燃煤電廠主廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分析

燃煤電廠主廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分析

丁欣平

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院,石家莊050031)

摘要：根據(jù)廠區(qū)地質(zhì)情況和各建筑物使用要求，從主廠房基礎(chǔ)荷載、主廠房的基礎(chǔ)埋深分析主廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并從基礎(chǔ)持力層的確定、承載力條件及基礎(chǔ)型式對3種主廠房地基方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終分析確定獨(dú)立和條形基礎(chǔ)相結(jié)合的方案技術(shù)可行，并具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：荷載分析；地基處理；濕陷性黃土；天然地基場地地層在水平和垂直方向的分布總體上比較均勻，各層地基土之間相變過渡，在層厚上存在著明顯的互補(bǔ)性。

收稿日期：2014-10-05

作者簡介：丁欣平(1963-)，女，高級工程師，主要從事火電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1001-9898(2015)01-0001-04

Abstract：According to the geological condition of premises and the building use requirements, this paper analyzes the main building project structure from the main building base load and the main building base depth of burial, analyzes and compares technical and economic of the three main projects foundation projects through base load confirmation, bearing capacity and base type analysis, and confirms the projects is feasible combined with single and strip-type base, and has more economics.

Coal-fired Power Plant Main Building Foundation Design Scheme Analysis

Ding Xinping

(Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

Key words：load analysis;foundation treatment;collapsible loess;natural foundation

1工程地質(zhì)情況介紹

1.1　地質(zhì)巖性及物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)本次勘測資料及區(qū)域資料，站址區(qū)地層為第四系沖積地層，巖性主要以黃土狀粉土、粉土、粉質(zhì)粘土及砂層為主。按地層巖性及物理力學(xué)性質(zhì)，將廠址地表下40 m勘探深度范圍內(nèi)的地層自上而下分為9層。各層巖性特征為：

①黃土狀粉土：本層廣泛分布于廠址表層，厚度1.70～3.80 m，層底埋深1.80～3.80 m，層底標(biāo)高55.81～55.89 m。本層壓縮系數(shù)a1～2=0.297 MPa-1，為中等壓縮性土。本層具有濕陷性。

②黃土狀粉土：本層厚度0.70～2.50 m，層底埋深4.00～5.00 m，層底標(biāo)高51.18～52.10 m。本層壓縮系數(shù)a1～2=0.383 MPa-1，為中等壓縮性土。本層具有濕陷性。

③粉土：本層厚度0.50～2.10 m，底板埋深5.00～7.00 m，底板標(biāo)高50.27～51.66 m。本層壓縮系數(shù)a1～2=0.233 MPa-1，為中等壓縮性土。

④粉土：本層厚度1.30～6.00 m，底板埋深7.50～11.50 m，底板標(biāo)高45.56～49.65 m。本層壓縮系數(shù)a1～2=0.158 MPa-1，為中等壓縮性土。

⑤粉細(xì)砂：本層厚度1.20～8.00 m，底板埋深11.30～17.30 m，底板標(biāo)高39.46～45.39 m。

⑥粉土：本層壓縮系數(shù)a1～2=0.193 MPa-1，為中等壓縮性土。

⑦中粗砂：本層厚度13.00～17.30 m，底板埋深28.20～34.10 m，底板標(biāo)高23.18～28.73 m。

⑧粉土：本層厚度1.90～8.30 m，底板埋深35.30～38.80 m，底板標(biāo)高18.38～21.76 m。本層壓縮系數(shù)a1～2=0.201 MPa-1，為中等壓縮性土。

⑨粉質(zhì)粘土：本層壓縮系數(shù)a1～2=0.196 MPa-1，為中等壓縮性土。本層未揭穿，本次勘測該層最大揭露厚度4.70 m。

1.2　建筑場地類別及場地地震效應(yīng)

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，擬建場地土類型中硬土，建筑場地類別屬Ⅱ類建筑場地。考慮到本場地地形地貌條件和地層分布的特點(diǎn)，綜合判定場地屬于可進(jìn)行建設(shè)的一般場地。

依據(jù)《中國動參數(shù)區(qū)劃圖》，場地基本地震加速度值為0.10 g，對應(yīng)的地震基本烈度為7度，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)地震分組為第一組,設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s。

項(xiàng)目建設(shè)場地地震安全性評價報告結(jié)論為：場地土為中硬土，建筑場地類別屬Ⅱ類。廠址50年超越概率10%的設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.097 g，地震基本烈度為7度。

2電廠主廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某熱電廠一期工程裝機(jī)為2臺300 MW機(jī)組，于2010年建成投產(chǎn)，2011年并網(wǎng)發(fā)電。留有二期工程在現(xiàn)有廠區(qū)的東部擴(kuò)建余地，建設(shè)規(guī)模為2臺300 MW，配2臺燃煤鍋爐、除塵、煙氣脫硫設(shè)施及其它相關(guān)的附屬設(shè)施。

一期工程新建2臺300 MW國產(chǎn)亞臨界燃煤供熱機(jī)組，汽輪機(jī)房和煤倉間采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鍋爐爐架為全鋼結(jié)構(gòu)，主廠房(包括鍋爐房)對地基承載力和變形控制要求高。

2.1　主廠房的基礎(chǔ)荷載(表1)

表1主廠房的基礎(chǔ)荷載

名 稱豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值/kN換熱站3475~9880汽輪機(jī)間(A列)柱腳3830~8300汽輪機(jī)間(B列)柱腳9870~16100煤倉間(C列)柱腳9950~15290汽輪機(jī)平臺柱腳1130~5500鍋爐3580~12500

2.2　主廠房的基礎(chǔ)埋深

主廠房±0.00 m標(biāo)高相當(dāng)于絕對標(biāo)高58.10 m。一般情況下，300 MW機(jī)組的主廠房基礎(chǔ)埋置深度-5 m左右，鍋爐基礎(chǔ)埋深-5 m。主廠房地段建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深及地質(zhì)剖面見圖1。

3主廠房地基方案的選擇

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)燃煤電廠主廠房地基均勻，且無軟弱下臥層存在，地基承載力特征值滿足表2時，一般可采用天然地基。需要注意的是：地基主要持力層指基礎(chǔ)地面下深度為3b(b為基礎(chǔ)底面寬度)，且厚度不小于5 m的范圍；不包括濕陷性黃土；表3中單機(jī)容量600 MW一項(xiàng)的主廠房，其主要承重結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)。

圖1　主廠房地段建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)埋深及地質(zhì)剖面

表2主廠房可采用天然地基的地基承載力參考表

單機(jī)容量/MW主要持力層的地基承載力特征值fak/kPa50~100≥220200~300≥270600≥300

根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段巖土勘測報告，主廠房基礎(chǔ)埋深處的土層位于②層黃土狀粉土上。②層黃土狀粉土地基承載力特征值110 kPa，具有Ⅰ級非自重濕陷性；不能滿足主廠房(甲級)基礎(chǔ)要求。

表3不同階段地基處理造價方案

設(shè)計(jì)階段地基方案選擇處理費(fèi)用/萬元備注可行性研究人工挖孔灌注樁890限制使用初步設(shè)計(jì)長螺旋壓力灌注樁復(fù)合地基960施工圖設(shè)計(jì)天然地基(或換填處理)無(或150)

其中可行性研究階段采用人工挖孔灌注樁(非本院設(shè)計(jì))。因人工挖孔灌注樁已經(jīng)被河北省列為限制使用的地基處理方式，其安全性很難保證。在河北某電廠施工時也曾經(jīng)發(fā)生孔塌埋人的事故，故本工程不采用此方法。初步設(shè)計(jì)階段地基處理方案選用了鉆孔灌注樁、長螺旋壓力灌注樁復(fù)合地基以及鋼筋混凝土預(yù)制樁進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)比較，由于復(fù)合地基能充分發(fā)揮樁間土的強(qiáng)度，從而節(jié)省地基處理費(fèi)用(造價低)，且施工方便、安全，成為初步設(shè)計(jì)階段首選。當(dāng)進(jìn)入施工圖階段后，已有詳細(xì)的巖土勘測資料，如能采用天然地基，對降低造價和縮短工期非常有利。

3.1　基礎(chǔ)持力層的確定

主廠房±0.00 m標(biāo)高相當(dāng)于絕對標(biāo)高58.10 m。一般情況下，主廠房大部分基礎(chǔ)埋置深度-5 m左右，鍋爐基礎(chǔ)埋深-5 m，基礎(chǔ)的持力層位于②層黃土狀粉土上。②層黃土狀粉土，地基承載力特征值110 kPa，具有Ⅰ級非自重濕陷性；③層粉土，地基承載力特征值160 kPa；④層粉土，地基承載力特征值310 kPa。主廠房基礎(chǔ)壓縮層范圍內(nèi)，上述③層、④層土工程性能良好，可以作為主廠房基礎(chǔ)的持力層。主廠房(包括汽輪發(fā)電機(jī)基座、鍋爐構(gòu)架、集中控制樓)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級是甲級，建筑物分類為甲類，根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》第6.1.1條，需要全部消除濕陷。處理方案如下：

方案一：對基礎(chǔ)下的②層黃土狀粉土采用換填灰土墊層法進(jìn)行處理，基礎(chǔ)埋深-5.0 m，換填2 m厚灰土墊層，墊層主要位于③層粉土上。

方案二：基礎(chǔ)位于③層粉土上，地基承載力特征值160 kPa，埋深最深至-6.5 m左右；由于地基承載力較低，故采用換填1 m厚灰土墊層，墊層已經(jīng)位于④層粉土上。

方案三：增加基礎(chǔ)深度，直接利用④層粉土，此層土的地基承載力特征值310 kPa，埋深最深至-7.5 m左右。

由以上處理方案可以設(shè)計(jì)3種不同基礎(chǔ)埋深方案供選擇，見表4。

表43種不同基礎(chǔ)埋深方案

基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)埋深/m地基土的承載力特征值/kPa基礎(chǔ)形式地基處理情況方案一-5.0110片筏及十字條形基礎(chǔ)灰土墊層方案二-6.5160片筏及條基灰土墊層方案三-7.5310獨(dú)基及條基不需要

3.2　承載力條件及基礎(chǔ)型式

3.2.1承載力條件

方案一：按基底埋深5 m考慮，基礎(chǔ)位于②層黃土狀粉土，換填2 m厚灰土墊層，灰土地基的承載力特征值按fak=250 kPa,按JGJ 79-2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行深度修正，有：fa=fak+ηdγmd=250+1×20×2=290 kPa，(式中：fa為修正后的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηd為基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)，換填取1.0；γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，換填取2.0；d為基礎(chǔ)埋置深度，換填取2 m)。

由于換填土位于-7.0 m，下部還有部分軟弱下臥層，對基礎(chǔ)的沉降不利，特別是汽輪機(jī)基礎(chǔ)下部土層不均勻，有部分砂夾層，如果粉土遇水土體發(fā)生破壞會造成不均勻沉降，對汽輪機(jī)及電機(jī)運(yùn)行不利。

方案二：按基底埋深6.5 m考慮，基礎(chǔ)的持力層為③層粉土，按勘測報告中所給出的數(shù)據(jù)，該層的地基承載力特征值fak=160 kPa,按GB 5007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》所給出的公式進(jìn)行修正：fa=fak+ηdγm(d-0.5)，(式中：ηd取1.5；γm取18 kPa；d取6.5 m。)

fa=160+1.5×18×6=322 kPa，換填土位于-7.5 m，開挖深度同方案三，從方案三角度看，換填出來的地基承載力特征值基本等同于④層粉土的地基承載力特征值fak=310 kPa,處理意義不大。

方案三：按基底埋深7.5 m考慮，基礎(chǔ)的持力層為④層粉土，按勘測報告中給出的數(shù)據(jù)，該層的地基承載力特征值fak=310 kPa,按GB 5007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》所給出的公式進(jìn)行深度修正有：fa=fak+ηdγm(d-0.5)，(式中：ηd取1.5；γm取18 kPa；d取7.5 m)，因此fa=310+1.5×18×7=499 kPa。

對比地基處理方案的結(jié)果比較明顯，方案三采用天然地基，承載力高，且沒有地基處理費(fèi)用，又節(jié)省了地基處理的工期，是最優(yōu)方案。

3.2.2上部基礎(chǔ)

根據(jù)工藝布置情況，按工藝提供的主廠房荷載，在對主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，對主廠房基礎(chǔ)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算及布置。

對于方案一，需要采用片筏基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)，根據(jù)基礎(chǔ)埋置深度，本工程主廠房煤倉間布置的磨煤機(jī)為雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，機(jī)型較大，位于2個11 m跨之間，基礎(chǔ)梁高2～2.75 m，影響磨煤機(jī)布置，故宜加大深度；且當(dāng)采用換土墊層時，由于墊層的厚度影響，主廠房開挖也必須到-7.0 m(-5.0 m埋深并考慮2 m墊層厚度)。方案二，由于地基承載力不高，需要地基處理，提高地基的承載力，換填碎石或灰土厚度1 m以上，開挖深度已到-7.5 m，如果墊層厚度小于1 m，仍然需要采用片筏基礎(chǔ)及十字交叉條形基礎(chǔ)；承載力及沉降才能滿足要求。方案三，雖然比方案二埋深加大1 m，但采用天然地基，隨著地基承載力的大大提高，可以采用條形基礎(chǔ)及單獨(dú)基礎(chǔ)。基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)，減少工程量的同時，降低了造價，由于主廠房占地空間大，采用片筏基礎(chǔ)及十字交叉條形基礎(chǔ)時造價增加很多，方案三相對其它2個方案，它以單獨(dú)基礎(chǔ)為主，條形基礎(chǔ)為輔，能夠大量節(jié)省基礎(chǔ)的投資，相對其它方案是最優(yōu)的。方案三的主廠房基礎(chǔ)布置圖見2。

圖2　主廠房基礎(chǔ)布置圖(截選部分)

由圖2可知，主廠房采用天然地基，基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)是完全可行的，而且柱子長度增加的混凝土量也不大。

3.3　變形條件

從地層條件分析，③層粉土，壓縮系數(shù)a1～2=0.233 MPa-1，為中等壓縮性土，e-p曲線見圖3。④層粉土，壓縮系數(shù)a1～2=0.158 MPa-1，為中等壓縮性土，e-p曲線見圖4。

⑤層粉細(xì)砂，中密，壓縮量很小。⑥層粉土，壓縮系數(shù)a1～2=0.193 MPa-1，為中等壓縮性土，為一薄夾層，厚0～1.2 m。第7層中粗砂：中密，壓縮量很小。

圖3　③層粉土 e- p曲線

以上分析可見，主廠房等主要建筑位于③層、④層粉土上，其土體壓縮系數(shù)變化不大，沉降量應(yīng)能夠滿足要求。

為對地基的沉降變形進(jìn)行定量評價，根據(jù)初步設(shè)計(jì)提供的荷載對主廠房煤倉間的地基沉降進(jìn)行計(jì)算如下。

圖4　④層粉土 e- p曲線

由于方案一與方案二基本相同，因此現(xiàn)以方案二片筏基礎(chǔ)為例進(jìn)行計(jì)算，沉降計(jì)算結(jié)果見表5。

表5方案二沉降計(jì)算結(jié)果 mm

項(xiàng)目最大沉降最小沉降平均沉降B列957484.5C列836674.5

由表5可見，沉降小于規(guī)范規(guī)定的200 mm。

方案三：寬5 m條形基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果見表6。

表6方案三沉降計(jì)算結(jié)果 mm

項(xiàng)目最大沉降最小沉降平均沉降B列133.496114.7C列11387100

由表6可見，沉降小于規(guī)范規(guī)定的200 mm。

4技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

對3種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

見表7，此次比較僅計(jì)算汽輪機(jī)房，包括汽輪機(jī)房披屋但不包括鍋爐及集控樓等。

表73種方案經(jīng)濟(jì)性對比mm

方案種類基礎(chǔ)埋深基礎(chǔ)型式基礎(chǔ)工程量/m3基礎(chǔ)費(fèi)用/萬元備注(地基處理)總費(fèi)用/萬元方案一-5m片筏及十字條基9800784灰土墊層2m厚,費(fèi)用150萬元1024方案二-6.5m片筏及條基8100648灰土墊層1m厚,費(fèi)用80萬728方案三-7.5m條基及獨(dú)基5900472472

綜上所述，主廠房采用方案三，即獨(dú)立和條形基礎(chǔ)相結(jié)合，技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)性可觀。

5結(jié)束語

綜上所述， 主廠房采用方案三，采用天然地基，并且獨(dú)立和條形基礎(chǔ)相結(jié)合，減少了樁基費(fèi)用，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯。對于火力發(fā)電廠而言，由于廠房的體積很大，而地基和基礎(chǔ)造價占總造價的1/3還多，優(yōu)化地基和基礎(chǔ)，對減小工程總造價有非常重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3]JGJ 79-2012,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4]GB 50011-2012，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB 18306-2001，中國動參數(shù)區(qū)劃圖[S].

本文責(zé)任編輯：丁力