發(fā)電廠軟基處理設(shè)計方法研究

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(中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計研究院，廣東 廣州 510663)

引言

我院承擔(dān)設(shè)計的省內(nèi)發(fā)電廠項目主要分布于珠江三角洲以及沿海地區(qū)，省外項目也多位于濱海地帶。在這些區(qū)域建設(shè)發(fā)電廠，不可避免地會遇到軟基問題，特別在三角洲地帶，廠址多下臥較厚的軟黏土層，無法滿足電廠的地基承載力要求，因此進(jìn)行軟基處理勢在必行。

在軟基處理工程設(shè)計的過程中，各個電廠的廠址有各自不同的場地條件和地質(zhì)情況，而且地下的土層形狀千變?nèi)f化，針對不用的場地情況，應(yīng)因地制宜，選擇最準(zhǔn)確、合理、高效的軟基處理方案，這樣不但能達(dá)到工程的承載力要求，還能縮短施工工期，提前將場地交付使用。

另外，軟基處理的費(fèi)用在電廠土建費(fèi)用中所占比例并不小，一個經(jīng)濟(jì)、實(shí)效的軟基處理方案，對于降低土建工程造價、合理利用資金，具有不可低估的作用。因此，合理選擇軟基處理方案在軟基設(shè)計中具有舉足輕重的作用，一個好的軟基處理方案的確可以起到花小錢辦大事的作用。

1 確定軟基處理設(shè)計方案的要素

軟基處理的設(shè)計首先需要確定選擇方案時應(yīng)該主要考慮的因素，這不但是選擇軟基處理方案的依據(jù)，也是整個軟基處理能否達(dá)到預(yù)期效果的前提。主要應(yīng)考慮的因素有以下幾點(diǎn)：

(1)地基承載力。明確場地或上部建(構(gòu))筑物的形式和用途，確定設(shè)計的地基承載力。這是確定軟基處理方案以及進(jìn)行深入設(shè)計的基礎(chǔ)。

(2)地基允許的工后沉降。明確場地以及建(構(gòu))筑物的沉降要求，設(shè)計關(guān)鍵是滿足建(構(gòu))筑物的使用要求。一些對沉降要求不高的場地(例如儲煤場)，選擇經(jīng)濟(jì)的軟基處理方法，可以有效地控制成本。

(3)地質(zhì)情況。這是確定軟基處理方案的重要因素，不但要了解原場地土層的性狀，還需對回填后的土質(zhì)情況作出準(zhǔn)確的判斷。

(4)自然環(huán)境及周邊環(huán)境。確定軟基處理方案時，應(yīng)該考慮環(huán)境對該方案的可實(shí)現(xiàn)性，例如外購回填料時砂源、土源的選取，雨季對碾壓施工的影響等。

2 如何選擇軟基處理方案

軟基處理的方法應(yīng)與廠地平整的方案配合進(jìn)行。歸納起來講，形成場地的施工方法大致可分為4種：①無需回填或回填量較少；②干填法施工；③吹填法施工；④干濕結(jié)合法施工。

以下針對上述4種場平方式，并結(jié)合不同場地下部土層的地質(zhì)情況，介紹如何選擇軟基處理方案。

2.1 基本無需回填或回填量少

軟基處理的主要對象是場地原有土體。這種情況應(yīng)對場地下臥土層進(jìn)行詳細(xì)地了解，包括軟弱土層的分布情況、軟弱土的物理力學(xué)特征、地下水的分布情況等。下面按軟土分類推薦相適宜的軟基處理方法。

(1)素填土、雜填土、碎石土、低飽和度的粉土等，其經(jīng)濟(jì)快捷的處理方法是采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固。

(2)砂土?？刹捎谜駴_密實(shí)法或強(qiáng)夯法。

(3)淤泥以及淤泥質(zhì)土等飽和軟黏土層。軟黏土的主要物理力學(xué)性質(zhì)是：①天然含水量高、孔隙比大；②透水性低；③高壓縮性；④抗剪強(qiáng)度低；⑤觸變性；⑥流變性。

由軟黏土的特性可見，含該土層的地基在承載力和沉降方面將受到較大的影響，特別是當(dāng)軟黏土層厚度大、埋深淺時，該地基無法滿足電廠場地的強(qiáng)度和變形要求。

另一方面，由于軟黏土多處于飽和狀態(tài)，且透水性低、滲透性差，土層需要較長的固結(jié)時間，孔隙水方可緩慢地排出土體外。

因此，強(qiáng)夯等瞬時施加高能量的加固方式不適合此類土體，較好的軟基處理方法是施插排水板，增加土體的豎向排水通道，并通過堆載或真空將土中的水排出，以達(dá)到提高土體強(qiáng)度的目的。另外，也可采用水泥土(深層)攪拌樁、剛性樁復(fù)合地基法或堆載擠淤法進(jìn)行處理。

(4)粉煤灰用作地基土。粉煤灰具有下列特性：①性狀上基本屬于粉土、粉砂性的無黏性土，因而具有類似粉土的性質(zhì)；②持水性大、孔隙比大、顆粒小、質(zhì)量輕、含水量高，具有淤泥特性；③強(qiáng)度低、壓縮性高；④不均勻性；⑤高壓縮性，其壓縮系數(shù)α0.1～0.2=0.68 kPa-1；⑥固結(jié)快。

粉煤灰具有類似于粉土的特性，且滲透固結(jié)性能理想，適合采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固，而且粉煤灰持水量大，降水強(qiáng)夯的效果會更好。另外，也可采用水泥土(深層)攪拌樁、剛性樁復(fù)合地基法進(jìn)行處理。

(5)粉土?？刹捎盟嗤?深層)攪拌樁、剛性樁復(fù)合地基法處理。

2.2 干填法施工

干填法施工是采用開挖、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備，并配以碾壓、整平機(jī)械，開挖附近山體的巖土材料回填到填方區(qū)，或由陸地向海域推進(jìn)回填的一種施工方法。

回填區(qū)若采用樁基，則需要嚴(yán)格控制回填塊石的塊徑，嚴(yán)禁回填塊徑>20 cm的大塊石，否則會給后期的樁基施工帶來不必要的麻煩。特別是在修筑圍堰時，應(yīng)充分考慮建筑物基礎(chǔ)和后期擴(kuò)建建筑物基礎(chǔ)施工可能會遇到的問題。

2.2.1 回填土層較厚且下部為深厚軟黏土層

可采用堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓進(jìn)行地基處理。作為堆載取料的取土，山體土料開挖盡可能在塑料排水板施工后進(jìn)行，以避免開挖料的二次搬運(yùn)。同時，一次回填的厚度不宜過大，以免軟土發(fā)生失穩(wěn)而產(chǎn)生剪切破壞。在沒有預(yù)先修筑圍堰的情況下進(jìn)行干填法施工時，應(yīng)盡可能將較大的塊石堆填在迎浪的方向，以減少海浪對堆填物的淘蝕。

2.2.2 回填土層下部為較薄軟黏土層

可采用超高堆載擠淤的方法處理。在回填土的重力作用下，淤泥層會發(fā)生破壞和流動，隨著回填施工的向前推進(jìn)，淤泥逐漸被向前排擠，使得填土層下部的淤泥厚度變小或清除，從而達(dá)到清淤的效果。

重力擠淤一般適用于不要求全部清除淤泥的情況。排擠淤泥的厚度與下部淤泥的流動性和上部填土層的一次堆填厚度有關(guān)。可根據(jù)淤泥層的剪切強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計出堆填層前緣的堆填層高度。

2.2.3 回填土層下部無不良土層

若回填土層下部土體承載力高，無需進(jìn)行處理時，可直接對回填土進(jìn)行分層碾壓或強(qiáng)夯處理?；靥钔翆虞^薄時，建議采用分層碾壓；而對于大面積的厚層填土，采用強(qiáng)夯處理是一種行之有效的方法。對于厚度很大的填土層，也可以根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行分層強(qiáng)夯。

開挖、堆填及強(qiáng)夯處理是濱海大型發(fā)電廠經(jīng)常遇到的巖土工程問題。深圳前灣LNG電廠、惠州LNG電廠的全部回填區(qū)，臺山核電廠的BOP區(qū)、臺山電廠煤場填土區(qū)、華能海門電廠、陽西電廠、平海電廠填土區(qū)以及珠海電廠部分回填區(qū)，均是開山回填后采用強(qiáng)夯的方法處理填土。

2.3 吹填法施工

吹填法施工是采用挖泥船、吹砂船和輸泥管等設(shè)備，將泥砂和水一起抽吹到回填區(qū)域，以形成場地或陸地。在海域回填中，采取吹填法施工與港池或航道的疏浚相結(jié)合，可以省去拋填港池淤泥的費(fèi)用以及節(jié)省圍海造陸土料的費(fèi)用。

2.3.1 下部為軟弱土層且存在挖棄的泥砂

可采用吹淤回填+堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓的方法進(jìn)行處理。利用附近的淤泥或泥砂作為吹填料吹填到回填區(qū)，與下部軟弱土層一并處理。吹淤回填往往是與疏浚工程相結(jié)合，在海域回填的同時，附近港池和航道需要疏浚，存在大量挖棄的泥砂。

珠三角某電廠約15萬m2海域采用吹填港池、航道淤泥來填海造陸，其軟基處理即采用了真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓的方法。

2.3.2 下部為軟弱土層且需大量填土或砂

可采用插排水板+吹砂回填+強(qiáng)夯的方法進(jìn)行處理。與吹淤回填基本相同，但所用吹填料為砂料。砂料來源可以是回填區(qū)臨近海域的砂源，也可以是周圍開采運(yùn)輸來的砂料。在采用干濕結(jié)合法施工時，吹填砂的高度應(yīng)超出海水面，以便于地基處理。

吹砂回填區(qū)由于砂質(zhì)疏松，一般也應(yīng)進(jìn)行加密處理，可采用振沖擠密或強(qiáng)夯密實(shí)等方法。

佛山某電廠的地基處理方法是：首先對下部淤泥及淤泥質(zhì)土層施插塑料排水板，然后吹填砂料，利用上覆砂層作為堆載進(jìn)行堆載預(yù)壓處理；待軟土層的固結(jié)度≥70%后進(jìn)行強(qiáng)夯處理(強(qiáng)夯處理僅對松散的吹填砂層)。

2.4 干濕結(jié)合法施工

將干填法施工與吹填法施工結(jié)合起來，先進(jìn)行吹填法回填，然后進(jìn)行軟弱地基處理，再進(jìn)行干填法回填至設(shè)計標(biāo)高。

一般情況下，在原海底有較厚淤泥層存在的大型濱海工程多采用干濕結(jié)合法施工。由于海底存在厚層淤泥，即使不吹淤回填，下部淤泥也需要處理，而水下進(jìn)行軟土地基處理非常困難，費(fèi)用很高。吹淤回填后，原來需要進(jìn)行軟土地基處理的場地變成了陸地，從而降低了處理的難度，減少了地基處理的費(fèi)用，其代價只是增加了處理層的厚度。

珠三角某電廠整個回填場地均采用干濕結(jié)合法施工，下部吹填淤泥至常年海平面以上后，即可進(jìn)行水平排水砂層塑料排水板施工，上部再回填開山土進(jìn)行真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓、堆載預(yù)壓以及塑料排水板+強(qiáng)夯的綜合地基處理方法，其處理效果非常成功。

2.5 方案的靈活性

各個電廠的地質(zhì)情況各不相同，即使同類土層也有各種分布狀態(tài)，因此，上述的軟基方案所推薦的方法并不能作為軟基公式套用。在對場地進(jìn)行軟基處理方案選取時，應(yīng)在確定軟基處理設(shè)計方案要素的前提下，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇最合理的軟基處理方案。

本文在介紹軟基處理方案時按廠平的幾種類型分點(diǎn)進(jìn)行了論述，但并不是選擇軟基處理方案在廠平之后，或受制于廠平方案，實(shí)際上兩者是相輔相成、相互配合的。確定軟基方案時應(yīng)該與廠平一起考慮，才能獲得最優(yōu)方案。

表1列出了部分發(fā)電廠根據(jù)不同的軟土層情況所采用的軟基處理方案，供參考。

3 軟基處理設(shè)計實(shí)例

在確定軟基處理方案后，可結(jié)合軟基處理方法的設(shè)計參數(shù)并依據(jù)相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。在軟基處理的設(shè)計過程中應(yīng)設(shè)立試驗區(qū)，獲得經(jīng)驗參數(shù)后再大面積鋪開施工。

以下介紹一個有代表性的電廠堆載預(yù)壓-強(qiáng)夯工程實(shí)例，可作為軟基處理的設(shè)計參考。

3.1 軟基方案的確定

3.1.1 工程概況

某電廠為新建2×600 MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，電廠鄰近西江，大部分地段位于沖積平地之上(大多已開挖為魚塘)，原始地面平均標(biāo)高約為3 m；場地面層主要為0.5～4.7 m厚素填土+0～4 m厚粉質(zhì)黏土，下臥4～13 m淤泥，再往下為約10 m土質(zhì)較好的粉質(zhì)黏土和強(qiáng)(中)風(fēng)化礫巖。

表1 發(fā)電廠軟基處理方案分類

(1)素填土①：場地中北部主廠區(qū)地段分布大面積填土，于2007年回填，經(jīng)分層碾壓處理，回填厚度0.50～4.70 m，褐黃色或棕紅色，主要由黏性土組成，混礫石及碎石，粒徑一般為1～4 cm，呈稍濕，以稍密狀態(tài)為主，局部呈松散狀態(tài)。

(2)粉質(zhì)黏土②：灰色、灰黃色或褐黃色，含粉粒及少量砂，局部過渡為黏土。呈濕，可塑狀態(tài)。該層在大部分鉆孔均有揭露。層厚一般在0.70～7.10 m。

(3)淤泥③-1：深灰色或灰黑色，含有機(jī)質(zhì)，質(zhì)較純，混少量貝殼碎片，局部含粉砂，夾粉砂薄層。呈飽和，流塑狀態(tài)，部分呈軟塑狀態(tài)。該層主要分布于煤場地段，層厚在1.80～18.90 m，層頂面高程為-7.45～2.55 m，層底面高程為-16.90～0.67 m，標(biāo)貫擊數(shù)一般為1～4擊，由于淤泥中夾有粉砂薄層，局部標(biāo)貫擊數(shù)偏高。

3.1.2 軟基方案選擇

A2區(qū)原場地平均標(biāo)高為3.0 m(1985年國家高程)，場平標(biāo)高11.15 m，平均填土層厚度達(dá)8.5 m以上。根據(jù)地質(zhì)勘測資料，該區(qū)域下臥軟土層平均厚度在8.0 m左右。

由于原場地存在深厚淤泥土層，必須對其進(jìn)行堆載預(yù)壓排水固結(jié)，而由于該工程的特殊性，回填土層對于淤泥土層來講就是堆載，因此原淤泥土層可利用深厚的上覆回填土層作為堆載進(jìn)行堆載預(yù)壓排水固結(jié)處理。對于上覆回填砂(或吹填)層平均厚度達(dá)8 m以上，且回填時只進(jìn)行了簡單推平、碾壓，土層疏散的，必須在下臥淤泥土層堆載預(yù)壓的固結(jié)度達(dá)到70%～80%再進(jìn)行強(qiáng)夯處理。施工步驟為：

(1)對淤泥土層進(jìn)行堆載預(yù)壓排水固結(jié)，先在淤泥土層插塑料排水板，使淤泥土層在回填土層的堆載作用下排水固結(jié)。

(2)對疏散的回填土(或回填砂層)進(jìn)行強(qiáng)夯加固處理。

軟基處理設(shè)計技術(shù)要求如下：

(1)對于上層回填砂土層經(jīng)強(qiáng)夯處理后，砂土層承載力特征值fa≥120 kPa，Es≥8.0 MPa。

(2)對下臥淤泥土層經(jīng)堆載預(yù)壓排水固結(jié)處理后，平均固結(jié)度Ut'≥95%，承載力特征值≥80 kPa。

3.2 堆載預(yù)壓

堆載預(yù)壓區(qū)因無法解決回填土料問題而采用吹砂，因而下臥淤泥土為低強(qiáng)度軟土，其強(qiáng)度不足以支持一次性完成，必須按分級堆載的方式進(jìn)行，解決的辦法是：按理論計算的分級間歇吹填，如圖1所示。如果分級間歇吹砂施工存在問題，可借D、E區(qū)堆放堆載預(yù)壓區(qū)所需砂料，然后再按堆載分級荷載及恒載間歇時間鋪填砂料。

圖1 理論計算的堆載預(yù)壓t～p，t～圖

3.2.1 堆載預(yù)壓做法

對吹填砂料排水后的質(zhì)量密度ρ進(jìn)行測定，以便算出每級堆砂的總厚度d(d=ΔPi/ρ)。

在采用吹砂預(yù)壓過程中，任何時刻作用于地基上的荷載不得超過地基土的極限荷載，以免地基失穩(wěn)，因此應(yīng)分級加荷，并控制加荷速率，待地基在前一級荷載作用下達(dá)到一定的固結(jié)度(該工程采用Ut'=70%～80%)后，再施加下一級荷載。

考慮到按理論計算的分級加荷施工工期太長，可通過有效監(jiān)測，按實(shí)際監(jiān)測結(jié)果修改加荷速率。一般沉降速率可控制在10～20 mm/d范圍內(nèi)，邊樁測斜位移控制在4～6 mm/d范圍內(nèi)。

3.2.2 堆載預(yù)壓法施工注意事項

(1)堆載施工時，應(yīng)一邊進(jìn)料，一邊推平至預(yù)定高度。

(2)根據(jù)監(jiān)測資料，嚴(yán)格控制堆載高度、加載速率，保證各級荷載下地基的穩(wěn)定性。

(3)防止堆載過高引起地基失穩(wěn)，地基最大豎向變形≯10 mm/d，邊樁水平位移≯5 mm/d。

3.3 強(qiáng)夯

在第一階段堆載預(yù)壓軟土的固結(jié)度≥70%后，即可進(jìn)行強(qiáng)夯施工。初定起夯面為11.15 m。

點(diǎn)夯夯擊能為：第1遍、第2遍和第3遍點(diǎn)夯的夯擊能分別為3 500～4 000 kN·m，3 000 kN·m，2 000 kN·m；第4遍滿夯，單點(diǎn)夯擊能1 000 kN·m。

3.4 監(jiān)測結(jié)果

圖2所示為堆載預(yù)壓的荷載-沉降曲線。

圖2 C3-M82荷載-沉降曲線

(1)從圖2來看，堆載預(yù)壓達(dá)到了預(yù)期的效果，堆載預(yù)壓荷載加載過程中，地基保持穩(wěn)定，土層沉降顯現(xiàn)，82 d時該點(diǎn)的沉降量達(dá)764 mm，場地平均沉降為538 mm。

(2)通過固結(jié)計算，該點(diǎn)最終沉降為957 mm，固結(jié)度達(dá)80%。表明淤泥土層排水固結(jié)效果良好，堆載預(yù)壓效果理想。

(3)利用強(qiáng)夯加固上部吹填砂，施工完成后，地基承載力滿足設(shè)計要求，該軟基處理設(shè)計十分成功。

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