湖北某220kV 變電站地基處理方案研究

程春健 趙李源

(1、湖北省華網(wǎng)電力工程有限公司，湖北 武漢 430040 2、中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目位置

該220kV 變電站位于咸寧市崇陽縣銅鐘鄉(xiāng)馬橋村，北側(cè)距離崇陽縣約8.2km，距離杭瑞高速G56 約3.8km，東側(cè)距崇陽縣至銅鐘鄉(xiāng)的旅游公路約90m。

1.2 站址地形條件

站址地貌屬于低丘地貌，呈緩坡狀，自然地面標(biāo)高約74.12～86.39m，最大高差在12.3m 左右，南側(cè)和東側(cè)地勢(shì)相對(duì)較高，北側(cè)和西側(cè)地勢(shì)相對(duì)平緩。地表分布密集的雜樹林、杉樹林、竹林，場(chǎng)地中種植了花生、大豆等農(nóng)作物，其中有孤墳零星散布。

1.3 工程地質(zhì)條件

該站址內(nèi)巖土層主要分布有第四系上更新統(tǒng)沖洪積成因（Qel+dl）黏性土，全新統(tǒng)湖積（Q4l）淤泥，下伏（T2jl）中風(fēng)化灰?guī)r。按成因、類型、力學(xué)強(qiáng)度差異性等由上而下可分為：

（1）素填土：黑灰色，松散，稍濕，主要成分為黏性土，夾雜少許碎石和植物根系。整個(gè)場(chǎng)地均布，土層厚度在0.40～1.30m 之間。

（1-a）淤泥：黑色、褐黑色，流塑，飽和，含有大量有機(jī)質(zhì)，臭味明顯，涂層厚度0.6～1.7m。

（2-1）黏土：紅褐色，可塑，稍濕，具有紅黏土特性，層厚0.50～2.40m。主要分布于站址西北側(cè)低洼地段，位于（1）層之下。

（2-2）黏土：紅褐色，硬塑，稍濕，干強(qiáng)度較高，具有紅黏土特性，局部含少量灰?guī)r碎石。層厚0.90～13.40m。全場(chǎng)分布，位于（1）層和（2-1）層之下。

（2-3）黏土：紅褐色，可塑，稍濕，具有紅黏土特性，局部含少量灰?guī)r碎石。層厚0.50～5.00m。位于（2-2）層之下。

（2-4）黏土：紅褐色，軟塑～流塑，很濕～飽和，層厚0.50～3.80m。場(chǎng)地內(nèi)局部區(qū)域分布。

（3）灰?guī)r：青灰色，灰色，大部分為中等風(fēng)化，結(jié)構(gòu)為隱晶質(zhì)，構(gòu)造為中厚層狀?；鶐r面起伏局部變化較大。巖體較完整，巖性致密堅(jiān)硬，RC=32.2MPa，分類為較堅(jiān)硬巖，基本質(zhì)量等級(jí)劃分為Ⅲ級(jí)。巖體有一定的溶蝕現(xiàn)象，部分位置溶溝、溶槽較發(fā)育，鉆進(jìn)過程中部分孔位出現(xiàn)掉鉆、漏水現(xiàn)象。層頂埋深2.50～17.50m，本次鉆探未揭穿。最大揭露厚度為12.1m。

（3-a）溶洞：在（3）層中等風(fēng)化灰?guī)r中有大量分布，無填充或半填充軟塑～流塑狀黏土，鉆探后揭露共有9 個(gè)溶洞，消防水池和警衛(wèi)室區(qū)域。洞頂埋深6.8～16.5m，洞頂標(biāo)高68.92～76.23m，洞高0.20～3.40m。

各土層主要特性參考值如表1 所示。

表1 土層參數(shù)表

站址范圍內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)有影響的地下水主要有：上層滯水。其主要分布在場(chǎng)地黏性土層中，地下水埋深0.80～11.80m，主要通過地表水體的滲流及大氣降水補(bǔ)沖，以向低處滲流方式或大氣蒸發(fā)方式排泄，且水位高低受季節(jié)性影響較為明顯。

通過現(xiàn)場(chǎng)勘查以及現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果，站址溶槽、溶溝較多發(fā)育，部分地段存在溶洞。站址東側(cè)消防水池、事故油池和警衛(wèi)室位置，判斷為巖溶中等發(fā)育區(qū)，對(duì)于站址其他位置，判斷為巖溶微發(fā)育區(qū)。

2 總平面布置及場(chǎng)地平整

2.1 總平面布置

根據(jù)工藝要求，總平面按功能布置劃分為以下幾個(gè)分區(qū)：110kV 配電裝置區(qū)、配電裝置室區(qū)、主變?cè)O(shè)備區(qū)、220kV 配電裝置區(qū)、電容器設(shè)備區(qū)、輔助建筑區(qū)?？偲矫娌贾脠D見圖1。

圖1 總平面布置圖

2.2 場(chǎng)地平整

站區(qū)豎向布置按照常規(guī)平坡式布置，按照土石方綜合平衡的設(shè)計(jì)原則，并分析場(chǎng)區(qū)現(xiàn)有的地形地勢(shì)條件，擬定場(chǎng)地初平標(biāo)高為80.65m，終平標(biāo)高擬定為81.30m。場(chǎng)地整平后：整個(gè)場(chǎng)地基本處于半挖半填狀態(tài)，220kV 配電裝置區(qū)、110kV 配電裝置區(qū)、主變?cè)O(shè)備區(qū)、配電裝置室區(qū)均橫跨零線，而電容器設(shè)備區(qū)、輔助建筑區(qū)則分別位于填方區(qū)、挖方區(qū)。挖方區(qū)最大挖方高度約7m，采用放坡護(hù)坡方式；填方區(qū)最大填方高度約7m，采用毛石混凝土擋土墻支擋。土方平衡示意圖見圖2 所示。

圖2 土方平衡示意圖(陰影部分為填方區(qū))

對(duì)于填方較厚區(qū)域內(nèi)的建構(gòu)筑物，未經(jīng)處理的填土不能直接作為基礎(chǔ)持力層，且由于部分基礎(chǔ)下方分布有溶洞或軟弱淤泥層，需要進(jìn)行必要的地基處理。

3 地基處理方案

3.1 地基處理原則

（1）地基處理方案必須滿足工程設(shè)計(jì)要求，即滿足地基承載力、地基變形和穩(wěn)定性的技術(shù)要求；

（2）必須堅(jiān)持環(huán)保和節(jié)約資源的原則，盡量就地取材、因地制宜；

（3）除此之外，地基處理方案尚應(yīng)做到技術(shù)先進(jìn)可靠、施工方便、安全適用。

3.2 挖方區(qū)地基方案分析

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，挖方區(qū)域土層主要由(2-2)粘土層、(2-3)粘土層、(2-4)粘土層和(3)灰?guī)r層組成，其中(2-2)層、(3)層承載力較高，而中間夾雜的(2-3)層、(2-4)層則相對(duì)較弱，屬于明顯的軟臥下臥層。因此，挖方區(qū)盡量采用淺基礎(chǔ)、天然地基，并驗(yàn)算軟臥下臥層淤泥層承載力是否滿足要求。而處在挖方區(qū)的深基礎(chǔ)，如地下消防水池基礎(chǔ)，其持力層在軟臥下臥層附近，則考慮采用地基處理，處理方案結(jié)合填方區(qū)地基處理方案一并考慮。另外，挖方區(qū)局部區(qū)域地下存在溶洞，也需統(tǒng)籌考慮地基處理方案。挖方區(qū)域典型的地質(zhì)剖面見圖3。

圖3 挖方區(qū)域典型的地質(zhì)剖面

3.3 填方區(qū)地基方案分析

與挖方區(qū)不同的是，填方區(qū)地基土主要由(1)填土層、(2-1)粘土層、(2-2)粘土層、(3)灰?guī)r層組成，承載力均較好且無軟臥下臥層，但填土較厚，最大可達(dá)7m，因此需考慮地基處理。對(duì)于淺填方區(qū)，即處理深度在3m 以內(nèi)的，可進(jìn)行換填C15毛石混凝土處理。其典型地質(zhì)剖面見圖4。

圖4 填方區(qū)域典型的地質(zhì)剖面

3.4 跨越零線地基方案分析

由前述所知，挖方區(qū)、填方區(qū)地質(zhì)條件差異較大，而對(duì)不均勻沉降比較敏感的110kV 配電裝置區(qū)（含GIS 及構(gòu)架）、220kV 配電裝置區(qū)（含GIS 及構(gòu)架）則橫跨挖填零線，因此地基需進(jìn)行處理以滿足設(shè)計(jì)要求。其典型地質(zhì)剖面見圖5。

圖5 橫跨零線的典型地質(zhì)剖面

3.5 地基處理方案試選

綜上分析，本工程大部分建構(gòu)筑物均需做地基處理。結(jié)合本工程的地形、地貌及巖土工程地質(zhì)條件，以及過往的變電站工程經(jīng)驗(yàn)，備選的地基處理方法主要有：人工挖孔灌注樁、強(qiáng)夯法、PHC 管樁、沖孔灌注樁四種方案。

方案一：人工挖孔灌注樁+換填

（1）對(duì)于持力層距基底在3m 以內(nèi)的，且滿足地基設(shè)計(jì)技術(shù)要求的，可選用C15 毛石混凝土進(jìn)行超挖換填，滿足條件的有主變構(gòu)架及基礎(chǔ)、110kV 預(yù)制倉(cāng)基礎(chǔ)、接地變基礎(chǔ)、事故油池基礎(chǔ)。

（2）其余建構(gòu)筑物采用人工挖孔灌注樁。考慮到人員安全，樁徑統(tǒng)一取900mm，選用（3）中等風(fēng)化灰?guī)r為樁端持力層。

方案二：沖孔灌注樁+換填

（1）換填方案同方案一。

（2）對(duì)于220kV 構(gòu)架基礎(chǔ)、110kV 構(gòu)架基礎(chǔ)、消防水池等重要建構(gòu)筑物，樁直徑為800mm，選用（3）中等風(fēng)化灰?guī)r為樁端持力層。

（3）對(duì)于設(shè)備支架等荷載集度較輕的建(構(gòu))筑物，如220kVGIS 基礎(chǔ)、110kVGIS 基礎(chǔ)、220kV 預(yù)制倉(cāng)基礎(chǔ)等，樁直徑為600mm，同樣選用（3）中等風(fēng)化灰?guī)r為樁端持力層。

方案三：強(qiáng)夯法+樁基

（1）對(duì)于填土厚度(h＞3.0m)區(qū)域，采用4000kN·m 單擊夯擊能進(jìn)行1 層強(qiáng)夯，按兩遍進(jìn)行夯擊；對(duì)于壓實(shí)填土厚度小于3m 的區(qū)域，可選用2000kN·m 低能級(jí)繼續(xù)隔行強(qiáng)夯，隔行分兩遍實(shí)施。然后再以低能量2000kN·m 以兩遍滿夯，最終完成全部夯擊。

（2）位于填方區(qū)的重要建(構(gòu))筑物仍建議采用樁基礎(chǔ)，同時(shí)圍墻區(qū)域未進(jìn)行強(qiáng)夯，也應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。

方案四：PHC 管樁方案+換填

（1）靜壓PHC 600 A 110 管樁(抗拔樁采用PHC 600 B 110 管樁)。

（2）不同建（構(gòu)）筑物的樁基方案參考方案二，局部承載力不足時(shí)補(bǔ)充基樁數(shù)。

3.6 地基處理方案技術(shù)比較

根據(jù)以上方案，結(jié)合工程特點(diǎn)，對(duì)以上四種方案進(jìn)行技術(shù)比較，其比較結(jié)果見表2。為了確保施工人員安全，人工挖孔灌注樁最小直徑不宜小于900mm，但其用于設(shè)備支架等荷載較輕的建(構(gòu))筑物時(shí)，強(qiáng)度得不到充分利用，造成不必要的浪費(fèi)。同時(shí)湖北地區(qū)禁止在未經(jīng)壓實(shí)的填土且厚度超過3m 的場(chǎng)地，以及壓實(shí)填土厚度超過5m 的場(chǎng)地使用人孔挖孔樁。因此，從“以人為本”、安全經(jīng)濟(jì)的角度考慮，本工程不推薦采用人工挖孔灌注樁方案。而對(duì)于PHC 管樁方案，一是樁端持力層中風(fēng)化灰?guī)r為較堅(jiān)硬巖，無法直接靜壓或錘擊沉樁，需要旋挖預(yù)成孔，現(xiàn)場(chǎng)需要旋挖和靜壓兩套設(shè)備，工藝相對(duì)復(fù)雜；二是站址局部區(qū)域存在溶洞，且?guī)r面起伏較大，不利于PHC 管樁樁端、樁身穩(wěn)定。因此，本工程也不推薦采用PHC 管樁方案。

表2 地基處理方案技術(shù)比較表

3.7 地基處理方案成本比較

通過以上分析，再對(duì)沖孔灌注樁、強(qiáng)夯法+樁基進(jìn)行成本比較，如表3 所示。

表3 地基處理方案成本比較表

4 結(jié)論

從表3 可知，沖孔灌注樁方案相比強(qiáng)夯法+樁基方案，費(fèi)用略省，工期較優(yōu)。

從實(shí)際出發(fā)，本工程不推薦采用強(qiáng)夯法+樁基方案，主要原因如下：(1)深填方區(qū)主要集中在站區(qū)邊緣地帶，不利于發(fā)揮強(qiáng)夯法優(yōu)勢(shì)；(2)強(qiáng)夯施工對(duì)邊坡、擋土墻存在安全風(fēng)險(xiǎn)，且噪音會(huì)影響附近居民；(3)強(qiáng)夯周期較長(zhǎng)，工程預(yù)計(jì)在6 月份開工，正是湖北梅雨時(shí)節(jié)，施工質(zhì)量難以保證。因此本工程不推薦強(qiáng)夯法+樁基方案。

沖孔灌注樁承載力高、成孔率高、施工便捷、安全可靠、經(jīng)濟(jì)性好，能很好的適應(yīng)本工程技術(shù)要求和站址條件，有利于工程的快速開展和順利實(shí)施，因此本工程推薦采用沖孔灌注樁方案進(jìn)行地基處理。