。由于红线面积约4.5h104m2,设计场平高程变化1～2 m,对边坡总体规模影响不大,但对挖填土方量和就地平衡影响大。因此场平高程在小范围内的优化比选时,也为了减轻比选计算工作量,可基本不考虑对边坡规模的影响。

3.3.3 土方开挖量

红线位置基本确定后,计算了不同场平高程下红线内挖、填土方量(见图8),以合理确定场平高程。从图8可看出,当高程由115 m降低至100 m时,挖方量显著上升,填方量依次递减；当高程约为112.5 m时,红线内土方挖填平衡。考虑场地北侧洼地放坡回填区的需土量,经计算,场平高程由112.5 m降至105.0 m时,可实现全场地挖填土方平衡,相应进站道路坡降5.8%,也满足不大于6%的常规要求。

图8 不同设计场平高程土方量

3.4 场平高程确定

根据前文分析,按场平高程105.0 m进行场平施工图设计,进一步优化挖填边坡范围、进站道路之后,再次进行全场土方计算,挖填土方量缺8.6h104m3。考虑全场填挖区总用地为10.1h104m2,如果场平标高增减1 m,挖填土方总量将相应增减约10.1h104m3,因此,场平高程降幅大致可确定为8.6/10.1≈0.85 m,即场平高程由105.0 m调整为104.2 m,再次微调场平高程和挖填坡线。经核算,总填方54.8h104m3、总挖方量55.4h104m3,土方基本平衡。考虑必要的清表外弃量、松散系数、建(构)筑物基槽挖方量等,本项目施工图场平高程最终确定为104.5 m。

3.5 边坡治理方案

本工程边坡治理包括挖方边坡、填方边坡,其中：挖方边坡位于站外东西两侧,高度超过30 m,坡体以土状风化的全—强风化花岗岩为主,局部为中—微风化。为控制用地和土方量,坡比采用1∶0.25～1∶1.0。结合深圳地区经验,采用“锚杆(索)+格构梁”的支护方案；填方边坡位于变电站围墙外北侧,总填方边坡高度大于50 m。对于填土坡的设计,一是考虑填土边坡的整体稳定性,二是考虑土方量问题。常规治理包括坡率法、加筋土等方案,对本项目,场地北侧具备放缓坡回填条件,又可满足土方平衡的要求,因此,采用坡率法设计,分级坡率1∶2.0,总坡高56.5 m,坡面植草复绿。

3.6 场平施工效果

该变电站“二通一平”施工于2015年底完成,场平施工做到了挖填土方场内平衡,避免了土方外弃和外购,设计方案合理,施工过程中未发生因设计原因而导致的变更,经施工期间及竣工后变形监测,挖填方边坡变形稳定,各项监测指标均满足规范要求,变电站场平竣工后全貌航拍见图9。

图9 变电站场平竣工后全貌航拍图

4 结语

本变电站场平设计条件复杂,影响因素众多,场平设计方案对工程造价影响较大。对此类复杂场地的场平设计,首先需要掌握关键点,如本项目的总土方量最小且场内平衡是设计关键点,红线位置、进站道路、挖填边坡范围均围绕关键点进行比选；其次,场平方案需进行多因素综合考虑,才能选定最优的方案；另外,在比选中,关键指标的量化才能衡量比选方案是否合理,才能明确优势,而不是仅仅依靠直觉或经验确定。本项目的场平设计优化过程,可供类似工程设计参考。

该变电站“二通一平”已于2015年底完成,完全做到了挖填土方场内平衡,避免了土方外弃和外购,避免了土方场外运输对环境的影响,涉及场外因素少,方便了施工组织,保证了工期,取得了良好的经济效益和社会效益。