塔式鍋爐與П型鍋爐在軟土條件下地基基礎對比分析

馬駿驤

（中國電力工程顧問集團 華東電力設計院有限公司，上海 200063）

隨著國力的提升和科技的發展，國內火力發電廠技術也日益進步與成熟，單臺機組裝機容量從300 MW 到600 MW，再到1 000 MW，乃至即將問世的1 350 MW。鍋爐作為火力發電廠最重要的設備之一，也經歷了從小到大，從落后到先進的發展過程。對于大容量火電煤粉鍋爐，常用的爐型包括塔式鍋爐與П型鍋爐兩種。

從工藝角度對兩種爐型的對比分析已多有研究[1]，但在工程前期進行鍋爐選型決策時，決策者不僅關心鍋爐設備的可靠性和經濟性，也需同時考慮不同爐型對應的地基基礎方案及造價的差別。尤其是在軟土地基條件下，地基處理的工程費用往往較大。本文以在軟土地基條件下的某電廠項目為例，對此進行對比分析，以供參考。

1 項目背景

1.1 項目概況

項目總裝機容量4 × 1 000 MW，分兩期建設。一期工程2 × 1 000 MW 機組分別于2007 年12 月、2008 年4 月投運，采用П型鍋爐；二期工程2 × 1 000 MW 機組分別于2015年9 月、2016 年1 月投運，采用塔式鍋爐。

1.2 項目地質條件

根據現場勘察資料，地層大致劃分為：

①填土：上部部分為雜色粉質黏土夾碎石，往下為黃色吹填砂，松散。

②粉質黏土：褐黃色～黃色，軟塑～可塑，很濕，含少量鐵錳質、貝殼及腐殖質，局部夾黏土，部分缺失。

③淤泥質粉質黏土：灰色～黃灰色，流塑，飽和，含云母及腐殖質，局部夾粉質黏土、粉土及粉砂，呈千層餅狀。

④1 粉砂：灰色，松散，飽和，含云母及少量粉質黏土，為一透鏡體。

④2 粉質黏土與粉土互層：灰色，軟塑～流塑，很濕；粉土為灰色，稍密，很濕，含云母，夾淤泥質粉質黏土、粉砂，局部為粉土。

⑤粉砂：灰色，稍密～中密，局部上部為松散，飽和，含云母及腐殖質，夾薄層粉質黏土、粉土、細砂。

⑥1 粉質黏土：灰色，軟塑～可塑，很濕，含少量云母、貝殼及腐殖質，局部夾淤泥質粉質黏土、黏土、粉土及粉砂，局部缺失。

⑥2 粉質黏土夾粉砂：灰色，軟塑～可塑，很濕，粉砂為灰色，稍密～中密，飽和，局部為粉砂夾粉質黏土，含云母及腐殖質，局部缺失。

⑦1 粉砂：灰色，中密～密實，飽和，含云母，含少量粉質黏土、貝殼及腐殖質，含細砂。

⑦2 粉細砂：灰色，密實，飽和，含云母，含少量粉質黏土、貝殼及腐殖質，含粉砂。

⑧中粗砂：灰色，密實，飽和，含云母，含少量粉質黏土及腐殖質，含粉砂、細砂、礫砂。

⑨細砂：灰色～青灰色，密實，飽和，含少量粉質黏土、云母及腐殖質。

1.3 項目其他設計條件

基本風壓：0.40 kN·m-2(50 年一 遇)；0.45 kN·m-2(100 年一遇)；地面粗糙度：B 類；抗震設防烈度：7 度；抗震設計分組：第一組。

2 一、二期工程П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎對比

2.1 一期工程П型鍋爐地基基礎方案

一期工程П型鍋爐鋼架柱網平面尺寸為69.6 m × 77.4 m，柱網布置圖如圖1 所示。

由圖1 中可見，П型鍋爐鋼架占地面積較大，立柱較多且分散。

根據地質情況及試樁結果，鍋爐爐架基礎下地基處理采用C80 預應力混凝土管樁，樁型采用PHC-AB600(110)型，樁尖采用開口鋼板樁靴，長300 mm，以⑦2 土作為樁端持力層。樁頂標高為-4.400 m，樁長平均約49 m。

結合柱底反力的分布，該工程П型鍋爐鋼架基礎采用柱下條形基礎，各方向條形基礎交錯，形成中部挖空形式的筏板基礎。

該工程樁位布置圖如圖2 所示，基礎布置圖如圖3 所示。

圖 1 П型鍋爐鋼架柱網布置圖Fig. 1 Column layout of П-type boiler furnace frame

經統計，該工程單臺鍋爐本體樁數678 根；基礎厚度3.4 m，基礎混凝土用量14 335 m3。

2.2 二期工程塔式鍋爐地基基礎方案

二期工程塔式鍋爐鋼架柱距平面尺寸為52.76 m × 53.94 m，柱網及基礎布置圖如圖4 所示。樁位布置圖如圖5 所示。

根據地質情況及試樁結果，鍋爐鋼架基礎下地基處理采用C80 預應力混凝土管樁，樁型采用PHC-AB600(110)型，樁尖采用開口鋼板樁靴，長300 mm，以⑦2 土作為樁端持力層。

結合柱底反力的分布，該工程塔式鍋爐鋼架主體部分立柱下采用筏板基礎，周邊立柱下采用獨立承臺，承臺之間設連梁。中部筏板區域樁頂標高為-5.700 m，樁長46 m；周邊承臺區域樁頂標高為-3.900 m，樁長48 m。

經統計，該工程單臺鍋爐本體樁數367 根；筏板基礎厚度4 m，承臺厚度2.2 ～2.5 m 不等，基礎混凝土用量8 697 m3。

圖 2 П型鍋爐鋼架樁位布置圖Fig. 2 Pile layout of П-type boiler furnace frame

2.3 地基基礎對比

該項目兩期工程的鍋爐地基基礎對比如表1所示。

由表1 中可見，就該項目兩期工程而言，塔式鍋爐樁數與基礎混凝土量均較П型鍋爐節省近三分之一，在工程量方面具有較明顯的優勢。需要說明的是，由于二期工程建設時間晚于一期工程，在設計中吸取了一期工程及其他類似工程的經驗，進行了一定程度的優化。

本文選取的工程案例為同一電廠的兩期工程，機組容量相同，地質條件相同，計算風荷載及抗震設防烈度均相同，其對比結果具有一定的參考意義。

圖 3 П型鍋爐鋼架基礎布置圖Fig. 3 Foundation layout of П-type boiler furnace frame

3 П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎差異分析

П型鍋爐為各火力發電機組常用爐型，塔式鍋爐是針對1 000 MW 發電機組推出的爐型。塔式鍋爐推出之初，主要應用在東部沿海地區。這些工程地基土條件較差，軟弱土層厚，持力層深，這在一定程度上造成了塔式鍋爐對地基基礎要求更高、地基基礎工程量更大的錯覺。

從感官上，塔式鍋爐的高度遠大于П型鍋爐，給人較強的視覺沖擊，自重顯得更重[2]。經對比，兩種爐型總重相當，1 000 MW 容量機組兩種爐型重量均為約30 000 t。

早期塔式鍋爐的爐體承重立柱為4 根，如圖6所示。這4 根柱承受的豎向荷載非常大，按倒樓蓋法計算，群樁筏板僅4 個支座點，無論筏板受彎還是受沖切均處于不利的受力狀態，基礎筏板往往需要很厚且配筋較大[3-4]。這也是早期工程塔式鍋爐地基基礎工程量較大的原因之一。

經過數年的改進，后期塔式鍋爐的爐體承重立柱增至本文所分析工程的4 大8 小共12 根，大大改善了基礎筏板的受力狀態，筏板厚度得以減小，整體地基基礎工程量也得以降低。以本文所提及的改進前、后兩個塔式鍋爐工程為例，樁閥基礎厚度減小約5%，配筋減少約20%。

圖 4 塔式鍋爐鋼架柱網及基礎布置圖Fig. 4 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame

從基礎布置來看：П型鍋爐由于主受力立柱較多且分散，本文工程案例中為保證基礎受力的整體性，將各柱下基礎連通，形成局部挖空的筏板形式，部分樁基承載力未得到充分發揮，造成樁數偏多、基礎量偏大；塔式鍋爐主受力柱較少且集中，本文工程案例中將中部主受力柱區域設計為厚筏板基礎，周邊小柱采用樁基獨立承臺并與中部筏板用基礎梁連接，樁基承載力得到更充分地發揮，故樁數和基礎量均得到有效控制。

綜合上述分析，塔式鍋爐與П型鍋爐總重相當；П型鍋爐高度較低，占地面積較大，荷載分布較分散；塔式鍋爐平面布置緊湊，占地面積小，主要荷載集中于中間部位。若不考慮設計優化的因素，兩種爐型在同一軟土地質條件下，地基基礎工程量相當，塔式鍋爐樁數與基礎混凝土量均較П型鍋爐節省近三分之一，工程量具有較明顯的優勢。塔式鍋爐的布置特點更利于基礎的設計優化，以獲得地基基礎的良好經濟性。

4 結論和建議

(1)塔式鍋爐上部結構高度高，容易給人以重量更重、基礎工程量龐大的錯覺。

(2)通過對比某軟土地基條件下同一電廠兩期工程的實際工程量發現，塔式鍋爐樁基及基礎工程量不大于П型鍋爐。可以認為，排除設計優化的因素，兩者地基基礎工程量相當，塔式鍋爐樁數與基礎混凝土量均較П型鍋爐節省近三分之一，工程量具有較明顯的優勢。

圖 5 塔式鍋爐鋼架樁位布置圖Fig. 5 Pile layout of tower-type boiler furnace frame

表 1 П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎對比Tab. 1 Comparison of the foundation between П-type boiler and tower-type boiler

(3)對于非軟土地基條件下，兩種爐型基礎工程量的差異有待進一步對比分析。若工程場地天然地基能夠在鍋爐占地面積范圍內滿足承載力和變形要求，可以預見塔式鍋爐因占地面積較小而獲得基礎工程量的節省優勢。

圖 6 早期塔式鍋爐鋼架柱網及基礎布置圖Fig. 6 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame in the early stage

(4)隨著工程經驗的不斷豐富和積累，設計人員可對鍋爐基礎進行更精細化設計，優化方案，節省工程造價。