复杂地形下变电站场平优化设计

复杂地形下500kV变电站场平优化设计

葛　帆，陈发波，陈　鸿

（深圳市市政设计研究院有限公司，深圳518029）

摘　要:某500kV变电站选址位于复杂丘陵山地，原始场地无法满足建设要求，场地需要进行填低挖高，挖填土方量各有约50万m³，且将形成超过30m的挖方高边坡和超过50m的填方高边坡，场平设计方案对土建成本影响大，土方平衡是设计需要考虑的重点。本文对该场平设计过程中的重难点进行分析，对设计方案进行了比选，最终得到优化的设计方案。

关键词:场平设计；土方平衡；边坡；填土；500kV变电站

Site Leveling Optimal Design of 500kV Substation in Difficult Terrain

Ge Fan，Chen Fabo，Chen Hong

（Shenzhen Municipal Design ＆Research Institute Co.Ltd.，Shenzhen518029）

Abstract:A 500kV substation was sited in difficult hilly area，where could not meet the need for construction，the site must be cut and fill.The earth volume of cutting or filling was more than 500 000m³，the slope of excavation was more than 30mhigh，and the slope of filling was 50mhigh.The cost of construction was impact by the site leveling design；the earthwork balance was the key of the design need to consider.The difficult point in this project was analyzed，the design scheme was compared and selected，the optimum design was obtained.

Key words:site leveling design；earthwork balance；slope；filling；500kV substation

1　概述

场平设计是工程建设中重要的一环。对于简单地形条件，进行一般平整即可满足工程建设要求；但对于复杂地形条件，需充分考虑场地的地形地貌、地质条件、工程使用需求等各种因素进行设计。文献^［1］对工业企业总平面的设计进行了规范，但具体的项目需要考虑各自的实际情况进行综合设计。尤其是涉及到开挖与回填，需要参照相关技术规范进行设计，并考虑设计方案的经济合理性。

某500kV变电站选址位于深圳市南山区东北部丘陵区，该场地为废弃采石场，并经弃土回填，地形起伏大，工程地质条件复杂。在此地建设变电站，一是工程土方挖填量均较大，且将形成高陡边坡，场平设计方案对土建成本影响大，站址的场平设计需要进行多方面比选，以获得最优的方案。二是土建工程对场地地形环境改变大，场平设计应尽量减少对现有环境的破坏，能体现环保及“低冲击开发”理念；低冲击开发理念不仅仅用于雨水管理，对工程规划建设同样有意义^［2］。

2　地质环境概况

2.1　地形地貌

场地区域原始地貌为低丘陵，后经开山采石，原有山头已经挖除，原始地貌完全破坏，并曾作为工程渣土堆场，后经整治复绿，成为现状地貌（图1）。整个区域如马鞍状，其中部的开挖回填区域相对南北两侧要高，而东西两侧自然山体较中部更高。中部场地为开挖采石后回填整平，高程112～117m。其南北两侧均为场地整平后分级放坡形成的填土高边坡，均已绿化，南侧坡脚高程在66m左右，北侧坡脚高程在50m左右。西侧山体最高约152m，东侧山体最高约300m。

图1　拟建变电站用地及周边地形概貌

2.2　工程地质条件

根据勘察报告，场地内岩土层主要是人工填土层、坡积土层、残积土层和燕山期花岗岩。

人工填土层是场地内主要分布的土层，为素填土，成分由花岗岩碎石、块石及砾质黏性土组成，碎块石含量50%～65%，呈棱角状，土质很不均匀，局部有架空间隙。揭露层厚10.40～27.60m。

坡积土层与残积土层均分布于自然山坡区域，厚度分别为1.5m、0.6m左右。

燕山期花岗岩根据风化程度分为全风化层、强风化层、中等风化层和微风化层。全风化花岗岩厚度6.0～11.3m，原采石区域该层已剥离。强风化花岗岩厚度变化大，在原采石区域厚度1.3～14.3m，在自然山坡区域厚度最小17.9m，最大28.6m（未钻穿）。中风化花岗岩在采石区域厚度1.4～5.5m，在自然山体区域埋深约25.9m。微风化花岗岩在采石区起伏大，层顶高程88.04～117.15m，在自然山坡区域埋深28.2m以上。

3　项目难点分析

本项目用地位于低丘陵区域废弃采石场，地形条件复杂，设计重难点在于:

（1）现有场地中部平整区域长宽均不超过150m，不能满足变电站245m×187m的用地需求。东西侧受地形限制，需要开挖山体，在满足场地长度需求的条件下，开挖山体将形成超过30m高边坡；南北侧受填土边坡限制，需要新增填土区，其现状填土边坡高度已超过50m，如增加填土区，为保证填土边坡的稳定性，新增填土应从坡脚往上填土形成新的填土边坡。这样，意味着本项目一是填挖土方工程量很大，二是场地周边将形成高边坡。基于深圳现状，土方外运或外购土方费用均较高，因此土方平衡设计是本场平设计考虑的重点。由于存在挖方高边坡和填方高边坡，边坡治理、填土压实方案也是影响工程安全和场平费用的重要因素。

（2）进场道路条件限制。变电站进场道路需由邻近的福龙路引入，福龙路可提供接口处的两端分别接隧道和桥梁，可供选择的位置有限；进场道路受场地限制，长度有限。进场道路对场平标高形成制约，并影响北侧填土边坡形态。

（3）场地西侧为福龙路隧道。本项目工程建设、岩石爆破可能对隧道存在不利影响，故场地应与隧道保持一定的安全距离。

（4）变电站终端塔条件:变电站四面环山，东西两侧山体高大，终端塔受场地周边地形条件和线路限制，只能由南部引入，北部引出，使得场地红线布置方案不能有大方位的调整。

4　场平设计过程

基于上文分析，本项目整个工程有挖有填，最优设计应能做到挖填土方就地平衡，且土方挖填总量越少，对周边山体破坏越小。本项目场平设计需要从站内用地位置、设计场平标高等多个因素来考虑。由于几个因素的影响是综合性的，具体设计时需要综合统一考虑，反复试算才能得到最优设计。

4.1　红线布置

本项目站内用地近似为矩形，东西向长245m，南北向宽187m，进出线位于南北两侧。由于电气设备布置需要，用地的形状不能调整；进出线终端塔决定了用地的大方位，不能有大旋转；因此，场平设计只能从用地红线在各方向上平移、微调旋转等比较来优选合适的布置。详述如下。

4.1.1　进站道路布置

变电站区域近似矩形，进场道路于站外西北侧的福龙路开口，向东盘旋进入变电站。结合进站大门的具体布置，有两种方案:一是布置于西侧；二是布置于东侧。两种布置方案的路口与福龙路距离分别为250m、400m，考虑道路两端高差约37m，道路纵坡分别为14.8%、9.2%，均高于规范要求，故只能将线路布置为绕行线路。绕行方案a:大门位于西侧，道路由西侧绕行至东侧后折返至西侧大门处；绕行方案b:大门位于东侧，道路由西侧延伸经转弯后到达大门处。两方案均需要避让绕行场地北侧的终端塔。

从线路布置上看，a方案线路长约650m，线路纵坡坡率5.7%；b方案线路长约530m，线路坡率7.0%。道路纵向设计a方案要优越。另外，b方案路线需要在东北侧形成高边坡，预计挖方量多4万m³，且增加边坡治理面积约1 000m²。两者比较，方案a较好。

综合比较，确定道路出入口方案选方案a，道路设置在西北角，道路长度约650m。

4.1.2　南北方向平移比选

用地红线在南北方向主要长度为187m（不计局部突出）。而场地现状地貌在南北两侧均为人工填土边坡，坡顶场地南北向长度约130m，远小于场地需要的长度，需要考虑填土造地。

两侧边坡均为分级放坡，且表面植被覆盖良好。南北两侧边坡相比，南侧边坡分为7级，坡面规则，坡率约1:1.8；北侧边坡较乱，且现状进场简易道路布置于北侧，平均坡率约1:2.5左右，如进一步填土，北侧相对南侧更有利于填土边坡的稳定。因此场地在南北方向的布置，以南侧边坡坡顶为界线，向北布置，南侧边坡保持现状，北侧填土达到设计高程。

预计场地设计高程为105m左右，红线布置依据设计高程的地形布置，南侧以边坡坡顶线为界，考虑安全因素后退约5m布置红线。北侧需要填土的距离为50～80m。

4.1.3　东西方向平移比选

用地红线在东西方向长度245m，而现状地形在东西方向受限于两侧山体，宽度仅150m，即需要部分开挖山体才能形成要求的场地。根据现有场地条件，东西方向的布置有三种方案可供选择。

A.西侧布置方案:该方案场地偏向西侧布置，开挖西侧山体，东侧山体保持现状。

B.中部布置方案:该方案居中布置，东西两侧均需要开挖山体，控制两侧边坡高度。

C.东侧布置方案:方案偏东布置，东侧的南部和北部均有边坡开挖，西侧不需要开挖山体边坡，但由于现边坡高陡，需要治理。

三个方案比选见表1。其中方案的土方工程量为设定相同的条件进行计算得到。计算条件为:设计高程取105m，考虑场地周边放坡坡率1:1，红线外扩5m为放坡线。

表1　东西方向场平布置比选

从表1可以看出，A方案土方量远大于B、C两方案，且该方案用地将占用福龙路隧道上部场地，需要专门的措施以保障变电站施工时的隧道安全，该方案不合适。

B、C两方案相比，B方案土方开挖量要小，边坡规模也比C方案要小。只是C方案不用开挖西侧山体，避免开挖基岩，西侧不需要爆破，对施工有利。而根据已有施工经验看，间距小于10m的复线隧道尚可爆破施工^［3］，本项目基岩爆破与隧道距离80m以上，只要控制好爆破装药量，是完全可以做到对隧道无影响的。

综上分析，场地在东西方向的布置采用B方案，即场地偏向中部布置，东西两侧均需要适量开挖山体，并与隧道保持一定的安全距离。

4.1.4　不同角度的比选

为进一步优化场地布置方案，在前文已确定条件的基础上，考虑将场地稍微旋转，看是否能够减小工程量和土方量。选定有4个旋转方案，分别为:A.正南北方位布置；B.逆时针旋转8°；C.顺时针旋转8°；D.顺时针旋转16°。以上旋转方案，均考虑两侧开挖，在南侧则与坡顶距离5m以上。同样采用前文比选方法，从土方量、边坡工程量比选，C方案为最优方案。

需要说明的是，以上各方面需要综合考虑，经多次设计、计算才能得到最佳的场平布置。方案比选中只比较了挖方量，而未比较填方量，是因为整个项目的挖方量主要在场地内，填方量则主要在场外，场地北侧放坡需要回填大量土方，土方平衡可以通过调整放坡坡率做到。因此，在针对场地的土方计算比较中最小挖方量才是场地红线布置的关键。另外，以上计算土方量只是在相同条件下的对比，与最终设计方案的土方量会有一定的差异。

4.2　设计标高初定

场地设计标高的确定将直接影响土建工程量，需要慎重确定。本项目场地设计标高确定基于以下考虑:①进场道路条件；②潜在边坡规模；③土方开挖量。由于场外地形标高低于50m，用地标高超过100m，不用考虑设计洪水位的影响。

4.2.1　进场道路

场地设计高程与进场道路坡降直接相关。进站道路长度约650m，道路起点高程为68m，按道路坡降不超过8%计，道路终点高程不能超过120m；若场平标高105m左右，则道路平均坡率可控制在6%以内。

4.2.2　边坡规模

本场地内有填有挖，其中东西侧开挖形成挖方边坡，北侧填土形成填土边坡。场平设计标高大，则挖方边坡规模小，填方边坡规模大；反之，则挖方边坡规模大而填方边坡规模小。本项目挖填高边坡均超过30m，场平设计高程变化1～2m，对边坡总体规模影响不大，但对挖填总土方量影响较大。因此，边坡规模对设计高程在小范围内的取值变化不敏感，不是主要考虑的因素。

4.2.3　土方开挖量

在前文确定的红线范围内，考虑边界挖方1:1放坡，坡脚线为红线外扩5m。在此基础上，计算不同设计高程条件下土方开挖量（图2）。从图中可以看出，当设计高程由115m降至100m时，挖方量显著上升，由最初的12.7万m³增加到80万m³；填方量则由28万m³减小到4.5万m³。如仅从红线内土方平衡来说，设计高程大致设计为112.5m可以达到土方平衡。

图2　不同设计标高土方量

但本项目在场地北侧需要回填放坡和修筑道路，这一部分土方需求量较大，总的填方估计在50万m³左右，土方平衡需要考虑这一部分的需求。从这一条件看，设计高程宜选定在105m左右。

由此，设计高程初定为105m。

4.3　边坡治理方案

场地内边坡治理包括挖方边坡和填方边坡。

挖方边坡位于场地东西两侧，均为高度超过30m的高边坡。对于挖方高边坡，可供选择的治理方案有限，一般采用分级支挡或分级锚固。结合深圳地区边坡治理经验，采用分级放坡后锚杆（锚索）＋格构梁的治理方案。常规放坡破坏山体面积较大，因此方案尽量优化边坡坡率，通过预应力锚索对山体进行加固，减小占用山体面积。

填方边坡位于场地北侧，总填方边坡高度大于50m。对该高边坡的设计，存在两方面注意事项:一是填土边坡的整体稳定性；二是深厚填土的变形问题。对于填方高边坡，可采用的治理方案包括坡率法、加筋土挡墙等。由于填土厚度大、土性松散，锚固方案不适用。坡率法通过稳定坡率放坡达到边坡稳定的目的，是最经济的方案，缺点在于放坡占地较大，土方量大。加筋土边坡可通过加筋以增加边坡稳定性，以达到减小占地和土方的目的，但加筋土工合成材料需要另外增加费用。对本项目高填方边坡，方案比选表明，土工格栅费用高，且土方含石量大，加筋土不适合采用；本项目场地北侧具备放坡的场地，且土方量可满足需求，因此采用坡率法，通过分级放坡保证边坡的整体稳定性。

另外，填土边坡的压实方案也是设计的重点。压实度是边坡稳定性和填土沉降变形控制的重要保障。设计对压实方案进行了比选，比较分层碾压、分层强夯、强夯结合碾压三种方案，综合考虑工期、施工效果等因素，最终选用填土主体分层强夯、填土外侧边坡坡面部分分层碾压的方案。填土要求压实度不小于0.95，以满足填土稳定和变形的要求。

4.4　土方平衡

站内红线、设计场平高程确定后，总的挖方量已可基本确定，而填方量取决于场地北侧的填土放坡和进站路路基设计方案。北侧填土边坡采用坡率法保证边坡的稳定，但具体放坡参数在满足边坡稳定的前提下可以进行调整，以满足土方平衡要求。拟采用8m一级边坡、1:2左右坡率的放坡方案。

进站路总长度约650m，其中道路终点段靠近红线的区域可以与场地填土放坡结合，由填土形成路基，这样比较经济。而道路起点段，即由福龙路引出的部分，路面起点设计高程68m，而福龙路堤东侧地面高程48m左右，高差20m，这一部分设计两种方案进行比选，一是架设桥梁与后段的路基相连（方案A），填土边坡与桥梁相对独立；二是完全填土形成路基，即北侧边坡向外延伸，兼顾道路路基（方案B）。经试算，B方案土方量约为80万m³，与初估挖方50万m³相差太大，因此对填土进行调整，坡率增大，北侧边坡及路基边坡相对独立，以减少土方，形成C方案，土方减少至55万m³。C方案由于边坡坡率增加，需要采用加筋土对边坡进行加固。

方案A增加了桥梁建造费用，但土方平衡，且土方量在三个方案中最小；方案B土方量大，且无法做到土方平衡，需借土（20～30）万m³；方案C可以土方平衡，挖填方量均较方案A要多约10%，且增加加筋土费用及排水管道费用，经估算其费用较A方案的桥梁费用更高。综合比较，选用方案A，进站道路部分采用桥梁，部分与填土边坡结合。填土边坡放坡坡率1:2.0（局部根据地形调整至＜1:2.0）。

4.5　标高微调

根据前文分析，按105m标高进行场平设计，包括山体开挖边坡、填土区边坡、道路等，进行初步方案设计，根据该设计方案再次进行土方计算。此次计算土方量比较准确。计算得到总填方52.5万m³，总挖方43.9万m³，挖填土方量相差8.6万m³。整个填挖区，包括变电站及站外边坡、道路区域，总面积为10.1万m²，这意味着，如果场平标高增减少1m，挖填土方量差值将相应增减约10.1万m³，要保证挖填平衡，设计场平高程需要降低，降低数字大致可确定为8.6/10.1＝0.85m。最终确定场平标高为104.2m。根据该设计标高进行场平、边坡的设计，最终计算总填方54.8万m³、总挖方量55.4万m³，考虑场内0.3m厚表土清理后，需要外弃土方1 187m³，占总挖方量的0.2%，土方平衡。

经过上述多方比选，最终得到场平设计方案。设计方案做到了土方平衡、总土方量最小、土建成本最经济，并对周边环境影响最小，体现了低冲击性开发理念。

5　结语

本变电站设计条件复杂，需要考虑因素众多，各分项工程方案对土建成本均产生较大的影响。对此类复杂地形条件下的场平设计，首先需要进行设计条件分析，理清影响设计方案的条件，掌握重难点、关键点。如本项目，土方平衡及总土方量最小是设计关键点，也是重难点，边坡方案、道路方案均围绕这一点进行比选；低冲击开发，避免过多的破坏周边环境也是需要在设计方案中考虑的。当然，边坡治理和道路方案必须以满足相关规范技术要求为前提。其次，方案进行多方考虑与比选。设计中考虑多种方案的可能性，并在技术上、经济上进行比较，才能选定最优的方案。另外，在比选中，选择关键指标是进行优化比选的重要标准，如选取土方量、边坡治理工程量估算等，指标应容易确定，且对工程影响明显。量化的指标才能明确优势，而不是仅仅依靠设计人员的直觉确定。本项目的场平设计优化过程，可供类似设计参考。

参考文献

［1］中国冶金建设协会.GB 50187—2012工业企业总平面设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2012.

［2］郭广东.低冲击理念下的城市开发与管理新模式［J］.上海城市管理，2012，5:53-56.

［3］李飞，陈卫忠，等.高速公路浅埋大跨度双跨连拱隧道爆破振动影响研究［J］.岩石力学与工程学报.2004，23（增2）:4 744-4 748.