OVPS技術(shù)特點及其在變電站建設(shè)中的應(yīng)用

成佃虎，陶丹露，于 彬，周 偉，沈錦儒

(1.江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210036； 2.江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

在瀕臨江河湖海地區(qū)建造變電站時，由于地面標高偏低，為滿足抗洪需要，場地上填土荷載較大，加之地基中的淤泥層較厚，建成后極易產(chǎn)生較大的地面沉降，且伴隨有不均勻沉降，嚴重影響變電站的安全運行。用真空預(yù)壓進行地基處理能將填土荷載的大部分沉降在工前完成，確保變電站運行安全。

我國1980年起，在天津新港開展了真空預(yù)壓的試驗研究，在施工工藝和機理解釋方面獲得進展。從此真空預(yù)壓法在我國軟基加固工程中獲得了廣泛應(yīng)用。

由于淤泥土顆粒較細，處于流塑～流動狀態(tài)，真空荷載下土顆粒隨水遷移，在排水體周邊形成致密土柱，產(chǎn)生淤堵。在排水固結(jié)過程中細小顆粒隨水移動進入濾膜，造成濾膜滲透性降低。又因為傳統(tǒng)真空預(yù)壓法采用真空泵—水平濾管—砂墊層—排水板—土體的連接方式，真空度傳遞過程中，沿程損失大。導致存在如下普遍問題：(1)砂墊層成本高，用砂多，破壞海洋環(huán)境，還會造成嚴重霧霾，不符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略；(2)傳統(tǒng)的排水板易折斷、淤堵、被擠壓，造成排水通道失效，導致處理效果較差；(3)真空度沿程衰減較大，尤其隨著深度增加，中下部軟基處理效果較差；(4)承載力低，工后沉降大，往往需二次加固處理。射流泵用電大，安全性差，真空度不均勻，增加了工程的建設(shè)成本。為此業(yè)界對此進行了深入研究，OVPS技術(shù)就應(yīng)運而生。

1 OVPS技術(shù)的特點

OVPS技術(shù)能很好的解決上述問題，其核心技術(shù)為：

(1)直通技術(shù)：取消砂墊層，用手型接頭連接塑料排水板與真空管(圖1)，將真空壓力直接傳遞到排水板及土體中，縮短了真空傳遞路徑。減少了真空度的沿程損失，提高加固效果。

圖1 手型接頭、排水板與真空管網(wǎng)連接圖

(2)防淤堵技術(shù)：特殊的排水板濾膜材料是根據(jù)土性與濾膜孔徑關(guān)系研制而成。普通排水板的濾膜是凹凸結(jié)構(gòu)，凹面不透水，凸面透水。凹面淤泥含水量無法降低，使排水板表面形成致密的土砣。凸面只形成單一孔道，沒有水平通道，易淤堵。新型排水板的濾膜是纖維絲熱壓微孔，根據(jù)粘粒粒徑來調(diào)整濾膜孔徑；根據(jù)粘粒粘結(jié)性制成親水性濾膜，形成縱橫交錯的孔道，相互連通；同時摻入天然纖維(親水)，產(chǎn)生毛細現(xiàn)象，從而提高排水板的排水性能，有效克服泥沙通過濾膜時造成的淤堵，減少井阻效應(yīng)，達到最佳泥水分離目的(圖2)。

圖2 普通排水板(左)新型排水板(右)

(3)增壓技術(shù)：增壓管的增壓，使土體水分子在壓力作用下定向流動，加速土體固結(jié)，減少工后沉降(圖3)。

圖3 增壓技術(shù)工作原理示意圖

傳統(tǒng)排水板的固結(jié)響應(yīng)范圍最小，且互不重疊，存在未響應(yīng)區(qū)；防淤堵排水板的固結(jié)范圍較大，且不存在未響應(yīng)區(qū)；增壓防淤堵排水板的固結(jié)范圍最大(圖4)。

圖4 排水板區(qū)固結(jié)響應(yīng)范圍

(4)真空不倒翁集水系統(tǒng)技術(shù)：利用集水井的氣液分離，將真空傳至集水井，由集水井分布十個口，每一出口連接真空主管，主管再分布到支管上，實現(xiàn)真空壓力均勻分布的目標，提高了真空利用率，縮短施工時間。

2 在220kV南區(qū)變電站建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 巖土條件

變電站站址地形平坦，地勢較低，地面高程為2.09～3.38 m。地貌單位為海積平原，屬典型的濱海深厚軟土區(qū)。地層主要由第四系全新統(tǒng)海積成因的黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土和粉砂等組成。各土層的主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層主要物理力學性質(zhì)指標

2.2 真空預(yù)壓方案設(shè)計

按文獻[6]，真空預(yù)壓的設(shè)計有以下內(nèi)容。

(1)真空預(yù)壓的范圍

變電站總平面是矩形面積外加一小塊。預(yù)壓平面尺寸見圖5的刀把形，面積為20160 m2，略大于變電站的面積。

(2)膜內(nèi)真空度

真空預(yù)壓的效果與密封膜內(nèi)的真空度大小有關(guān)。本工程為滿足抗洪需要，場地需填高1.5 m；經(jīng)真空預(yù)壓后場地會產(chǎn)生約1.0 m左右的下沉，共需填土2.5 m，折合填方荷載約為45 kPa。采用OVPS增壓式真空預(yù)壓技術(shù)，膜內(nèi)能達到80 kPa的真空壓力，已大于大面積填土荷載，足以將填土荷載產(chǎn)生的大部分沉降在預(yù)壓過程中完成。

圖5 真空預(yù)壓加固范圍圖

(3)估算沉降值

文獻規(guī)定：“受壓層的計算深度可取附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為0.1時的深度”。按6個鉆孔資料算得的壓縮層深度和沉降值(經(jīng)驗系數(shù)ψ=1)分別為：堆載45 kPa時為571～609 mm和66.2～67.4 m；堆載80 kPa時為66.2～67.4 m和1434～1500 mm。

(4)平均固結(jié)度

固結(jié)度要求過高會使真空預(yù)壓的工期過長，況且本工程的預(yù)壓荷載已大于大面積填土荷載，屬于超載預(yù)壓。計算表明，當真空度為80 kPa，平均固結(jié)度按80%計，固結(jié)沉降達到850 mm左右，此值已超過45 kPa填土荷載的壓縮層深度內(nèi)土層的全部沉降量。

(5)排水系統(tǒng)及密封措施

豎向排水井采用FDPS-B型防淤堵塑料排水板，按正方形布置，間距0.8 m，深度20 m。真空主、支管分別采用φ50 mm、φ25 mm的PVC鋼絲軟管。增壓管由彈簧支撐，正方形布置，間距2.4 m，管徑φ32 mm，深度為5 m，透氣段3 m，密封段2 m。用手型接頭將排水板與真空支管相連，真空支管與真空主管相連，真空主管與不倒翁集水井連接。密封膜采用0.12 mm厚的聚氯乙烯膜2層。膜下采用200 g/ m2短絲無紡?fù)凉げ?層。四周密封溝，深1 m，底寬1 m。用功率為55 kW機械式真空泵抽真空。

(6)預(yù)估壓縮層深度內(nèi)全部受壓土層的平均固結(jié)度

以1S16鉆孔為例計算真空預(yù)壓的平均固結(jié)度，計算方法見文獻[6]。

首先根據(jù)土層的滲透系數(shù)、孔隙比和壓縮系數(shù)算出各層土的豎向固結(jié)系數(shù)和水平固結(jié)系數(shù)，再按層厚算得加權(quán)平均值。

地基豎向固結(jié)系數(shù)按層厚的加權(quán)平均值Cv=0.0441 cm2/s

地基水平固結(jié)系數(shù)按層厚的加權(quán)平均值Ch=0.1218 cm2/s。

其次根據(jù)排水板規(guī)格和布置算得井阻影響按層厚的加權(quán)平均值Fr=0.120及其余各參數(shù)。據(jù)此算出固結(jié)時間t=138d時，豎井20 m土層平均應(yīng)力固結(jié)度Urz=0.98

再次根據(jù)豎井以下土層地基豎向、徑向固結(jié)系數(shù)之加權(quán)平均值和其余各參數(shù)，得到豎井以下土層的平均應(yīng)力固結(jié)度Uz'=0.82。

根據(jù)豎井及其下部分土層附加應(yīng)力σz分布曲線包圍的面積的比值算得其比值Q=0.332。

最后即可算出整個壓縮土層平均應(yīng)力固結(jié)度Uz=0.332×0.98+(1-0.332)×0.82=0.875

同理可算得鉆孔1S7、1S10和1S17整個壓縮土層平均應(yīng)力固結(jié)度值分別為0.927、0.907和0.873。

(7)地基土強度增量估算

對正常壓密的黏性土，地基強度增量標準值可按下式計算：

式中各符號意義見文獻。已知Urz=0.98，σzk=80 kPa，φcq=10°。

得ΔSUk=0.98×80×tan10°=13.8 kPa

本工程是超載預(yù)壓，應(yīng)考慮超固結(jié)的影響，故要求真空預(yù)壓后上部地基土的承載力特征值從原60 kPa，提高到80 kPa，以滿足變電站內(nèi)場地上的構(gòu)筑物對地基承載力的要求。經(jīng)工后檢測得到的承載力特征值fak=80 kPa。

3 施工及監(jiān)測概況

3.1 施工概況

施工流程如下：

測量放線——插塑料排水板及增壓管——埋設(shè)監(jiān)測元器件——鋪設(shè)真空主管、支管——挖壓膜溝——鋪設(shè)土工布、真空膜——安裝真空泵、增壓泵及不倒翁式集水系統(tǒng)——真空抽氣、增壓，同時開展監(jiān)測工作——監(jiān)測達到穩(wěn)定標準后，提交技術(shù)指標，報審核驗收，即可停止作業(yè)，24 h后開始測量沉降回彈值，持續(xù)時間10 d——拆除真空設(shè)備，清除濾水管，清理施工現(xiàn)場，退場。

在覆水前試抽真空，同時檢查每臺射流泵的運轉(zhuǎn)情況及真空膜的密封性，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。試抽真空5～7 d，膜下真空壓力應(yīng)達到0.06～0.08 MPa，膜下壓力達到80 kPa以上，開始連續(xù)抽真空100天左右，當出水量明顯減少，周平均沉降量減小至35～60 mm，即開始增壓。增壓采用間歇方式，一般24 h增壓一次，每次1.5～2.0 h。

3.2 監(jiān)測概況

表2列出本次監(jiān)測工作項目及監(jiān)測次數(shù)。

2015年12月22日膜下真空度達到80 kPa后，監(jiān)測工作正式開始，截止2016年5月8日，監(jiān)測工作全部結(jié)束，歷時138 d。

表2 監(jiān)測項目及次數(shù)

表3 7個測點的沉降監(jiān)測值、最終沉降值及平均固結(jié)度

將各測點參照孔的平均固結(jié)度計算值U、沉降監(jiān)測值A(chǔ)及按分層總和法算得的最終沉降值B均列于表5。C為各測點的U×B。沉降監(jiān)測值A(chǔ)除以C即為各測點的沉降經(jīng)驗系數(shù)，取7個測點的平均值得本工程沉降計算的經(jīng)驗系數(shù)ψ=0.890。用此經(jīng)驗系數(shù)算得的各孔沉降計算值和實測值也列于表5，比較各孔平均固結(jié)度的實測值與計算值，其誤差在－0.051～0.054之間，平均僅為0.2%。

4 結(jié)語

本工程采用OVPS增壓式真空預(yù)壓技術(shù)取得了預(yù)期的效果。膜下真空度81 kPa以上，

經(jīng)反復(fù)增壓加快了出水量。經(jīng)過138天的預(yù)壓，地面沉降均超過1000 mm，7測點平均固結(jié)度的平均值為0.902，超過了預(yù)期。

真空預(yù)壓按單向壓縮分層總和法計算所得的固結(jié)沉降值不宜采用GB 50007－2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs。利用監(jiān)測成果推算得本工程沉降計算的經(jīng)驗系數(shù)ψ=0.890。

(3) 用上述獲得的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψ計算的各測點沉降值和平均固結(jié)度與實測值比較，誤差在－0.051～0.054之間，其平均值僅為0.2%。

參考文獻：

[1] 戴儉，沈錦儒．變電所內(nèi)大面積填土的基礎(chǔ)沉降[J]．電力建設(shè)．2006，(02)．

[2] 楊敏．220 kV高壓變電所基礎(chǔ)沉降事故分析及加固實踐[J]．淮海工學院學報(自然科學版)，2007，(12)．

[3] 陳平山，董志良，張功新．新吹填淤泥淺表層加固中“土樁”形成機理及數(shù)值分析[J]．水運工程，2015，(2)．

[4] 王軍．大面積海涂圍墾吹填淤泥淤堵機理及加固技術(shù)[R]．第14屆全國地基處理學術(shù)討論會專題報告PPT．南昌，2016，(11)．

[5] 金亞偉．增壓式真空預(yù)壓技術(shù)[R]．南昌：第14屆全國地基處理學術(shù)討論會專題報告PPT，2016，(11)．

[6] 地基處理手冊(第二版)編寫委員會．地基處理手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社．

[7] JTS147-2-2009，真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程[S]．

[8] 江蘇科能巖土工程有限公司．連云港南區(qū)220 kV變電站新建工程真空預(yù)壓監(jiān)測工作報告[R]．南京：江蘇省電力設(shè)計院．2016，(5)．

[9] 江蘇科能巖土工程有限公司．連云港南區(qū)220 kV變電站新建工程真空預(yù)壓施工工作報告[R]．南京：江蘇省電力設(shè)計院，2016，(5)．