变电站L形预装式混凝土电缆沟设计研究

国网湖北省电力有限公司经济技术研究院 李智威 孙利平 贺兰菲 高晓晶 熊川羽 柯方超 周秋鹏国网荆门供电公司 方 钊

1.引言

装配式变电站采用全预制装配结构建筑模式，通过工厂生产预制现场装配安装两大阶段来建设变电站，这种建设方式大大减少了变电站的占地面积，大幅缩减建设工期。随着全预制装配式变电站的试点成功和逐步推广，这种全预制装配式变电站将成为今后变电站建设的主流模式[1-5]。电缆沟是电网系统中变电站、开关站等建筑工程的重要组成部分，在施工中往往成为制约工期的一个重要环节。

目前电缆沟施工一般采用砖砌电缆沟和现浇混凝土电缆沟，在现场的施工工期相对较长，在一些时间低温阴雨、扩建工程、工期短等特殊环境下施工受到诸多制约。预装式混凝土电缆沟采用混凝土和钢模板施工技术，在工厂对电缆沟结构进行分段预制，然后运抵现场拼装而成，使变电站的建设从传统的土建设计和施工模式开始向“设计标准化、加工工厂化、安装机械化、施工专业化”的模式转变，有利于变电站建设向科技含量高、资源消耗低、环境污染少、建设精细化的方向发展[6-8]。

我国对预装式变电站的研究始于本世纪初。2007年，国家电网公司对变电站的建设工作提出了“建设资源节约型、环境友好型、工业化”（简称“两型一化”）的发展思路，装备是变电站逐步受到重视。预装式混凝土电缆沟的设计与应用技术研究也开始受到了工程界的重视。2008年，浙江110kV杨柳变电站、江苏220kV三兴变电站相继竣工并投入使用，开创了预装式混凝土电缆沟在变电站工程中的成功应用先例。此后，相关单位对预装式变电站的预装项目开始逐步进行研究和推广，其中，预装式混凝土电缆沟施工技术已开始进行尝试并已取得了部分成果。2014年，湖南省电力公司经济技术研究院在芷江220kV开关站项目中试点使用了预制高强轻质防腐混凝土电缆沟，高强轻质防腐混凝土的密度和弹性模量均低于普通混凝土[8]。山西省电力勘测设计院针对寒冷地区工程建设进度需求，研究采用的预制装配式混凝土电缆沟，每个单体的断面为U形，左、右沟壁对称，底部设有弧形排水槽。广东电网公司对比普通混凝土电缆沟盖板及两种新型电缆沟盖板（钢纤维混凝土电缆沟盖板和玻璃纤维增强塑料复合盖板）的特性，研究认为钢纤维混凝土盖板抗压强度和抗折性较普遍混凝土盖板大幅提高，但同样存在盖板较重、装难度较大。美国内华达州拉斯维加斯的电力与天然气供应商NV Energy研究并批量生产了装配式电缆沟，断面为U形，左右对称，预制盖板通过螺栓与沟体连接，接地扁钢嵌在沟体内。总体看来，目前国内对预装式变电站项目的研究比较活跃，也取得了一些可喜的成果，但对预装式混凝土电缆沟的结构选型优化、构配件之间的连接构造、沟道排水防渗措施、现场预装施工技术的研究还不太成熟，尚未达到“标准化、系列化、工厂化”的程度和形成统一的质量监控与验收标准体系，应用方面与国外相比仍存在一定的差距[9-10]。

预装式混凝土电缆沟改变变电站电缆沟传统建设思路，为变电站逐步实现“设计标准化、加工工厂化、安装机械化、施工专业化”建设提供前期研究探索。但预装式混凝土电缆沟在设计与应用技术上仍存在一些问题（如结构设计与施工技术优化、防渗、排水问题等）。通过预装式电缆沟的研究，降低现场施工工作量和施工周期，解决传统施工方法存的质量问题，提高电网发展质量等具有重要意义。

2.预装式混凝土电缆沟技术方案

2.1 预装式混凝土电缆沟技术特点

全预制装配式变电站是变电站建设的一场革命，改变了传统的变电站电气布局、土建设计和施工模式，通过工厂生产预制、现场安装两大阶段来建设变电站。全预制装配式变电站是“两型一化”变电站的具体体现，其标准化设计、模块化组合、工业化生产、集约化施工，使变电站建设走向科技含量高、资源消耗低、环境污染少、精细化建造的道路。

预装式混凝土电缆沟采用混凝土和钢模板的施工技术，对电缆沟主体结构进行分段预制，然后运抵现场拼装而成。理论上应根据使用和施工阶段的各种工况，对电缆沟结构的承载力、稳定性和抗倾覆性进行分析计算；研究沟道连接、转弯时的结构处理方式以及预制构件的连接构造措施；优化模板施工技术及现场拼装方案和施工工艺；并解决电缆沟沟道内排水、支架安装等技术问题。

预装式混凝土电缆沟具有下列特点：

（1）充分发挥预制构件优越性，体现以人为本、节约资源的思想，建筑风格上更加朴实、整洁；

（2）施工工艺上，推行构件工厂化、集成化加工、机械化施工、环保施工，极大提高了资源利用率与施工效率；

（3）按照标准化、系列化设计原则，可满足体系化设计的要求，并充分考虑构配件的标准化、模数化、多样化；

（4）工厂化预制加工，不受现场气候、环境、地质等因素影响，构件质量容易得到保证，很大的缩短了工程的工期。

预制电缆沟的两种断面形式：（1）U形断面；（2）L形断面。L型电缆沟稳定性较好，能满足要求；安装时，整体调平调直难度大，安装时间较U型沟长。本文研究具体方案为L形预装式混凝土电缆沟方案。

2.2 L形预装式混凝土电缆沟方案

设计的L形电缆沟为对称布置，沟道净空尺寸（即有效尺寸）见表1。为了与电缆支架的安装间距相匹配，每预制基本段沟身标志长度1400mm，实际长度1395mm。电缆电缆沟断面如图1所示。在沟壁厚度方向，底部为150mm，顶部为130mm；顶部设橡胶压条；底板厚度为160mm；中间留矩形排水沟尺寸为150 mm×40mm，上设钢丝网篦子，排水沟底部100mm厚为二次浇注微膨胀混凝土，横向双坡度2%。沟宽800mm及以下时不采用L形沟。

表1 预装式电缆沟有效尺寸

图1 预制L形电缆沟断面示意图

预制基本段沟身盖板一般构造如下：板标志宽度为500 mm，板实际宽度为498 mm，板厚为50 mm；板面活荷载标准值按4 kN/mm2考虑；板四周带角钢边框，角钢选用不等边角钢。沟顶（盖板顶面）露出自然地面高度150 mm。预制L形电缆沟横断面面积、构件实际长度及构件自重见表2。预制L形沟的盖板与预制L形沟一一对应，预制盖板自重见表3。

表2 预制L形沟自重（单块构件自重）

表3 预制L形沟盖板自重

3.L形预装式混凝土电缆沟计算

3.1 抗浮稳定性

依据《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011 5.4.3条规定对预制L形电缆沟进行抗浮稳定性验算。以型号为D1210预制L形电缆沟为例验算抗浮稳定性（下文除特殊说明者外，计算分析均以型号为D1210预制L形沟为例），其余型号的预制L形沟抗浮稳定性验算结果列于表4。

取1m长L形沟为计算单元，抗浮验算水位取场地标高，L形沟自重G1k：

预制盖板重G2k：

单个L形沟每边设有2副电缆支架，电缆支架重及电缆压重按每副支架3kN计算，每米L形沟电缆支架及电缆压重G3k：

浮力作用值：

抗浮验算：

抗浮验算满足要求。其余型号的预制L形沟的抗浮验算结果见表4。

表4 预制L形沟抗浮验算结果

3.2 施工阶段承载力验算

施工阶段侧壁受到的外推力1kN/m2，截面I-I弯矩为：

因此MI-I＜Mα，施工阶段承载力验算满足。其余型号预制L形电缆沟施工阶段承载力验算均满足。

3.3 施工阶段抗倾覆验算

计算结果表明，MIOV＜Mr，抗倾覆验算满足要求。其余型号的预制L形电缆沟的施工阶段抗倾覆验算结果见表6。

混凝土抗弯承载力：

施工阶段侧壁受到的外推力为1kN/m2，如图2所示。侧壁重：

底板重：

施工外推力产生的倾覆力矩：

自重作用下的抗倾覆力矩：

图2 抗倾覆验算示意图

表6 预制L形沟抗倾覆验算结果

4.L形预装式混凝土电缆沟方案实现

2015年，湖北省电力公司建设部提出探讨预装式变电站的总体构想，并提出了在卧龙500kV变电站项目中实施预装式混凝土电缆沟的设想。对变电站预装方案进行了很多次研究探讨，形成了变电站预装初步方案，并应用于某变电站的建设中。

4.1 排水方案

电缆沟排水方案分为顺场地坡向的电缆沟排水、垂直于场地坡向的电缆沟排水以及遇到与场地坡向相交的电缆沟或场地局部需要带来的沟道顶部过水问题。本项目中采取顺场地坡向的电缆沟排水方案。

预制L形电缆沟应结合变电站内厂区市政排水坡度进行安装施工，即在预制混凝土电缆沟构件铺设前利用混凝土垫层找坡形成沟道纵向排水坡度。沟道排水纵坡一般控制在2‰～5‰，有特别要求时根据排水施工图另行考虑。

对于预制L形电缆沟，沟内横向排水坡度为2%，在二次浇筑混凝土范围顶面形成纵向排水槽150mm×40mm，顶部设钢丝网篦子。沟内排水口间距单坡时宜为20～30米，双坡时可为40米。排水口尺寸为250mm×250mm，预留在预制沟段中部（普通沟段1/2长度处、T形和L形连接的轴线相交处）底板上，排水口顶面设钢丝网篦子并连接场区排水管。

4.2 防渗水措施

与现浇电缆沟不同，预制电缆沟存在沟体拼接处的缝隙渗水问题。在研究目前已有防渗技术措施的基础上，本文结合预制混凝土电缆沟的防水使用要求提出下述三种防渗水措施，设计人员可结合场地的工程水文地质特征选用。

（1）填充发泡剂+硅酮耐候胶勾缝止水

在每段预制混凝土电缆沟的两端沿端面内外壁边缘（底板下部除外）预留20mm×3mm槽口，考虑制作及施工偏差，拼缝宽度取5mm，预制电缆沟拼接就位后，在预留槽口内填充发泡剂，后用硅酮耐候胶勾缝形成止水缝。填充发泡剂除具有一定的止水效果外，其主要作用是一旦外层硅酮耐候防水胶遭到破损时能有效防止沟外泥浆渗入沟道内。

该方法施工简单，没有湿作业，施工速度快，而且经济实用。

（2）外侧螺栓锚固+止水橡胶条止水

预制沟壁外侧预设螺栓孔，孔径20mm，螺栓外径16～18mm；预制电缆沟端面中心位置均预设梯形公槽或梯形母槽，安装前将6mm厚橡胶条固定在沟端一侧的母槽内，构件就位后拧紧外侧螺栓挤压橡胶条形成止水缝。

（3）微膨胀浆料灌缝止水

预制电缆沟沟壁端面及底板端面中心位置均预设1/2圆弧凹槽，直径40mm，构件就位后从顶部浇灌微膨胀浆料形成止水缝。在微膨胀浆料灌缝前，应事先固定好拼缝外侧的专用止浆橡胶条及夹具，以防漏浆。专用止浆橡胶条及夹具制作简单，且可重复使用。浇灌前应保证孔道及排气孔畅通，必要时可辅以钢筋通条浇捣，以保证灌缝浆料浇灌密实。

图3 电缆支架安装方式

4.3 安装与施工

电缆支架安装方式，电缆支架间距700mm，电缆支架采用螺栓固定，每副支架承担最大荷载按3kN计算。沟宽b≥1000mm时，沟内两侧沟壁均设支架，每副支架对应位置的沟壁上需预埋螺母4个，如图3（a）所示。沟宽b≤800mm时，沟内只一侧沟壁设支架，每副支架对应位置的沟壁上需预埋螺母3个，如图3（b）所示。预埋螺母需垂直沟道内壁，螺母表面有防滑纹，外径20mm，内径12mm，螺母长80mm，丝长45mm。在沟道连接（十字形、T形、L形）处的每个对应的45°切角面上安装2副电缆支架。

L形预装式混凝土电缆沟的应用，全面落实了资源节约、环境友好，实现社会综合效益最大化，主要体现在以下几点：

（1）系统策划，标准先导，改变传统电缆沟的布置型式，废除传统建筑结构形式。因地制宜，美化设计，使之与周边环境相协调。

（2）贯彻建筑节能、节材、节水、节地方针，土建结构安全裕度精准，建筑耐久性与变电站运行寿命相协同，力求使建筑结构轻型化。

（3）净化施工现场，减少施工期粉尘、噪音、污水污染以及水资源消耗。采用预装式结构，现场基础、柱、梁、板、屋架一次就位，缩短了近一半施工周期。

5.结论

本文研究了变电站L形预装式混凝土电缆沟设计。通过对比分析，归纳了预装式混凝土电缆沟的技术优点，并通L形预装式混凝土电缆沟的结构设计、抗浮稳定性计算、施工阶段承载力验算、抗倾覆验算，从结构上验证了L形预装式混凝土电缆沟方案的可行性。并通过提出采取顺场地坡向的电缆沟排水方案，结合预制混凝土电缆沟的防水使用要求提出下述三种防渗水措施，设计人员可结合场地的工程水文地质特征选用。最后结合L形预装式混凝土电缆沟结构提出电缆支架安装方式。L形预装式混凝土电缆沟可有效提高施工周期，满足建设资源节约型、环境友好型、工业化的变电站技术要求。

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