基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)特高壓GIS 設(shè)備的影響分析及應(yīng)對(duì)措施

◎王保剛 付佳佳 劉靜靜 程偉然 王磊 方啟 劉斯騰 王晨峰 隨祥旭

（作者單位：平高集團(tuán)有限公司）

引言：隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)特高壓GIS 高壓開關(guān)產(chǎn)品使用要求更為嚴(yán)格，使用環(huán)境適應(yīng)性也更廣泛。由于GIS開關(guān)設(shè)備運(yùn)行高可靠性，占地面積小等特點(diǎn)，是用戶首選的開關(guān)設(shè)備。針對(duì)特高壓工程建設(shè)質(zhì)量、設(shè)備的可靠性要求的高標(biāo)準(zhǔn)，使特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備的工程適應(yīng)性就更加優(yōu)越。特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備是安裝在基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)預(yù)埋鋼板上，所以特高壓工程基礎(chǔ)的建設(shè)是特高壓GIS 設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的根本，一旦基礎(chǔ)沉降超出要求值，且發(fā)生不均勻沉降時(shí)，將會(huì)對(duì)GIS 設(shè)備安全可靠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的、不可預(yù)估的質(zhì)量隱患，如氣體泄漏、放電等事故。

本文針對(duì)某特高壓工程基礎(chǔ)發(fā)生較大不均勻沉降時(shí)，結(jié)合GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)特殊性，提出GIS 設(shè)備沉降值的獲取方法；對(duì)沉降數(shù)據(jù)分析計(jì)算，找出適合GIS 設(shè)備應(yīng)力計(jì)算模型；利用ANSYS 分析與應(yīng)力計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)；提出GIS 開關(guān)設(shè)備的臨時(shí)性解決方案，及實(shí)施過(guò)程中的注意事項(xiàng)。為基礎(chǔ)沉降后的GIS 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)分析提供參考依據(jù)。關(guān)于基礎(chǔ)永久糾偏措施復(fù)雜，本文不做分析研究。

一、特高壓GIS 對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求

目前我國(guó)特高壓GIS 工程建設(shè)時(shí)，均按一倍半接線方式進(jìn)行GIS 開關(guān)設(shè)備布置，由于特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備占地面積較高壓、超高壓GIS 開關(guān)設(shè)備大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)按功能分：串內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)、主母設(shè)備基礎(chǔ)、分支母線設(shè)備基礎(chǔ)。由于串內(nèi)設(shè)備與主母設(shè)備布置原因，一般串內(nèi)設(shè)備與主母線基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為同一基礎(chǔ)，即一個(gè)特高壓工程基礎(chǔ)最終按功能劃分為GIS 本體基礎(chǔ)、分支母線基礎(chǔ)。

為保證特高壓GIS 開關(guān)設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有嚴(yán)格要求，即要滿足GIS 運(yùn)行時(shí)載荷要求，又要滿足沉降要求。GIS 本體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)通常為整體大板結(jié)構(gòu)，一般在80～100m 左右設(shè)置伸縮縫，解決基礎(chǔ)熱脹冷縮；分支母線基礎(chǔ)為整體大板設(shè)計(jì)，也可以是筏板加支墩方式設(shè)計(jì)，分支母線基礎(chǔ)與GIS 本體基礎(chǔ)交接處設(shè)置伸縮縫。伸縮縫的設(shè)置一是為滿足基礎(chǔ)表面在受載不均或基礎(chǔ)自身熱脹冷縮工況避免發(fā)生局部斷裂等問(wèn)題；二是用來(lái)吸收不同基礎(chǔ)間均勻沉降量。

二、特高壓GIS 對(duì)基礎(chǔ)沉降要求

基礎(chǔ)沉降是指GIS 設(shè)備和土工建筑物荷載通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給地基，地基中產(chǎn)生了豎向、側(cè)向和剪切變形，導(dǎo)致各點(diǎn)的豎向和側(cè)向位移。

基礎(chǔ)沉降又分均勻沉降和不均勻沉降。GIS 工程設(shè)計(jì)時(shí)是按照工程均勻沉降量要求，經(jīng)科學(xué)計(jì)算后進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)布置，基礎(chǔ)在均勻沉降范圍內(nèi)，GIS 設(shè)備均能安全可靠運(yùn)行。

GIS 設(shè)備安裝時(shí)，通過(guò)設(shè)備支撐高低調(diào)整來(lái)解決基礎(chǔ)埋件施工誤差及基礎(chǔ)均勻沉降差，GIS 等高設(shè)備安裝后要保證中心高度相同。所以，兩個(gè)獨(dú)立大板基礎(chǔ)或同一大板內(nèi)不同埋件間出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，判定設(shè)備是否安全可靠運(yùn)行前提條件有以下幾方面：1. 基礎(chǔ)相對(duì)沉降量必須滿足GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許值。2.兩個(gè)獨(dú)立大板伸縮縫處相對(duì)沉降量必須小于此處GIS 彈簧元件沉降功能允許值。3.同一大板內(nèi)不同支撐埋件的相對(duì)沉降差必須小于兩支撐間GIS 設(shè)備撓度變形量允許值。4.當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，仍然要通過(guò)測(cè)量GIS 設(shè)備中心高度，分析設(shè)備變形量，評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)。

三、不均勻沉降對(duì)GIS 設(shè)備影響分析

造成基礎(chǔ)不沉降因素較多，如土體性質(zhì)、設(shè)計(jì)方面、勘測(cè)報(bào)告、施工原因等，所以針對(duì)不均勻沉降的影響分析，需以實(shí)際沉降數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)土工建筑物或基礎(chǔ)上安裝設(shè)備進(jìn)行影響分析。

下面以某特高壓工程基礎(chǔ)不均勻沉降實(shí)際工況，對(duì)基礎(chǔ)上安裝的特高壓GIS開關(guān)設(shè)備實(shí)際形變進(jìn)行影響分析，評(píng)價(jià)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

1.GIS 設(shè)備沉降量的確定。GIS 設(shè)備是安裝在基礎(chǔ)表面的預(yù)埋鋼板上，預(yù)埋鋼板通過(guò)植筋與混凝土鋼筋網(wǎng)進(jìn)行連接并進(jìn)行尺寸定位，再進(jìn)行混凝土澆筑。GIS 開關(guān)設(shè)備安裝前要進(jìn)行所有預(yù)埋鋼板高度差測(cè)量，高度誤差在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)才允許GIS安裝。

國(guó)內(nèi)某一特高壓工程在GIS 設(shè)備自安裝后運(yùn)行約1 年，依據(jù)GB/T12897-2006國(guó)家一二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范、GB50026-2007工程測(cè)量規(guī)范、JGJ 8-2016 建筑變形測(cè)量規(guī)范、DL/T5445-2010 電力工程施工測(cè)量技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測(cè)發(fā)現(xiàn)（基礎(chǔ)示意見(jiàn)圖1，線框?yàn)榛A(chǔ)邊界），其中GIS 設(shè)備分支母線1、分支母線2 處基礎(chǔ)局部發(fā)生不均勻沉降現(xiàn)象，沉降速率遠(yuǎn)超0.01mm/d。

圖1 某一特高壓工程基礎(chǔ)示意圖

為研究該工程基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)GIS設(shè)備影響，現(xiàn)以本程沉降最嚴(yán)重的分支母線1 數(shù)據(jù)為例進(jìn)行研究分析。以分支母線1設(shè)備區(qū)域基礎(chǔ)發(fā)生沉降后，分支母線1 設(shè)備不同部位發(fā)生不同程度撓度變形。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，在母線長(zhǎng)度方向進(jìn)行分段設(shè)置支撐，支撐與母線連接部位設(shè)置有高低調(diào)整結(jié)構(gòu)，可用于GIS 設(shè)備安裝時(shí)或運(yùn)行一段時(shí)間后（即當(dāng)基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定后）的高低調(diào)整，本工程支撐最大調(diào)整量為10mm。所以，為了準(zhǔn)確得到GIS 設(shè)備的實(shí)際沉降量，提出以GIS 設(shè)備每個(gè)筒體連接法蘭為測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)法蘭處分別取最高點(diǎn)和水平中心位置為測(cè)量點(diǎn)，每點(diǎn)測(cè)量至少三次，取平均值并記錄。分支母線1 測(cè)量點(diǎn)見(jiàn)圖2。

圖2 分支母線1 測(cè)量點(diǎn)示意圖

依據(jù)國(guó)家相關(guān)測(cè)量規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。為分析GIS 設(shè)備受最大沉降影響，每處法蘭取兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)中的最大絕對(duì)值為設(shè)備的相對(duì)沉降值yn（n 為1～9 自然數(shù)）。

表1 沉降值數(shù)據(jù)表

2.計(jì)算分析。（1）數(shù)據(jù)分析。依據(jù)用戶要求，分支母線1 與GIS 本體大板基礎(chǔ)之間的沉降差值不得超過(guò)±25mm，每一塊大板基礎(chǔ)上的任意兩塊埋件的設(shè)計(jì)沉降值按表2 執(zhí)行：

表2 分支母線1 埋件設(shè)計(jì)沉降量

根據(jù)圖2 及表2，計(jì)算得出分支母線1每處支撐位置GIS 設(shè)備設(shè)計(jì)沉降值為y設(shè)n#（見(jiàn)表3）。

表3 支撐點(diǎn)設(shè)計(jì)沉降值y 設(shè)n#/mm

按圖2 設(shè)置布置及表1 測(cè)量數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化繪制出分支母線1 設(shè)備實(shí)際沉降近似曲線圖（見(jiàn)圖3），從圖上可看出：分支母線1在MX1-72、MX1-82 點(diǎn)位置沉降最為明顯。

圖3 分支母線1 沉降曲線

依據(jù)實(shí)際沉降曲線圖3，利用三角形等比定理，近似計(jì)算出每?jī)蓚€(gè)支撐間GIS設(shè)備相對(duì)沉降量，假設(shè)5#支撐與4#支撐間的設(shè)備相對(duì)沉降量為y5#，即：

以此類推，計(jì)算出每個(gè)支撐處GIS 設(shè)備實(shí)際相對(duì)沉降量得出表4。

表4 支撐點(diǎn)GIS筒體實(shí)際相對(duì)沉降量yn#/mm

結(jié)論：對(duì)比表3 和表4，5#～7#支撐處GIS 設(shè)備實(shí)際相對(duì)沉降量已超出設(shè)計(jì)允許值，說(shuō)明基礎(chǔ)已產(chǎn)生較大不均勻沉降。

（2）GIS 設(shè)備工況分析。由于GIS 結(jié)構(gòu)及支撐布置的特殊性，為更準(zhǔn)確計(jì)算GIS設(shè)備沉降應(yīng)力，綜合前述沉降分析，需將分支母線1 簡(jiǎn)化為分段模型計(jì)算。通過(guò)分析，在基礎(chǔ)沉降時(shí)，往往支撐位置筒體承受應(yīng)力最大。通過(guò)對(duì)整體沉降趨勢(shì)分析，轉(zhuǎn)化計(jì)算各支撐處的沉降值（見(jiàn)表4），建立數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算出各支撐處筒體應(yīng)力情況。

根據(jù)受力分析，可將每個(gè)支撐處GIS設(shè)備分析為懸臂梁受力結(jié)構(gòu)，分析本次沉降對(duì)該分支母線設(shè)備的受力狀況。

數(shù)學(xué)模型公式：y=FL3/(3EI) （4）

其中：y 為筒體沉降絕對(duì)值（表4）；F為筒體承受力；L 為支撐間筒體長(zhǎng)度；E 為彈性模量（5083-H112：71GPa、304：204GP）；I 為筒體慣性矩0.002769m4。

根據(jù)公式（4）可以推出筒體產(chǎn)生沉降力如式（5）所示： F=3EIy/L3（5）

由于1#支撐處筒體為測(cè)量參考點(diǎn)，默認(rèn)沉降為0，所以對(duì)2#支撐處母線設(shè)備簡(jiǎn)化模型如下圖：

圖4 2#支撐處設(shè)備沉降后簡(jiǎn)化模型

即2#支撐間母線設(shè)備所承受沉降力值為：

根據(jù)上式計(jì)算取F2#最大值用于考核筒體承載應(yīng)力，以此計(jì)算出所有支撐處設(shè)備筒體沉降力F 為：

表5 支撐點(diǎn)GIS 筒體沉降力

應(yīng)力計(jì)算公式：由σ=M/W，得出：σ=FLD/(2I)＜σ0.2（6）

其中：F 為筒體產(chǎn)生的沉降力；L 為支撐間筒體長(zhǎng)度；D 為筒體直徑；I 為筒體慣性矩0.002769m4；σ0.2為材料屈服強(qiáng)度（5083-H112：125MPa、304：205MPa）。

由式（5）、（6）分別計(jì)算出每個(gè)支撐間母線設(shè)備的應(yīng)力值：

以此計(jì)算各部位設(shè)備筒體應(yīng)力為：

表6 計(jì)算筒體應(yīng)力σ /MPa

結(jié)論：根據(jù)表6 可知，目前已有5#、6#、7#支撐筒應(yīng)力已超出許用應(yīng)力，但仍小于材料拉抗強(qiáng)度，雖然筒體沒(méi)有遭到破壞，但說(shuō)明筒體產(chǎn)生較大應(yīng)力，存在損壞的隱患，或有輕微變形。

所以，對(duì)不均勻沉降量較大的位置所對(duì)應(yīng)GIS 開關(guān)設(shè)備要及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力消除。

（3）ANSYS 分析GIS 設(shè)備工況。為驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性，利用ANSYS 軟件對(duì)分支母線1 設(shè)備進(jìn)行建模，計(jì)算筒體受力情況。計(jì)算模型如下圖所示：

圖5 沉降計(jì)算簡(jiǎn)化模型

由于支架為剛性連接，在三維建模過(guò)程中將支架略去，僅保留筒體的支腿。將表4 值施加在筒體支腿上，計(jì)算出筒體法蘭沉降量，如下圖所示：

圖6 整體變形示意圖

為了對(duì)比結(jié)果的正確性，提取表1 對(duì)應(yīng)法蘭位置的計(jì)算沉降量與表1 測(cè)量值作比較，結(jié)果如下：

表7 計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比

從表7 數(shù)據(jù)可知ANSYS 仿真計(jì)算的各個(gè)法蘭對(duì)接面的沉降量與實(shí)測(cè)值較為接近，本文建立的ANSYS 模型基本正確。

表8 支撐點(diǎn)GIS筒體應(yīng)力ANSYS計(jì)算結(jié)果l

表9 ANSYS 仿真與理論計(jì)算值對(duì)比

從表9 對(duì)比數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算值與ANSYS 仿真計(jì)算值基本吻合，理論計(jì)算可以反映筒體應(yīng)力的真實(shí)情況。

四、基礎(chǔ)不均勻沉降GIS 開關(guān)設(shè)備的臨時(shí)性解決方案

通過(guò)對(duì)本工程沉降量分析，已超出GIS 設(shè)計(jì)允許范圍，說(shuō)明設(shè)備產(chǎn)生較大應(yīng)力，存在較大質(zhì)量隱患。所以，在基礎(chǔ)不能及時(shí)做永久糾偏時(shí)，可以先對(duì)GIS 設(shè)備采取臨時(shí)性對(duì)策，首先保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.臨時(shí)性解決方法。

（1）對(duì)GIS 設(shè)備中心高度進(jìn)行測(cè)量，整理數(shù)據(jù)；

（2）利用數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行撓度、應(yīng)力計(jì)算，分析設(shè)備應(yīng)力狀態(tài)；

（3）當(dāng)沉降量較小時(shí)，微調(diào)GIS 設(shè)備支撐高度解決設(shè)備不平狀態(tài)；

（4）當(dāng)沉降量超過(guò)支撐調(diào)整量時(shí)，通過(guò)抬升或降低設(shè)備支撐，使設(shè)備總體恢復(fù)至安裝時(shí)水平高度狀態(tài)；

（5）設(shè)備調(diào)整后，根據(jù)目前沉降速率，結(jié)合設(shè)備沉降能力范圍，制定基礎(chǔ)沉降觀測(cè)頻次，及時(shí)掌握沉降狀態(tài)；

（6）重點(diǎn)關(guān)注雨季、冬季等易引起基礎(chǔ)土層形變較大的季節(jié)，制定沉降量預(yù)警值。

2.特高壓GIS 設(shè)備抬升或降低注意事項(xiàng)。由于特高壓GIS 設(shè)備較常規(guī)GIS 開關(guān)體積大，重量沉，在設(shè)備調(diào)整時(shí)，務(wù)必做好人員、設(shè)備安全等相關(guān)措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及特高壓GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要做到以下注意事項(xiàng)：

（1）當(dāng)GIS 設(shè)備抬升或降低時(shí)，為保證安全，原則上建議設(shè)備停電后作業(yè)；

（2）作業(yè)前，GIS 設(shè)備外殼要有可靠接地，消除外殼靜電危害；

（3）GIS 設(shè)備調(diào)整部分含有伸縮元器件時(shí)，要做好原始狀態(tài)記錄，便于設(shè)備精準(zhǔn)恢復(fù)；

（4）GIS 設(shè)備抬升或降低調(diào)整時(shí)，務(wù)必平穩(wěn)、等間距微調(diào)，可每次3～5mm 間距循環(huán)調(diào)整，杜絕一次性大距離調(diào)整；

（5）禁止對(duì)薄壁元件（如筒體）小面積作用力，務(wù)必使用專用工裝，增大薄壁元件受力面積；

（6）作業(yè)用頂起（液壓）裝置或吊裝工裝等，使用前務(wù)必確認(rèn)狀態(tài)完好；

（7）若現(xiàn)場(chǎng)有焊接、氣割等動(dòng)火作業(yè)時(shí)，務(wù)必做好消防安全等措施。

五、總結(jié)及建議

本文對(duì)某一特高壓工程基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，提出了數(shù)據(jù)測(cè)量、計(jì)算分析、及臨時(shí)性解決方案內(nèi)容有：（1）提出了對(duì)GIS設(shè)備連接法蘭進(jìn)行中心高測(cè)量，可獲得GIS 更精確的沉降量值；（2）比對(duì)GIS 設(shè)備實(shí)際沉降量，找出超出設(shè)計(jì)允許沉降量設(shè)備位置；（3）依據(jù)GIS 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特殊性，對(duì)超出允許沉降值的GIS 設(shè)備建立受力模型，評(píng)價(jià)設(shè)備應(yīng)力工況；（4）GIS 設(shè)備母線出現(xiàn)沉降后可以通過(guò)理論計(jì)算對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，評(píng)價(jià)設(shè)備工況；（5）根據(jù)設(shè)備評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)基礎(chǔ)不能做永久糾偏時(shí)，提出GIS 設(shè)備臨時(shí)性解決方案，及實(shí)施過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

以上對(duì)基礎(chǔ)沉降后的GIS 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)分析提供參考意見(jiàn)。特高壓工程是重點(diǎn)工程，基礎(chǔ)建設(shè)至關(guān)重要，發(fā)生較大沉降時(shí)，要及時(shí)做好永久糾偏措施，預(yù)防特高壓開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障，以免造成重大安全事故。