OVPS技術特點及其在變電站建設中的應用

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.江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

在瀕臨江河湖海地區建造變電站時，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。從此真空預壓法在我國軟基加固工程中獲得了廣泛應用。

由于淤泥土顆粒較細，處于流塑～流動狀態，真空荷載下土顆粒隨水遷移，在排水體周邊形成致密土柱，產生淤堵。在排水固結過程中細小顆粒隨水移動進入濾膜，造成濾膜滲透性降低。又因為傳統真空預壓法采用真空泵—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，破壞海洋環境，還會造成嚴重霧霾，不符合國家可持續發展戰略；(2)傳統的排水板易折斷、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，增加了工程的建設成本。為此業界對此進行了深入研究，OVPS技術就應運而生。

1 OVPS技術的特點

OVPS技術能很好的解決上述問題，其核心技術為：

(1)直通技術：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、排水板與真空管網連接圖

(2)防淤堵技術：特殊的排水板濾膜材料是根據土性與濾膜孔徑關系研制而成。普通排水板的濾膜是凹凸結構，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，根據粘粒粒徑來調整濾膜孔徑；根據粘粒粘結性制成親水性濾膜，形成縱橫交錯的孔道，相互連通；同時摻入天然纖維(親水)，產生毛細現象，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，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：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，減少工后沉降(圖3)。

圖3 增壓技術工作原理示意圖

傳統排水板的固結響應范圍最小，且互不重疊，存在未響應區；防淤堵排水板的固結范圍較大，且不存在未響應區；增壓防淤堵排水板的固結范圍最大(圖4)。

圖4 排水板區固結響應范圍

(4)真空不倒翁集水系統技術：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南區變電站建設中的應用

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。地層主要由第四系全新統海積成因的黏土、淤泥、粉質黏土、粉質黏土夾粉土和粉砂等組成。各土層的主要物理力學參數見表1。

表1 土層主要物理力學性質指標

2.2 真空預壓方案設計

按文獻[6]，真空預壓的設計有以下內容。

(1)真空預壓的范圍

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

(2)膜內真空度

真空預壓的效果與密封膜內的真空度大小有關。本工程為滿足抗洪需要，場地需填高1.5 m；經真空預壓后場地會產生約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增壓式真空預壓技術，膜內能達到80 kPa的真空壓力，已大于大面積填土荷載，足以將填土荷載產生的大部分沉降在預壓過程中完成。

圖5 真空預壓加固范圍圖

(3)估算沉降值

文獻規定：“受壓層的計算深度可取附加應力與自重應力的比值為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(經驗系數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)平均固結度

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

(5)排水系統及密封措施

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短絲無紡土工布1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)預估壓縮層深度內全部受壓土層的平均固結度

以1S16鉆孔為例計算真空預壓的平均固結度，計算方法見文獻[6]。

首先根據土層的滲透系數、孔隙比和壓縮系數算出各層土的豎向固結系數和水平固結系數，再按層厚算得加權平均值。

地基豎向固結系數按層厚的加權平均值Cv=0.0441 cm2/s

地基水平固結系數按層厚的加權平均值Ch=0.1218 cm2/s。

其次根據排水板規格和布置算得井阻影響按層厚的加權平均值Fr=0.120及其余各參數。據此算出固結時間t=138d時，豎井20 m土層平均應力固結度Urz=0.98

再次根據豎井以下土層地基豎向、徑向固結系數之加權平均值和其余各參數，得到豎井以下土層的平均應力固結度Uz'=0.82。

根據豎井及其下部分土層附加應力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力固結度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力固結度值分別為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

本工程是超載預壓，應考慮超固結的影響，故要求真空預壓后上部地基土的承載力特征值從原60 kPa，提高到80 kPa，以滿足變電站內場地上的構筑物對地基承載力的要求。經工后檢測得到的承載力特征值fak=80 kPa。

3 施工及監測概況

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——埋設監測元器件——鋪設真空主管、支管——挖壓膜溝——鋪設土工布、真空膜——安裝真空泵、增壓泵及不倒翁式集水系統——真空抽氣、增壓，同時開展監測工作——監測達到穩定標準后，提交技術指標，報審核驗收，即可停止作業，24 h后開始測量沉降回彈值，持續時間10 d——拆除真空設備，清除濾水管，清理施工現場，退場。

在覆水前試抽真空，同時檢查每臺射流泵的運轉情況及真空膜的密封性，發現問題及時處理。試抽真空5～7 d，膜下真空壓力應達到0.06～0.08 MPa，膜下壓力達到80 kPa以上，開始連續抽真空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 監測概況

表2列出本次監測工作項目及監測次數。

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

表2 監測項目及次數

表3 7個測點的沉降監測值、最終沉降值及平均固結度

將各測點參照孔的平均固結度計算值U、沉降監測值A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。沉降監測值A除以C即為各測點的沉降經驗系數，取7個測點的平均值得本工程沉降計算的經驗系數ψ=0.890。用此經驗系數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 結語

本工程采用OVPS增壓式真空預壓技術取得了預期的效果。膜下真空度81 kPa以上，

經反復增壓加快了出水量。經過138天的預壓，地面沉降均超過1000 mm，7測點平均固結度的平均值為0.902，超過了預期。

真空預壓按單向壓縮分層總和法計算所得的固結沉降值不宜采用GB 50007－2011建筑地基基礎設計規范中的沉降計算經驗系數ψs。利用監測成果推算得本工程沉降計算的經驗系數ψ=0.890。

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

參考文獻：

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[2] 楊敏．220 kV高壓變電所基礎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)．

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