220 kV安新變電站防洪設(shè)計

馮舜凱，魏利民，李占嶺，聶小莉，趙麗君，賈素華

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市050031)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)與民用電負(fù)荷逐年增加，電力建設(shè)呈現(xiàn)點多、面廣的局面。在地勢低洼地區(qū)，變電站的防洪設(shè)計多采用傳統(tǒng)的全填土方案，在高洪水淹沒地區(qū)變電站防洪問題至今沒有較好的設(shè)計方案［1-5］，防洪投資巨大;同時隨著國家土地政策、環(huán)保政策的出臺，國家對土地資源、環(huán)境保護等要求越來越高，變電站建設(shè)征地及防洪越來越困難;尤其是平原地區(qū)，土體資源匱乏，甚至個別地區(qū)變電站建設(shè)無土可取，土源問題在部分變電站設(shè)計中已成為制約變電站建設(shè)的重要因素。鑒于以上問題，本文重點研究高水位淹沒深度對變電站的影響，對洪水淹沒深度較深、當(dāng)?shù)赝馏w資源缺乏的地區(qū)，通過對變電站在電力系統(tǒng)中的重要程度、建設(shè)地區(qū)地理位置、建設(shè)場地情況、洪水淹沒深度、當(dāng)?shù)赝恋刭Y源等多方面影響因素分析研究，提出允許洪水進(jìn)站、電氣設(shè)備高位布置優(yōu)化設(shè)計方案，實現(xiàn)總圖設(shè)計及防洪方案優(yōu)化［6-10］，以達(dá)到既能滿足防洪要求，確保變電站長期安全運行，又能節(jié)約投資、節(jié)省寶貴的土地資源的目的。

1 工程概況

1.1 平面布置

安新220 kV變電站位于保定市安新縣城西南部，距縣城約10 km，站區(qū)地勢開闊平坦，地面高程為6.48～6.58 m。安新縣城及附近沒有可取的土體資源，如要取土，只能破壞附近農(nóng)田，且土方費用造價極高，購?fù)临M用為60～150元/m3，且不能保證大規(guī)模集中供應(yīng)，土體資源十分匱乏。安新變電站總平面布置詳見圖1。

1.2 工程建設(shè)規(guī)模

(1)建設(shè)2臺180 MVA主變壓器以及各級配電裝置。

(2)220、110 kV配電樓本期一次規(guī)劃建成，110、220 kV均采用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)。

(3)站內(nèi)的水工構(gòu)筑物本期一次規(guī)劃建成。

1.3 工程地質(zhì)條件

站址處地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積成因的粉質(zhì)粘土、粉土及砂類土，站址區(qū)域構(gòu)造相對穩(wěn)定，地形平坦開闊，無不良地質(zhì)作用，地基承載力特征值為120 kPa。

1.4 工程水文條件

安新變電站位于保定白洋淀淀區(qū)，變電站布置在具有20年一遇防洪能力的防洪堤內(nèi)，20年一遇以下的洪水對變電站不構(gòu)成威脅;當(dāng)洪水高于20年一遇時，洪水漫堤進(jìn)入站址區(qū)域，站址區(qū)域受洪水影響，但洪水滯留期較短。

站址處地面高程約為6.5 m。白洋淀50年一遇最高洪水水位為9.64 m，100年一遇最高洪水水位為10.48 m，站址處的相應(yīng)50、100年一遇洪水淹沒水深為3.14、3.98 m。

站址區(qū)域地勢開闊，一般年份無瀝澇。

50年一遇10 m高最大風(fēng)速為26.6 m/s。

冬季盛行風(fēng)向為NE、SW，風(fēng)向頻率為8%。

圖1 安新變電站總平面布置Fig.1 General plane layout of Anxin substation

2 防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

為了確保變電站的長期安全運行，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5056—2007《變電站總平面布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中要求，220 kV樞紐變電站及220 kV以上電壓等級的變電站，站區(qū)場地設(shè)計標(biāo)高應(yīng)高于頻率1% (重現(xiàn)期)的洪水位或歷史最高內(nèi)澇水位，其他電壓等級的變電站站區(qū)場地設(shè)計標(biāo)高應(yīng)高于頻率2%的洪水水位或歷史最高內(nèi)澇水位。當(dāng)站址標(biāo)高不滿足上述要求時，可采取以下3種方式:

(1)對場地標(biāo)高采取措施，場地設(shè)計標(biāo)高不低于洪水水位或歷史最高內(nèi)澇水位。

(2)對站區(qū)采取防洪或防澇措施，防洪或防澇設(shè)施標(biāo)高應(yīng)高于洪水水位或歷史最高內(nèi)澇水位標(biāo)高0.5 m。

(3)采取可靠措施，使主要設(shè)備底座和生產(chǎn)建筑物室內(nèi)地坪標(biāo)高不低于洪水水位標(biāo)高。

3 防洪設(shè)計

3.1 安新變電站供電可靠性分析

安新變電站主要供電范圍為安新縣城及附近區(qū)域內(nèi)工農(nóng)業(yè)用戶負(fù)荷，屬末端變電站，供電區(qū)域大部分為附近110 kV變電站及工業(yè)用戶，變電站的重要性較低。當(dāng)?shù)毓I(yè)規(guī)劃均布置在較低的場地上，當(dāng)洪水來臨時，安新縣城內(nèi)地勢較低的工業(yè)企業(yè)廠房、附近110 kV變電站等建(構(gòu))筑物將全部被水淹沒，被淹區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全部停產(chǎn)，保證持續(xù)供電的必要性大大降低。

目前，安新地區(qū)220、110 kV等級電壓網(wǎng)絡(luò)非常發(fā)達(dá)，對于此區(qū)域重要工農(nóng)業(yè)負(fù)荷，一般多采用雙回路或多回路電源供電。為保證供電的可靠性，重要負(fù)荷多采用500 kV網(wǎng)架及220 kV樞紐網(wǎng)架供電，非樞紐220 kV變電站已不再是重要負(fù)荷的唯一電源點。變電站重要性大大降低，因此，安新變電站可以在行洪時全站停電。

3.2 變電站土源分析

當(dāng)采用全填土方案時，變電站按照50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，整個變電站需要取土約49 370 m3。由于當(dāng)?shù)赝馏w資源匱乏，很難找到大規(guī)模取土點，處于無土可取的狀況。如必須取土，不僅土方費用非常昂貴，且只能采用破壞環(huán)境方式，在附近農(nóng)田取土。因變電站土方需求量巨大，如在附近取土，周圍農(nóng)田均要受到不同程度的影響，變電站的建設(shè)將給周圍環(huán)境、植被造成極大的破壞。

3.3 洪水淹沒深度確定

目前安新縣城的防洪能力為50年一遇，其他附近用電地區(qū)防洪能力更低。當(dāng)洪水高于50年一遇，整個安新縣城及周圍地區(qū)將全部被洪水淹沒，當(dāng)高于50年一遇的洪水來臨時，變電站已經(jīng)沒有繼續(xù)運行的必要性。因此根據(jù)安新變電站的實際情況，最終確定了變電站采用50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，洪水淹沒深度為3.14 m。

3.4 防洪方案確定

安新變電站洪水淹沒深度較深，根據(jù)水文資料及當(dāng)?shù)貐^(qū)域材料供應(yīng)情況，本工程設(shè)計了2個防洪方案，即全填土方案及主變戶外布置、電氣設(shè)備高位布置方案。

3.4.1 全填土方案

全填土方案中變電站站址建在洪水淹沒深度以上，變電站可常年運行不受洪水影響;采用全填土方案，變電站內(nèi)圍墻處場地標(biāo)高設(shè)計為3.14 m，經(jīng)站內(nèi)土方挖填平衡計算，變電站需外購?fù)练?4 500 m3，土方工程量較大。由于當(dāng)?shù)卮笠?guī)模購?fù)晾щy，按照當(dāng)?shù)赝练?0元/m3(調(diào)查價格，不能保證大規(guī)模供應(yīng)，未含破壞農(nóng)田補償費)計算，則場地土方工程費用為262.34萬元;場地填土高度較大，整個變電站建造在3 m多高人工填造的土臺上，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境極不協(xié)調(diào);變電站內(nèi)外場地高差較大，變電站圍墻處需增設(shè)擋土墻，以保證變電站安全運行，經(jīng)計算，全站石砌擋土墻工程量為2 345 m3，如擋墻按270元/m3計算，直接投資費用為49.63萬元;由于站址填土較高，護坡、擋土墻、站外道路放坡等占地面積增大，加大了變電站總征地面積，根據(jù)計算，因護坡、擋土墻增加的面積為850 m2，若每畝征地費用按照17.6萬元計算，此部分共增加工程造價22.34萬元。

3.4.2 主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案

主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案，即將主變戶外布置，主變下部、配電樓一層、電纜溝等低位建(構(gòu))筑物允許水淹，各級配電裝置及控制設(shè)備布置在100年一遇洪水淹沒高程(配電樓二層)以上，不受洪水影響;變電站允許洪水進(jìn)站，在50年一遇洪水位以下，變電站運行不受影響，可安全運行，高于50年一遇洪水將對變電站造成影響，變電站全站停電。

本方案變電站建設(shè)無需外購?fù)练?，也無需設(shè)置擋土墻等防洪設(shè)施，既解決了當(dāng)?shù)刭復(fù)晾щy的問題，又可大幅減少土方工程量，降低工程建設(shè)費用;考慮洪水淹沒對建(構(gòu))筑物的影響，需適當(dāng)增加基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)的剛度，增加建筑物下部基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)投資。

3.4.3 方案技術(shù)經(jīng)濟比較

根據(jù)以上分析，全填土方案不能解決變電站填土問題，且投資費用較高，而主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案既解決了變電站填土問題，又可滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電要求，因此安新變電站防洪設(shè)計推薦采用主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案。2種方案的技術(shù)經(jīng)濟比較如下:

(1)全填土方案。全站共填土24 500 m3，土方投資262.34萬元;擋土墻體積2 345 m3，擋土墻投資49.63萬元;擋土墻增加征地面積850 m2，增加投資22.34萬元;主體結(jié)構(gòu)混凝土4 466.72 m3，建筑工程靜態(tài)投資(含征地費)2 333.5萬元。

(2)主變外露，電氣設(shè)備高位布置方案。全站挖填平衡，無外購?fù)练健o擋土墻，主體結(jié)構(gòu)混凝土4 624.21 m3，建筑工程靜態(tài)投資(含征地費)2 020萬元。

通過以上比較可以看出，采用主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案較全填土方案節(jié)省投資約313萬元，建筑工程靜態(tài)投資比全填土方案節(jié)省15%。另外，主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案解決了變電站建設(shè)的土方問題，達(dá)到環(huán)境友好、資源節(jié)約的目的，社會及經(jīng)濟效益顯著。

3.5 主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案設(shè)計原則

安新洪水淹沒深度較深，當(dāng)?shù)赝馏w資源匱乏，不能滿足變電站建設(shè)要求，采用全填土方案不可行;若采用防洪墻方案，可阻止洪水進(jìn)站，但工程費用將急劇增長。通過技術(shù)經(jīng)濟綜合分析，安新站最終采用了允許洪水進(jìn)站，主變外露、電氣設(shè)備高層布置方案，其主要設(shè)計原則如下:

(1)盡可能減少外購或不購?fù)练搅?，按照站?nèi)土方挖填平衡(考慮建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)及設(shè)備基礎(chǔ)挖方量)，確定場平標(biāo)高，減少水土流失。

(2)允許100年一遇洪水進(jìn)站，將變壓器直接布置在戶外的整平地面上;將GIS設(shè)備、電容器、35 kV開關(guān)柜及保護屏等電氣設(shè)備布置在配電樓二層及以上，不受百年一遇洪水影響;洪水退后，主變部分構(gòu)件可能損壞，檢修后可以繼續(xù)運行，其他設(shè)備不受影響。

(3)保證變壓器滿足50年一遇洪水時能夠正常運行供電。

(4)通過向變壓器廠家咨詢，采用自冷變壓器(無冷卻風(fēng)扇)消除主變下部水淹影響，將主變本體端子箱和有載調(diào)壓控制箱安裝在主變本體2 m以上，主變本體不安裝任何監(jiān)視儀表，均通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視。50年一遇洪水來臨時，水位達(dá)到變壓器本體1.9 m(相當(dāng)于測量標(biāo)高9.7 m，高于50年一遇洪水位9.64 m)以下時，變壓器可以運行，變電站可以正常供電。

(5)110、220 kV GIS電氣設(shè)備、電容器、所變、保護屏等其他配電設(shè)備均布置在110、220 kV配電樓內(nèi)，且所有電氣設(shè)備均布置在配電樓內(nèi)3.7 m標(biāo)高(相當(dāng)于測量標(biāo)高11.45 m)以上，高于百年一遇洪水高程，有效防止100年一遇洪水的侵襲;配電樓4 m標(biāo)高以下布置電纜夾層、常規(guī)的生活用房及輔助生產(chǎn)用房，允許水淹。

(6)經(jīng)過對站內(nèi)土方挖填平衡計算，確定圍墻處設(shè)計標(biāo)高±0.00 m相當(dāng)于測量標(biāo)高6.95 m，變壓器底座標(biāo)高相當(dāng)于測量標(biāo)高7.8 m，允許洪水進(jìn)站。

4 洪水進(jìn)站衍生的問題

4.1 行洪時分析

當(dāng)遇百年一遇洪水時，安新站可全站停電，行洪前變電站所有設(shè)備停止運行，所有人員撤離。洪水進(jìn)入變電站后，主變淹深2.7 m，電纜溝等戶外3.98 m以下建(構(gòu))筑物全部淹沒，待洪水過后再恢復(fù)生產(chǎn)。行洪后，變壓器將被洪水帶來的泥沙覆蓋，4 m以下的建筑物內(nèi)將擠滿淤泥。要恢復(fù)生產(chǎn)，必須將站內(nèi)所有淤泥及電纜溝、隧道內(nèi)泥沙及積水清除，對變壓器進(jìn)行清理和檢修。

對于20年至50年一遇的洪水，洪水位比較低，變電站可正常運行供電，但由于洪水進(jìn)站，站內(nèi)已被水淹，交通運輸中斷，站內(nèi)運行不便。

4.2 戶外變壓器水淹影響分析

從變壓器水淹破壞方面分析，目前國產(chǎn)變壓器底座較高，變壓器下部為密封鋼實體，剛度很大，即使洪水淹沒下部，也不會對變壓器本體產(chǎn)生破壞，但對變壓器的冷卻風(fēng)扇破壞較大，洪水帶來的泥沙會對變壓器的風(fēng)冷系統(tǒng)及控制、監(jiān)測、消防系統(tǒng)造成破壞，因此，高洪水位地區(qū)，可采用自冷變壓器，將控制、監(jiān)測、消防系統(tǒng)高位布置，布置在洪水淹沒深度以上，防止水淹。

4.3 洪水對配電樓的影響

4.3.1 洪水浸泡對地基承載力的影響

根據(jù)《保定安新220 kV變電站工程初步設(shè)計階段勘測報告補充說明》［11］，場地地基土飽和浸水后，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均會發(fā)生變化，變化程度除了與巖性、天然含水量、飽和度、土層埋深、厚度等有關(guān)外，還和浸泡時間以及洪水水質(zhì)等有密切關(guān)系。

根據(jù)巖土工程勘察報告提供的數(shù)據(jù)［12］，經(jīng)過土工試驗室對比試驗分析，參考相關(guān)資料，結(jié)合勘察經(jīng)驗，綜合確定洪水浸泡后的各層地基土承載力特征值和壓縮模量建議值，如表1所示。

通過表1可以看出，當(dāng)?shù)鼗艿胶樗莺?，地基承載力、壓縮模量都有不同程度的降低，其中承載力特征值降低比率要小于壓縮模量比率。因此考慮洪水浸泡的建(構(gòu))筑物設(shè)計時，除應(yīng)滿足建(構(gòu))筑物承載力的要求外，還應(yīng)根據(jù)洪水侵入地層深度，重點關(guān)注地基變形對建(構(gòu))筑物的影響。可采用提前預(yù)留變形量、加大基底面積、增強基礎(chǔ)剛度、調(diào)整結(jié)構(gòu)荷載布置等手段，使結(jié)構(gòu)整體受力均勻，盡量減少建筑物地基和基礎(chǔ)的變形，將沉降控制在容許范圍內(nèi)，以滿足建(構(gòu))筑物的安全使用。同時，在建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)考慮洪水作用效應(yīng)，滿足結(jié)構(gòu)的受力及使用要求。

4.3.2 洪水對底層結(jié)構(gòu)的影響

由于變電站一層建筑允許水淹，在配電樓一層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮行洪時洪水作用效應(yīng)及由洪水引發(fā)的漂浮物的撞擊力、系纜力等的影響。根據(jù)配電樓一層框架梁、板、柱受力計算分析，考慮洪水作用效應(yīng)后，配電樓主體結(jié)構(gòu)斷面增大，其中框架柱由原來的600 mm×800 mm增大到800 mm×800 mm，混凝土量由680.16 m3增加至710.62 m3;框架梁板斷面基本不變，但其配筋率大幅提高，較常規(guī)工程增長30%左右;結(jié)構(gòu)總鋼筋混凝土量由4 466.72 m3增加至4 624.21 m3;主體結(jié)構(gòu)投資由613.46萬元增長至634.26萬元，投資增長3.4%，因防洪設(shè)計引起配電樓主體結(jié)構(gòu)投資費用增加相對較小。

4.4 主要建筑物入口處理

為了減少戶內(nèi)變電站的土方，設(shè)計中常將建筑物0 m標(biāo)高提高，以達(dá)較少基礎(chǔ)挖土方的目的。由于0 m提高，造成0 m與室外地坪高差較大，給生產(chǎn)運行帶來諸多不便。針對以上問題，在不增加占地的前提下，可采用站臺式入口處理方案，即建筑物主入口一般采用臺階布置方式，來滿足運行檢修人員的交通通道;對于布置在一層的電容器室、電抗器室、戶內(nèi)主變壓器室等有設(shè)備運輸?shù)娜肟?，沿房屋縱向設(shè)置通長的運輸檢修平臺(類似于火車站的站臺)，平臺兩端及中部設(shè)置臺階，來滿足設(shè)備的安裝、運輸、檢修要求。

4.5 電纜溝水淹分析

電纜溝允許短時進(jìn)水淹沒，可大大降低工程投資，但要考慮電纜溝內(nèi)電纜應(yīng)具有一定的防水能力。采用防水型電纜，允許電纜浸泡，解決電纜被淹問題;同時應(yīng)設(shè)置足夠的排水設(shè)施，保證電纜溝內(nèi)積水在洪水過后能迅速排出。

5 結(jié)語

變電站防洪設(shè)計應(yīng)根據(jù)變電站在電力系統(tǒng)中的重要程度以及建設(shè)地區(qū)地理位置、建設(shè)場地情況、洪水淹沒深度、當(dāng)?shù)赝恋刭Y源等多方面因素綜合考慮，對不同洪水淹沒深度，分析其防洪方案的可行性及經(jīng)濟性，對于洪水淹沒深度較低的地區(qū)，可采用全填土、半填土防洪設(shè)計方案;對于洪水淹沒深度較高的地區(qū)及土體資源嚴(yán)重匱乏地區(qū)，推薦采用主變外露、電氣設(shè)備高位布置方案，從而達(dá)到既能滿足工程防洪要求，確保變電站長期安全運行，又能節(jié)約投資、節(jié)省寶貴的土地資源的目的。

［1］DL/T 5056—2007變電站總布置設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2008.

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