山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站地基沉降分析及處理

劉宇平 張秉來 甘生軍 梁全錄 余 燾

(青海省電力設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810008)

山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站地基沉降分析及處理

劉宇平 張秉來 甘生軍 梁全錄 余 燾

(青海省電力設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810008)

根據(jù)山區(qū)某變電站的工程場地條件和周圍環(huán)境情況，分析了變電站不均勻沉降的主要原因，選擇高壓噴射注漿法地基處理方案，并提出了山區(qū)復(fù)雜場地變電站地基處理的具體措施和防護(hù)意見，以期為類似工程提供參考。

山區(qū)復(fù)雜場地，變電站，地基沉降，高壓噴射注漿法

近年來，隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模興建，城市用地日益緊缺，變電站的選址也愈加困難，使得大量變電站工程只能依山而建。由于山區(qū)本身地質(zhì)條件復(fù)雜，變電站回填土一般均就地取材，填料工程性質(zhì)一般較差，常造成山區(qū)變電站地基不均勻沉降[1]。由此導(dǎo)致變電站建(構(gòu))筑物變形和電力設(shè)備的損壞，進(jìn)而導(dǎo)致變電站無法正常運(yùn)行，甚至造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對于山區(qū)復(fù)雜場地變電站不良地基處理已成為電力工程領(lǐng)域在變電站建設(shè)中的關(guān)鍵研究課題。

本文依托山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站工程，分析山區(qū)變電站地基不均勻沉降的成因，并介紹了山區(qū)變電站不良地基的處理方法，可為今后山區(qū)變電站的建設(shè)提供借鑒。

1 概述

1.1 工程概況

本文山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站始建于2012年，高程為2 630 m～2 634 m。變電站主體為磚混結(jié)構(gòu)，平面尺寸為40 m×19 m，回填區(qū)面積約占總面積30%，回填區(qū)最大深度為5.0 m。在2013年5月發(fā)現(xiàn)站區(qū)東北側(cè)地面局部有少量下沉。2014年11月一繼電保護(hù)室出現(xiàn)地表沉降，高壓室墻體出現(xiàn)斜向裂縫，且裂縫已發(fā)展穩(wěn)定。2015年12月，該山區(qū)變電站東北角的繼電保護(hù)室、高壓室地基發(fā)生沉降變形，沉降量約為30 mm～70 mm，其中變電站大門兩側(cè)沉降量達(dá)到60 mm。繼電保護(hù)室、高壓室墻體及室外東北角兩側(cè)的圍墻裂縫斜向發(fā)展明顯，墻體裂縫均呈現(xiàn)出中間寬大、兩邊窄的特征，其他主變及開關(guān)柜處有不同程度的沉降，已影響到變電站的正常運(yùn)行，故急需對該山區(qū)變電站地基進(jìn)行處理。

1.2 地形地質(zhì)條件

該站址區(qū)地貌上屬黃河階地地貌，微地貌為沖洪積扇邊緣，地形起伏較大，總體上呈東南高西北低之勢，地勢較開闊。在勘察深度范圍內(nèi)場地地基土上部主要由第四系沖洪積形成的圓礫，其中夾呈透鏡體狀分布的粉土薄層，其下為粉土，局部夾薄層透鏡體圓礫，主要地層自上而下分別為：1)第①層圓礫，該層厚度3.9 m～7.8 m，平均厚度6.4 m；2)第②層粉土平均厚度1.0 m;3)第③層卵石，底層深度16 m～20 m。

該場地東南側(cè)有自東南向西北的沖溝發(fā)育，雨季多匯集山洪，沖溝為泥石流沖溝，溝深50 mm～80 mm，寬度約18 m～30 m。該沖溝直接在場地中央通過，場地處為泥石流堆積區(qū)，沖溝對場地的安全影響大。本場地?zé)o濕陷性黃土。現(xiàn)場勘察揭露最大勘探深度16.70 m內(nèi)均未見到地下水，根據(jù)周邊場地調(diào)查及附近勘察資料了解，地下水埋深在30 m以下，該站址擬建區(qū)域不受地下水影響。

2 地基沉降原因

2.1 超挖回填不當(dāng)

據(jù)現(xiàn)場踏勘了解，現(xiàn)場地質(zhì)情況良好，與勘察地形地貌，地質(zhì)巖性相符，①層圓礫、③層卵石分布穩(wěn)定，承載力較高，完全滿足構(gòu)筑物基礎(chǔ)承載力及變形要求。但建設(shè)施工時(shí)又存在超挖現(xiàn)象，超挖深度約2.0 m，超挖最大深度為5.0 m，沉降最為嚴(yán)重處為施工期超挖最多區(qū)域。由于變電站選址在半山坡的沖積平地，地形高差大，變電站地基超挖后只做松散回填，新近填土土層深且分布廣而厚度不均，壓實(shí)不夠密實(shí)。施工后期又未采取有效的加固措施，致使土層壓實(shí)系數(shù)達(dá)不到要求，結(jié)構(gòu)疏松、承載力小，地基填土在荷載作用下，地基承載力遠(yuǎn)小于基底壓力，從而產(chǎn)生沉降，影響變電站上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，導(dǎo)致電力設(shè)備和管線遭受破壞，甚至引發(fā)電力安全事故。

2.2 站區(qū)內(nèi)排水不暢

變電站位置處在黃河邊沖洪積扇扇緣，容易形成匯水。近幾年，地區(qū)降雨量普遍增加，加之變電站排洪溝部分已損毀嚴(yán)重，站區(qū)內(nèi)原有場地密實(shí)度差異較大，部分地方存在孔洞，下雨時(shí)有部分雨水從地表滲入變電站地基土中，地基土中的細(xì)顆粒土隨地下水流失，使孔隙增大，承載力變小，然后地基土慢慢隨承載力增加和自重影響，徐變密實(shí)，孔隙比減小，造成變電站地基發(fā)生不均勻沉降，站內(nèi)路面凹凸不平，進(jìn)而影響到變電站建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定。

2.3 原地基處理效果不理想

由于變電站選址在半山坡的沖積平地，地形高差大，由于新近人工填土和天然地基部分強(qiáng)度不同，壓實(shí)系數(shù)很難控制，造成工程竣工后填方區(qū)地基發(fā)生輕微沉降。經(jīng)現(xiàn)場巖土工程補(bǔ)勘證實(shí)，該變電站在原施工過程中地基土強(qiáng)夯處理深度不均勻或處理效果不理想，站內(nèi)墊層十分松散，未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而加速了站內(nèi)建(構(gòu))筑物發(fā)生不均勻沉降。此外，由于原施工質(zhì)量為達(dá)到設(shè)計(jì)要求，高壓配電室、繼電保護(hù)室等部分建筑物飾面出現(xiàn)空鼓、脫落和裂縫現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)部位依然可見蜂窩、麻面等質(zhì)量缺陷，雖為一般質(zhì)量缺陷，但在外部環(huán)境長期作用下，容易引起變電站結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性降低，影響變電站的正常運(yùn)行和使用。

3 加固處理方案

地基處理的方法多種多樣，各處理方法有其相應(yīng)的適用范圍。結(jié)合本工程的場地地質(zhì)條件和實(shí)際特點(diǎn)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、適用范圍、施工條件和預(yù)處理效果等方面全面考慮[2]，首先確定了3種地基處理方案，然后從適用范圍、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、工期要求及優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行對比，最終確定采用高壓噴射注漿法地基處理方案。

3.1 地基加固處理方案比選

方案一:基礎(chǔ)加寬托換。

基礎(chǔ)加寬托換法的方法原理是通過加寬基礎(chǔ)以增大基礎(chǔ)面積，有效減小作用在基底的接觸壓力，從而降低地基上的附加應(yīng)力，使基礎(chǔ)的沉降量減小或滿足地基的承載力和基礎(chǔ)變形要求。基礎(chǔ)加寬托換法一般采用在原基礎(chǔ)單側(cè)或雙側(cè)設(shè)置錨筋新做基礎(chǔ)，以加寬基礎(chǔ)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、施工方便、估算投資費(fèi)用低。缺點(diǎn)是新做基礎(chǔ)與舊基礎(chǔ)界面連接不可靠，無縫對接難度大，基礎(chǔ)界面易發(fā)生開裂和剝離，影響基礎(chǔ)加寬托換后的抗拉、抗剪性能，且施工工期長[3]。

本工程中為增強(qiáng)地基加固效果，建議采用植筋法連接新做基礎(chǔ)與舊基礎(chǔ)界面，從而有效提高新舊結(jié)構(gòu)界面的共同工作性能和基礎(chǔ)咬合力。條形基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20[4]，改進(jìn)后的基礎(chǔ)加寬托換法如圖1，圖2所示。

方案二：樁基加固法。

樁基加固法是在基礎(chǔ)底部或基礎(chǔ)側(cè)面新做樁，將上部荷載傳到強(qiáng)度高[4]、壓縮性小的土層中，從而起到加固地基的作用。本工程選③層圓礫層作為樁端持力層，每臺主變壓器基礎(chǔ)周邊布置挖孔樁，在高壓室、控制室基礎(chǔ)內(nèi)、外兩側(cè)布置鋼筋混凝土灌注樁。樁基加固法的優(yōu)點(diǎn)是加固效果穩(wěn)定、耐久性好、適用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是估算成本高、施工繁瑣、工期難以保證。

方案三:高壓噴射注漿(高壓旋噴樁)法。

高壓噴射注漿法是利用鉆機(jī)等設(shè)備，以高壓設(shè)備將20 MPa以上的射流通過帶有噴嘴的注漿管噴射到既有建(構(gòu))筑物預(yù)定深度土體中，沖擊破壞土體，使水泥漿與土體攪拌混合，形成連續(xù)的水泥固結(jié)體，提高地基的承載能力。該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡單、施工設(shè)備少、加固效果穩(wěn)定、耐久性較好、施工工期短，適用于各種土層。缺點(diǎn)是估算成本較高[5]。

經(jīng)綜合分析，從適用范圍、工期、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及其各自的優(yōu)缺點(diǎn)等方面，鑒于高壓注漿法(高壓旋噴樁)在工期、加固效果、實(shí)用性等方面的優(yōu)勢，本工程地基處理方法采用方案三。

3.2 工程問題處理方案研究

1)高壓室、控制室及電纜溝地基。

考慮到高壓室、控制室及電纜溝等處地基承受荷載為靜載，且有電氣設(shè)備運(yùn)行，地基處理不宜對既有建(構(gòu))筑物地基造成過大擾動(dòng)，本工程采用高壓噴射注漿法處理地基。通過對各土層力學(xué)性質(zhì)、密實(shí)性、地基承載力和壓縮模量等分析，本階段高壓旋噴樁以稍密的卵石層作為樁端持力層，樁徑為d=600 mm，樁長L=1 000 mm～1 500 mm，建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)樁間距采用2 000 mm，主變基礎(chǔ)范圍內(nèi)樁間距為4 000 mm，其他站內(nèi)區(qū)域按1 100 mm設(shè)計(jì)，分散式布樁。高壓旋噴樁加固方案及布樁方式見圖3，圖4。

2)墻體裂縫。

a.高壓室、控制室開裂墻面。

由前期變形監(jiān)測可知，高壓室、控制室墻面裂縫變形已趨于穩(wěn)定，對墻體裂縫寬度小于3 mm的裂縫可采用壓力灌漿方法進(jìn)行修補(bǔ)，并沿裂縫方向粘貼纖維復(fù)合材料，并用水泥砂漿抹平。實(shí)際裂縫寬度大于5 mm的裂縫可采用水泥砂漿灌漿加固，最后對墻體重新粉刷。

b.室外圍墻。

對于東北角兩側(cè)室外圍墻，由于墻體局部發(fā)生沉降變形，不影響圍墻的穩(wěn)定性、安全性，可采用高壓注漿方式處理，將泥漿和砂石攪拌固化后形成復(fù)合地基，從而使地基結(jié)構(gòu)趨于致密，從而提高地基的承載力。本工程圍墻開裂是由于基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的磚墻裂縫，因此，現(xiàn)場幾處裂縫并不會引起墻柱的強(qiáng)度和剛度問題，也不影響圍墻整體的穩(wěn)定性、安全性，不需要加固補(bǔ)強(qiáng)處理，待沉降穩(wěn)定后，用水泥砂漿和碳纖維布做修補(bǔ)處理即可。

3)站區(qū)內(nèi)道路。

本工程站內(nèi)道路路面開裂是由于基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生，且沉降比較均勻，不影響站內(nèi)道路的使用，對道路裂縫灌漿抹平即可。

4)其他。

由于本工程場地附近有沖溝發(fā)育，建議在整體防洪處理的基礎(chǔ)上，在本場地東南側(cè)修筑必要的防洪擋土墻與排洪溝，以防止泥石流及洪水對場地的影響。對站內(nèi)既有排水設(shè)施進(jìn)行檢查修復(fù)，做到有強(qiáng)降雨時(shí)排水通暢，防止站內(nèi)積水引起地基不均勻沉降。

4 結(jié)語

本文結(jié)合山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站地基沉降分析及處理的工程實(shí)踐，介紹了山區(qū)變電站不均勻沉降地基處理方法及要領(lǐng)。沉降觀測結(jié)果顯示，加固后該變電站運(yùn)行良好，不會引發(fā)新的不均勻沉降。

通過對本工程地基沉降事故的分析與處理，可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

1)山區(qū)復(fù)雜場地變電站應(yīng)慎重選擇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，特別要注意高填方地基工后的變形及穩(wěn)定性問題。山區(qū)變電站地基全部就地取材，填方填料主要由不同粒徑的碎石和土混合組成，具有良好的工程性質(zhì)，但由于對山區(qū)復(fù)雜場地地基土回填壓實(shí)性能和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)深入的研究成果，易造成地基不均勻沉降[6]。

2)山區(qū)變電站回填地基要進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性驗(yàn)算，密切關(guān)注不良地質(zhì)作用，并對站區(qū)內(nèi)防護(hù)設(shè)施定期進(jìn)行檢查修復(fù)，以防突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害對變電站的影響。

3)本文以山區(qū)復(fù)雜場地某110 kV變電站地基沉降實(shí)踐工程為例，利用高壓噴射注漿法在卵石土層中加固地基效果良好，可為類似工程參考借鑒。

[1] 王利軍,錢德玲.運(yùn)用填筑控制技術(shù)解決山區(qū)復(fù)雜場地變電站的地基礎(chǔ)處理[J].科技信息,2012(29)：189-190.

[2] 秦佳寧,秦世鵬.變電站不良地基處理[J].紅水河,2010(3)：67-68.

[3] 龔曉南.地基處理手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

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

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

[6] 賀廣零,李倩妹.山區(qū)變電站高填方地基工后沉降分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007(4)：112-113.

Analysisandtreatmentoffoundationsettlementofa110kVsubstationincomplexmountainousarea

LiuYupingZhangBinglaiGanShengjunLiangQuanluYuTao

(ElectricPowerDesignInstituteofQinghaiProvince,Xining810008,China)

According to the site conditions and the surrounding environment of the transformer substation in mountainous area, analyzed the main causes of uneven settlement of substation, choose the method of high pressure jet grouting treatment scheme, and puts forward the treatment measures and protection opinions of foundation settlement of the substations in complex mountainous area, which can provide reference for similar engineering.

complex mountainous area， transformation substation， ground settlement， high pressure jet grouting method

2017-01-15

劉宇平(1991- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)35-0065-03

TU433

A