火電廠塔式鍋爐粘性土地基基礎設計研究

羅紅青

摘 要：火力發電廠尤其是1 000 MW超超臨界燃煤發電機機組的塔式鍋爐，具有高度高、單柱荷載大、柱間跨度大、結構體系對基礎沉降要求嚴格的特點。根據某工程的工程地質條件和塔式鍋爐的荷載及布置條件，提出了針對粘性土的天然地基方案，同時對采用筏板基礎、整片布樁和局部布樁的基礎方案進行了技術性對比，分析塔式鍋爐在非巖性地基條件下采用天然地基的所需條件及可行性，最終確定安全可靠的塔式鍋爐地基及基礎的工程應用方案，降低了基礎工程造價同時節約了工期。

關鍵詞：塔式鍋爐 地基處理 基礎設計

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0042-03

世界上大容量機組的鍋爐型式主要有∏型鍋爐和塔式鍋爐兩種爐型。在日本、美國和前蘇聯700 MW以上的超臨界和超超臨界機組采用的是∏型鍋爐。而在德國，所建的大容量機組幾乎都是塔式鍋爐。上海鍋爐廠2004年從德國ALSTON公司引進了超超臨界塔式鍋爐，具有高度高（約120 m）、荷載大（3.78萬t）、單柱荷載大（單柱約1.3萬t）、柱間跨度大（31.5 m）、沉降要求嚴格（1/2 000）的特點。

1 工程概況

該工程為安徽某地“以大代小”改擴建2×1 000 MW級機組，其鍋爐采用的是上海鍋爐廠生產的1 000 MW超超臨界機組的塔式鍋爐。

2 工程地質

2.1 地層特征及分布

地層特征及分布如下。

①素填土（Q4ml）：雜色，以粘性土為主，夾少量碎石、煤渣、混凝土塊、磚塊，多呈松散狀。局部為雜填土。層厚0.90～6.50 m，平均2.9 m。分布于局部地段。

②-1淤泥質粉質粘土（Q4l）：青灰、灰褐、灰黑、黑色，飽和～很濕，軟塑～流塑狀，含腐植質。層厚1.70～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

②-2 粉質粘土（Q4al）：灰、灰褐、灰黃色，很濕，軟塑～可塑，部分地段夾小石子和粗砂。層厚1.10～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

③粉質粘土（Q3al）：棕黃～黃褐色，濕，硬塑，局部含黑色鐵錳質膠膜及灰白～灰綠色高嶺土團塊。層厚3.40～7.30 m，平均5.1 m。分布較普遍。

④含粘性土碎石（Q2al）：黃褐、棕黃色，濕，中密～密實，碎石成分主要為石英砂巖，含量為50%～60%，粒徑一般在2～5 cm，大者10～12 cm，最大直徑達40 cm，磨圓度一般，次棱角狀～亞圓形，碎石多為中風化、較堅固；碎石間主要為棕黃色粉質粘土充填，稍濕，可塑～硬塑，粘性土含量為25%～30%。混少量砂、礫。地基土不均勻，局部地段巖性漸變為含粘性土礫石，粘性土團塊直徑達20～30 cm。層厚3.60～6.70 m，平均4.8 m。分布較普遍。

⑤泥質砂巖（R）：褐紅色、紫紅色，泥質結構，水平層狀構造。含礫石。局部地段頂部0.5～1.0 m為全風化，巖芯手捏易碎，工程性能較差；以下漸變為強風化～中等風化，力學性質較好。此層未揭穿。層頂深度10.10～14.90 m。層頂標高14.90～17.92 m。

2.2 各主要地層物理力學指標推薦值

各主要地層物理力學指標推薦值見表1、表2。

2.3 地下水條件

主廠房及鍋爐地段的地下水為上層滯水，主要接受大氣降水的補給。整體來說，水量小，對建筑物基礎和施工影響不大。

2.4 場地與地基地震效應

該工程場地50年超越概率10%的地表水平峰值加速度為81gal（0.081 g），工程場地地震基本烈度為6度，I、II級階地的動反應譜特征周期為0.40 s。

3 鍋爐地基基礎方案設計

3.1 鍋爐區域地基條件分析

根據施工圖階段的主廠房布置方案，廠房及鍋爐區域±0.00設計標高為吳淞高程26 m。結合廠區總平面布置，按照鍋爐基礎埋深-7 m計算，基礎底板均坐在④層和⑤層土上。

5#和6#鍋爐4個柱下⑤層土頂距離基礎底面（絕對標高 19.00 m）的距離見表3。

3.2 鍋爐基礎布置圖

圖1為由該院工藝專業提供的上海鍋爐廠1 000 MW超臨界塔式鍋爐基礎平面布置圖。荷載資料（略）。

3.3 地基設計參數的計算

3.3.1 相鄰關系

塔式鍋爐基礎設計布置考慮與煤倉間結構分開獨立布置，基礎沉降計算考慮周邊主廠房、集中控制樓的影響。鍋爐K1軸線距煤倉間D列柱8.00 m，根據煤倉間基礎初步設計計算，爐側最大可占用距離8-3.25=4.75 m。

由于塔式鍋爐基礎荷載的絕大部分荷載集中落在爐膛周圍的4個柱子上，以下的設計方案均是針對這4個柱子區域進行基礎設計，計算時包括了離4個柱較近的H列的4個小柱荷載，其他鋼柱柱腳為常規荷載。

3.3.2 地基承載能力特征值及其修正值

綜合考慮載荷板試驗、標貫試驗與動探試驗結果：④含粘性土碎石的地基承載力特征值取400 kPa；⑤層泥質砂巖的地基承載力特征值取400 kPa?？紤]深度修正后的基底④含粘性土碎石土的地基承載力為：

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

fa=400+0+2.2×10×（9-0.5） =588 kPa

3.4 地基及基礎的計算分析

地基和基礎方案在初步優化的基礎上，提出了4種基礎方案，并且分別進行了模擬計算和分析。4種基礎方案圖如下。

（1）天然地基—整體筏板基礎（見圖2）。

（2）樁筏基礎—大筏板局部布樁方案（見圖3）。

（3）樁筏基礎—獨立承臺基礎（見圖4）。

（4）樁筏基礎—中空樁筏基礎（見圖5）。

3.5 計算結果

上述4種方案，筏板沉降與受力、樁頂反力等情況的比較見表4～7。

4 鍋爐地基基礎方案比較

（1）天然地基方案沉降大（最大沉降68.3 mm），相鄰立柱最大沉降差為23 mm>l/2 000=15 mm?；追戳藴手档钠骄禐?90 kPa1.2，fa=706 kPa?？赡馨l生局部地基破壞。

（2）局部布樁方案的沉降較小，筏板受力也較小，但需要考慮地基土與樁共同受力，同時筏板面積大、樁數也較多，經濟指標最差。

（3）獨立承臺方案受鍋爐廠房柱基礎的限制，承臺尺寸受限、布樁也受到限制，導致樁數較少、樁反力較大（>5 000 kN），同時基礎的整體剛度小，技術指標最差。

（4）中空筏板方案筏板面積與樁數適中、沉降與沉降差小、筏板受力均勻、樁頂反力適中、筏板基礎的整體剛度也較好。

綜合比較技術指標，不推薦局部布樁方案與獨立承臺方案，天然地基—整體筏板基礎方案與樁筏基礎—中空筏板方案較優。

5 優選方案的經濟比較

根據以上的推薦意見，我們對天然地基—整體筏板方案、樁基—中空筏板基礎方案進行了經濟比較，見表8（比較中不含土方的工程量。

6 結語

綜上所述，從可靠度和工期的角度考慮，天然地基—整體筏板基礎方案與樁筏基礎—中空筏板方案較優。

中空筏板方案筏板面積與樁數適中、沉降與沉降差小、筏板受力均勻、樁頂反力適中、筏板基礎的整體剛度也較好。但是樁基的施工周期較長，現場施工難度大，僅試樁、養護、檢測就需要4～6個月的施工周期，存在一定的適用條件。

天然地基筏板方案施工方法簡單，費用稍低，但是筏板角部存在局部應力集中的現象，可以調整筏板剛度或者設置砂礫石墊層等措施加以避免，也是可行的設計方案。

參考文獻

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