亞曼蘇水電站GIS樓結構方案的優(yōu)化設計研究

唐翠華，梁 山

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

亞曼蘇水電站是目前國內引水流量最大的地面鋼結構氣墊調壓室水電站，為解決長壓力管道調節(jié)保證計算的難題，亞曼蘇水電站在常規(guī)氣墊式調壓室理論的基礎上，拓寬氣墊調壓室的應用范圍，創(chuàng)新性地在軟基基礎上設計了地面鋼結構氣墊式調壓室。

由于壓力鋼管在本電站的運行中極為重要，筆者在技施圖階段接觸到該電站的GIS樓結構設計工作，出于工程安全和投資的考慮，把原設計方案的GIS樓基礎高程進行了調整，這一改變解決了原設計方案中壓力管道置于GIS樓基礎之下存在的風險，同時節(jié)約了工程投資。2020年10月，四臺機組已全部投產發(fā)電，GIS樓和壓力管道均運行順利。

1 水電站GIS發(fā)展現狀

GIS(Gas Insulated Substation)是“氣體絕緣全封閉組合電器”的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。電力GIS是將電力企業(yè)的電力設備、變電站、輸配電網絡、電力用戶與電力負荷和生產及管理等核心業(yè)務連接形成電力信息化的生產管理的綜合信息系統(tǒng)。

GIS設備自20世紀60年代實用化以來，已廣泛運行于世界各地。GIS不僅在高壓、超高壓領域被廣泛應用，而且在特高壓領域也被使用。經過30多年的研制開發(fā)，GIS技術發(fā)展很快并迅速被應用于全世界范圍內的電力系統(tǒng)。目前，隨著全球電力系統(tǒng)自身的發(fā)展以及對系統(tǒng)運行可靠性要求的日益提高，GIS技術必將持續(xù)發(fā)展，成為本世紀高壓電器的發(fā)展主流。

近年來，GIS設備在我國新建水電工程中已經得到了廣泛的應用，部分使用傳統(tǒng)開放式設備的電站也完成了GIS設備改建，我們的GIS設備的技術也在越來越多的工程實踐中不斷精進，與歐美發(fā)達國家的差距越來越小，設備價格也有了大幅度下降。

2 工程概況

亞曼蘇水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)境內的托什干河上，是托什干河“2庫11級”的第九級克克機格代和第十級牙滿蘇合并而成的亞曼蘇梯級。工程區(qū)介于北緯41°03′～41°12′、東經78°48′～79°04′之間，海拔高程1 490～1 740 m。電站利用別迭里電站尾水發(fā)電，引水渠道沿左岸戈壁灘從西到東沿等高線布置，利用河道落差發(fā)電，電站尾水在秋格爾灌區(qū)取水口上游2.85 km匯入托什干河。電站廠房距烏什縣城約22 km，距阿克蘇市約130 km，交通便利。

電站發(fā)電引用流量140 m3/s，設計水頭199 m，總裝機容量244 MW，多年平均發(fā)電量8.00億kW·h/9.45億kW·h(近期/遠期)，年利用小時數3 279 h/3 873 h(近期/遠期)。

電站進水閘接上游別迭里二級水電站尾水，經輸水明渠至壓力前池，考慮冬季運行的要求，明渠線路沿程布置壅水閘；發(fā)電建筑物采用“壓力前池+壓力管道+氣墊式調壓室+地面廠房”的布置型式。

配電裝置的選型與電站電氣主接線方案、廠區(qū)樞紐布置方案、升壓站站址選擇密不可分，結合本電站廠區(qū)樞紐布置，對常規(guī)電器和GIS的綜合比較如下：選用常規(guī)開敞式電器設備(AIS)時，占有場地較大。根據現場開挖的情況，廠房邊坡較高，處理難度和土建投資均較大。因此，為降低給工程開挖帶來的難度，避免邊坡滾石影響電氣設備正常安全運行，本工程選擇使用GIS設備。除此之外，采用GIS設備還具有以下優(yōu)點：

(1)提高運行可靠性。由于GIS設備中所有元器件均裝在全封閉的外殼內，與外界隔絕，減少了故障幾率，極大地提高了設備運行的可靠性。亞曼蘇電站地區(qū)晝夜溫差較大，電氣設備按常規(guī)戶外布置存在著帶油設備熱脹冷縮后滲油的問題，這將直接影響到設備的使用壽命，加大了今后運行維護工作量。而且電氣設備絕緣子澆注件部分在此氣候條件下容易松動，密封系統(tǒng)易老化、損壞，可能導致事故的發(fā)生。而GIS受環(huán)境影響較小，設備運行可靠性高，有利于實現電站高度自動化管理。

(2)運行維護方便。GIS布置在靠近廠房的GIS樓內，與中控室、主廠房相鄰，便于日常的運行維護。由于GIS所有元件均裝在全封閉的外殼內，其檢修周期比敞開式電氣設備長，且日常維護工作量要少。

(3)安裝周期短。GIS是成套件，現場安裝和調試很方便，其安裝周期比敞開式電氣設備短。GIS樓即為主要安置GIS設備的建筑物。

3 壓力管道與GIS樓的布置關系

本工程廠區(qū)樞紐建筑物主要包括主廠房、副廠房及GIS樓、尾水池、尾水渠等。廠房主機間和安裝間呈“一”字型布置，安裝間位于主機間右側，副廠房及GIS樓布置在主廠房上游側，中控室副廠房布置于安裝間上游側(見圖1)。

圖1 GIS樓與主廠房平面布置示意

根據現場的水文地質地形條件，以及安全性、經濟性等綜合條件對比后，對該電站的壓力管道布置進行了方案優(yōu)化調整，最終采用了“兩機一管+氣墊式調壓室”的基本布置型式。壓力鋼管共四根，三根直徑3.1 m，一根直徑2.2 m，壓力管道全線及氣墊式調壓室均采用明鋼管外包鋼筋混凝土的結構型式，考慮到工程所處環(huán)境及冬季運行防冰凍等要求，采用淺埋回填方式，回填材料為砂礫石土。

壓力管道連接氣墊式調壓室和主廠房，由于GIS樓位于主廠房上游側，介于氣墊式調壓室和主廠房之間，所以壓力管道需穿GIS樓而過，且壓力管道的埋深不大。這對GIS樓本身的結構穩(wěn)定性和壓力鋼管的安全性都具有一定挑戰(zhàn)。

4 方案調整與優(yōu)化

GIS樓全長65.52 m，寬度16.3 m，考慮抗震要求，分為左右兩個結構段，X方向布置有10排柱子，Y方向布置3排柱子。地質資料顯示，該建筑物地基持力層為砂卵礫石，砂卵礫石天然密度2.06～2.09 g/cm3，相對密度0.55～0.67，平均0.62，壓縮模量25～30 MPa，具密實結構，承載力良好。根據壓力管道與GIS樓的關系，結構設計對前期方案進行了調整優(yōu)化。

(1)前期方案：GIS樓采用筏板基礎，基礎置于壓力鋼管之上。地下室只布置了地面以上建筑面積一半，上游側為鋼筋混凝土墻，設于上部中間排框架柱下方，下游側為框架柱，混凝土墻體外側建筑范圍內的壓力鋼管至地面高程使用混凝土回填。前期方案如圖2所示。

對GIS樓進行結構計算，最大單根柱底軸力為1 127.7 kN，筏板基礎基底離壓力管道波紋管頂距離不到1 m，雖然大部分柱子未直接落在壓力管道之上，但是筏板基礎厚度僅能做不到兩米厚，且旁邊即為主廠房，基礎無法傳力到旁邊土體上，整個GIS樓的重量將幾乎直接通過筏板基礎作用在壓力鋼管之上，由于壓力鋼管下部地基為砂礫卵石層，雖然承載力良好，但存在變形的可能性較大，而由于鋼管本身的材料特性，幾乎不允許變形，若再加上整個GIS樓的重量，可能對壓力鋼管造成破壞，嚴重情況下甚至可能導致影響整個電站的運行。

(2)施工圖設計：擴大地下室面積，上游鋼筋混凝土墻體向外側移動，地面以上GIS樓柱縱向鋼筋插入鋼筋混凝土墻中，使地下與地上對應，結構更加規(guī)則，各部分質量和剛度也更均勻、連續(xù)。仍然采用筏板基礎，降低基礎高程，使基礎置于壓力鋼管之下，GIS樓廠用配電室地面以下高程上下游兩邊采用鋼筋混凝土墻。該方案調整了地面以下結構布置，上下游墻均為鋼筋混凝土墻，并在墻體上開設洞口，壓力管道穿墻而過，壓力管道外包混凝土與鋼筋混凝土墻體結構脫開，設有20 mm結構縫，結構縫之間設有止水，并用軟性材料填充塞滿，混凝土墻體開孔處進行結構加強設計。施工方案如圖3所示。

圖3 施工圖設計示意(單位：cm)

對比兩個方案發(fā)現，前期方案廠用配電室建筑面積更小，機電設備布置相對擁擠，需要大量的回填混凝土，鋼筋使用量相對較少；施工圖設計方案增加了地下室建筑面積，機電設備布置的空間相對寬裕，混凝土回填量減少，鋼筋使用量相對前期方案多約60 t。

經過分析，施工圖設計的筏板基礎直接整體置于砂卵礫石原狀土上，使GIS樓的整體結構抗變形能力更強，結構平立面更加對稱，結構脫開使GIS樓對壓力鋼管的影響較小，整體安全及穩(wěn)定性更好，結構可靠性大大提高；就工程造價而言，施工方案增加的鋼筋量造價少于前期方案回填混凝土的造價約計70萬。

5 結 語

2020年10月，亞曼蘇電站四臺機組已全部投產運行，GIS樓及壓力鋼管均運行正常，GIS樓在施工期方案優(yōu)化后減少了約3 000 m3回填混凝土，在該部位土建費用的原有基礎上減少了約70%投資。

在電站建筑物設計中，往往存在不同專業(yè)之間的結構交叉，設計師應該根據實際工程情況，與其他專業(yè)密切配合，適當調整和優(yōu)化結構布置，合理選擇結構布置和型式，盡量做到結構相互獨立，避免交叉影響，確保結構的安全性及穩(wěn)定性以保證工程的順利運行。