某特高壓變電站基礎沉降原因分析及加固設計

賀修安，柴平穩(wěn)，王丁浩

(1．國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209; 2．中國地質(zhì)大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

我國變電站選址一般位于山區(qū)和遠離城市的平原地帶，地質(zhì)條件比較復雜，填料工程性質(zhì)一般較差，地基很容易產(chǎn)生沉降[1]。一旦發(fā)生不均勻沉降會影響變電站的穩(wěn)定性和安全性，造成嚴重的后果。此外，自然條件和人為因素也會對變電站地基的沉降產(chǎn)生影響[2]，例如，降水量的增加可能會導致沉降加劇，施工和設計質(zhì)量不達標也會使投入運行的變電站出現(xiàn)地基沉降現(xiàn)象。因此，弄清變電站地基沉降的原因，并提出相應的加固處理方法是十分重要的。本文以某特高壓變電站的基礎沉降案例為背景，分析了沉降原因并提出合理的處理方案，為類似變電站工程的地基處理提供參考。

1 工程概況

某特高壓變電站于2016 年4 月開工建設，2017 年7 月建成投運。站址自然地面標高約為1 099． 0 m ～1 114．5 m。站址北側(cè)及東側(cè)為挖方區(qū)，西側(cè)及南側(cè)為填方區(qū)。全站平面布置圖如圖1 所示。1 000 kV 設備基礎位于站址南側(cè)填方區(qū)，最大填方厚度約6．0 m。填方區(qū)建、構(gòu)筑物基礎采用級配碎石換填，基底級配碎石換填與場平土方工程同時進行。該地段場平后地勢較為平坦，場平標高為1 105．7 m。主要布置有1 000 kV GIS 設備(戶內(nèi)布置) 、1 000 kV 高壓并聯(lián)電抗器及1 000 kV 構(gòu)支架、1 000 kV 繼電器小室、高抗消防設備間等建(構(gòu)) 筑物。

圖1 全站平面布置圖

2018 年2 月，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)出線及配套工程GIS 出線套管基礎出現(xiàn)不均勻沉降，2018 年8 月，部分1 000 kV GIS 設備出線套管基礎和分支母線的沉降差超過設備廠家允許值(25 mm);2019 年11 月出線1、出線2 套管基礎再次出現(xiàn)較大沉降，嚴重威脅設備安全可靠運行。故需要對沉降區(qū)的地基進行處理，避免災害發(fā)生，保證變電站的正常安全運行。

2 地基及基礎設計方案

位于填方區(qū)的1 000 kV 配電裝置及主變區(qū)建構(gòu)筑物采用局部級配碎石換填。對回填級配碎石的要求如下:

1) 級配碎石配合比詳見表1。2) 粗顆粒含量(大于5 mm 的顆粒的質(zhì)量分數(shù)) 60% ～75%，碎石、卵石占全重的30% ～50%，最大粒徑不宜大于50 mm，含泥量不大于5%。應級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質(zhì)。3) 壓實系數(shù)不小于0．97，級配碎石的最大干密度應采用現(xiàn)場試驗確定且不應小于2．1 t/m3; 壓實后承載力不小于180 kPa。1 000 kV GIS 設備基礎采用平板式筏形基礎+支墩的型式，本體基礎與分支母線套管基礎獨立設置，本體基礎之間設置變形縫。1 000 kV GIS 設備基礎平面布置詳見圖2。

圖2 1 000 kV GIS 設備基礎平面布置圖

表1 級配碎石配合比表

3 工程地質(zhì)勘察

由于1 000 kV 配電裝置區(qū)沉降較明顯，沉降調(diào)查巖土工程勘測主要針對1 000 kV 配電裝置區(qū)開展勘察工作。1 000 kV 配電裝置區(qū)地層上部為素填土、碎石填土及第四系上更新統(tǒng)沖洪積的粉土、細砂，第四系中更新統(tǒng)沖積成因黏土層。依據(jù)地層地質(zhì)時代、地質(zhì)成因、巖性及工程特性劃分為三大層:第一大層場平填土，上部為粉土素填土，黃褐色，以粉土為主，該層厚度一般為2．7 m ～4．9 m;下部為碎石填土，巖性主要為碎石、角礫及砂土，該層揭露的厚度一般為0．9 m ～3．5 m，層底埋深一般為5．0 m ～6．2 m;第二大層粉土，黃褐色，以中密為主，局部夾粉砂薄。該層揭露的厚度一般為2．6 m ～4．3 m，層底埋深一般為7．5 m ～10．0 m;第三大層黏土，棕紅色，以硬塑為主，土質(zhì)較均勻，該層土具弱膨脹性，揭露厚度為2．0 m ～8．0 m。

本次勘測在3 個鉆孔揭露到上層滯水，其含水層為粉土和碎石填土，相對隔水層為黏土，其水位埋深為5．8 m ～8．8 m，相應的標高為1 096．7 m ～1 099．9 m。

4 沉降監(jiān)測及原因分析

4．1 沉降監(jiān)測

沉降觀測從2016 年5 月開始至2020 年9 月，2020 年6 月15 日主要建(構(gòu)) 筑物(部分)沉降量詳見表，根據(jù)表2的沉降觀測結(jié)果可以分為需處理類、觀察類和穩(wěn)定類:

表2 主要建(構(gòu))筑物(部分)沉降量統(tǒng)計表

1) 需處理類:1 000 kV GIS 設備本體基礎總長度約400 m，共計6 個大板基礎(編號J1 ～J6) ，J1，J2，J3，J4 本體基礎埋件的 沉降 差分 別為15． 72 mm，33． 9 mm，32．49 mm，15． 99 mm，相鄰大板基礎之間最大沉降差11．34 mm;出線1、出線2、出線3 套管基礎埋件的沉降差分別為30．69 mm，16．94 mm，16．16 mm，與對應戶內(nèi)設備本體基礎差異沉降(未考慮設備調(diào)整分支母線支架影響) 分別為37．64 mm，15．48 mm，15．56 mm，J1，J2，J3，J4本體基礎最大沉降速率已達0．052 mm/d，出線1、出線2、出線3 套管基礎最大沉降速率已達0．043 mm/d。上述基礎沉降差已超過設備的允許范圍值，影響安全運行，需采取措施。

2) 觀察類: J5，J6 本體基礎埋件的沉降差分別為8．90 mm，5．11 mm;出線4、出線5 套管、1 號、2 號主變進線套管基礎埋件的沉降差分別為14．54 mm，13．01 mm，7．04 mm，14．33 mm，與對應戶內(nèi)設備本體基礎差異沉降(未考慮設備調(diào)整分支母線支架影響) 分別為4．02 mm，17．27 mm，1．93 mm，5．77 mm。上述基礎的累計沉降量及沉降差數(shù)值不大，沉降差在設備安全運行的允許范圍內(nèi)。因最近一周期最大沉降速率為- 0． 02 mm/d ～-0．04 mm/d，故需繼續(xù)觀測，直至其穩(wěn)定。另外，最近一周期1 000 kV GIS 室基礎差異沉降最大值為20．57 mm，最大沉降速率為-0．029 mm/d，需繼續(xù)觀測。

3) 穩(wěn)定類:主變、高抗、500 kV 配電裝置設備基礎及繼電器小室、主控通信樓及綜合樓、備品備件庫等建構(gòu)筑物沉降量較小或趨于穩(wěn)定。

以1 000 kV GIS 設備各點觀測情況為例，填方區(qū)建筑物沉降量與時間的變化關(guān)系如圖3 所示。可以看出，基礎沉降陡降時間均發(fā)生于降雨量較大月份之后，顯示基礎沉降與降雨有較強的關(guān)聯(lián)性。在每年7 月～9 月的雨季，隨著月降雨量的增加，填方區(qū)地段單次沉降量、沉降速率及不均勻沉降也發(fā)生改變。沉降發(fā)生明顯變化一般在月最大降雨量當月或下一個月，在其余月份(非雨季) ，這些地段一般進入均勻的壓縮變形階段。

圖3 1 000 kV GIS 設備各點觀測時間與沉降量關(guān)系圖

4．2 原因分析

造成變電站地基基礎沉降的原因主要有以下幾個方面[3-8]:1) 地質(zhì)因素。變電站的選址一般遠離人類生活區(qū)，位于地形地貌復雜的區(qū)域。例如在地形高差較大的地區(qū)建站，難以控制壓縮系數(shù)，會導致填土較深、面積過大或填土不規(guī)律等問題，產(chǎn)生不均勻沉降。2) 排水問題。部分變電站排水設施不完善，排水系統(tǒng)老舊，無法及時排出因降雨而導致的積水，造成雨水下滲，影響地基土的性質(zhì)，引發(fā)地基沉降。3) 設計施工的原因。建筑物的基礎尺寸和形式選擇不當會造成基礎沉降不一致的問題，施工過程中存在超挖現(xiàn)象，完成后未采取有效的地基加固措施也會導致地基承載力小于基底壓力，從而產(chǎn)生沉降。結(jié)合本工程的實際情況，基礎產(chǎn)生沉降的原因有如下兩個方面:a．降雨量增加，站區(qū)排水不暢。對沉降區(qū)進行沉降觀測發(fā)現(xiàn)，基礎沉降陡降時間均發(fā)生于降雨量較大月份之后。對該地區(qū)2017 年—2019 年的逐月降雨量進行統(tǒng)計分析，全年降雨量逐年增加，降雨量大的月份集中，隨著月降雨量的增加，觀測點單次沉降量、沉降速率及不均勻沉降也發(fā)生改變。站區(qū)內(nèi)排水設施不完善，造成雨水大量匯集，圖4 為短時降雨較大時，站址周邊出現(xiàn)的積水情況。降雨量增加，站址周邊積水嚴重，站內(nèi)排水不暢，無法將雨水排出站外，導致雨水滲入到填土區(qū)。這就使粉土層中的細顆粒土隨地下水流失，孔隙增大，承載力變小，造成變電站地基沉降。b． 地基夯實效果不理想。位于填方區(qū)的1 000 kV 配電裝置及主變區(qū)建(構(gòu)) 筑物采用局部級配碎石換填，級配碎石最大填方高度3．51 m，最小填方高度0．21 m，平均厚度2 m，場地土方自平衡挖土方量為15 萬m3。由此可以看出填土土層深且分布廣而且厚度不均，回填時土層較為松散。施工后期夯實效果不理想，壓實不夠密實，由此導致了基礎的沉降。

圖4 站址周邊降雨積水影像之一

5 地基加固設計

目前國內(nèi)地基基礎加固常用方法有注漿加固法、樁基托換法、樹根樁法、錨桿靜壓樁法、加大基礎底面積法、高壓噴射注漿法等。各種加固方法各有優(yōu)劣，且均有其適用的地層條件。

基于本工程的實際情況，結(jié)合各類加固方法的適用范圍和優(yōu)缺點，擬采用注漿加固法對地基進行加固處理。

注漿加固適用于建筑地基的局部加固處理，適用于砂土、粉土、黏性土和人工填土等地基加固。具有處理效果好、工期短、易操作等優(yōu)點[9]。由于局部地段不能布置注漿孔，若在這些地段采用注漿加固方案，加固影響范圍和效果可能存在較大差異，影響加固效果。所以采用對空間的要求相對較低、受力相對較均勻的人工挖孔樁托換法。因此，戶外出線管道基礎采用人工挖孔樁托換法;戶內(nèi)GIS 設備本體基礎則采用注漿加固法。相關(guān)設計方案如下。

5．1 人工挖孔樁托換加固設計

1) 樁基平面布置示意圖。各出線套管基礎地段擬采用樁徑1 000 mm，擴底端直徑1 600 mm 的基樁，頂部設置現(xiàn)澆混凝土樁帽與套管基礎連接。基樁數(shù)量均為18 根，布置示意圖見圖5。

圖5 基礎樁位布置示意圖

2) 樁基承載力和沉降驗算。出線套管基礎均采用鋼筋混凝土筏板+上部支墩的結(jié)構(gòu)型式，估算其單樁豎向抗壓極限承載力約2 293 kN，基底壓力取80 kPa 計算。得到樁基承載力驗算滿足要求，且有一定的裕度。樁基沉降計算以Mindlin 解計入樁徑影響計算樁的附加應力，以Boussinesq 解計算承臺底附加應力，將二者疊加按分層總和法計算樁基沉降。樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)=1．00，出線1、出線2、出線3 套管樁基托換后的最終沉降量分別為1．44 mm，3．22 mm，1．49 mm。

3) 植筋設計。人工挖孔樁混凝土強度等級采用C35，配筋型式選G 型。樁端進入第三大層黏土層不小于2 m，勝錫Ⅰ線出線套管基礎托換樁樁長12 m，欣勝Ⅰ線和馬勝Ⅰ線出線套管托換樁樁長10 m。根據(jù)JGJ 145—2013 混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程第4．2．2 條及條文說明，植筋宜僅承受軸向力，當考慮植筋承受剪力時，應按錨栓進行設計，并應滿足錨栓的相應構(gòu)造要求。經(jīng)計算，植筋錨固長度取540 mm; 錨栓受剪承載力滿足要求。為增加新舊混凝土界面抗剪承載力裕度，擬在既有基礎側(cè)邊預留企口，并在灌注樁頂部構(gòu)造性地增設牛腿。取出線1 套管作為典型計算單元，對筏板基礎進行驗算，結(jié)果表明筏板原始配筋滿足承載力要求。

4) 基樁檢測。在樁基開挖施工期間及樁基加固完成后，應加強基礎沉降觀測，以便隨時掌握施工期間的基礎變形和驗證地基加固后的效果。同時對工程樁進行檢測。根據(jù)基樁檢測規(guī)范，樁基檢測要求如下:低應變檢測數(shù)量100%;鉆芯法取樣檢測，數(shù)量為3 根。

5．2 注漿加固設計

常見的注漿方式分為四類，分別為滲透注漿、劈裂注漿、壓密注漿、電化學注漿。對于本工程地質(zhì)條件，推薦采用滲透注漿和劈裂注漿。其中滲透注漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，而基本上不改變原狀土的結(jié)構(gòu)和體積，適用于砂性土、碎石土及裂隙巖體，所用灌漿壓力相對較小。劈裂灌漿是指壓力作用下，漿液克服地層的初始應力和抗拉強度，引起巖石和土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動，使其沿垂直于小主應力平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有的裂隙或孔隙、漿液的可灌性和擴散距離增大，其所用的灌漿壓力相對較高。具體設計方案如下:

1) 注漿孔布置。

在1 000 kV 出線側(cè)本體基礎沿著基礎底面以外布置兩排注漿孔。內(nèi)排孔采用直孔設計，注漿段為基底以下，預計注漿長度5．5 m;外排孔采用傾斜成孔工藝，向基礎內(nèi)排傾斜，傾角為35°。基底預埋橫向注漿孔，在地底下往基礎內(nèi)橫向布置注漿桿，擬采用千斤頂將注漿桿頂進基礎內(nèi)。

考慮地管道滲漏和雨水下滲是不可避免的，其如匯滲流后，將顯著導致水位抬升，對沒有注漿的部分的土體(基礎下絕大部分) 會浸水軟化，后期沉降變形增大的風險沒有消除。因此，在本次注漿側(cè)，在保證注漿效果的前提下，考慮水流通道，設計沿基礎長度方向按內(nèi)排每間隔10 列鉆孔，留4 列鉆孔間距，在與內(nèi)排孔相對的位置外排留2 列～3 列鉆孔設置排水通道。

2) 注漿參數(shù)選取。

孔距和孔徑、注漿材料水灰比、灌漿壓力和灌漿量等相關(guān)參數(shù)需要進行注漿試驗來確定，注漿試驗區(qū)選擇在1 000 kV 設備基礎室外北，選在碎石填土厚度同南側(cè)相近的區(qū)域進行注漿試驗。

注漿鉆孔影響半徑碎石土按1． 0 m，其他土層按0．5 m 考慮。內(nèi)排帷幕直孔鉆孔間距為0．8 m，外排斜孔鉆孔間距為1．5 m，內(nèi)排注漿孔與外排注漿孔的排距為1．7 m。注漿孔開孔口徑采用130 mm 或110 mm，終孔口徑不小于70 mm ～110 mm。

本次擬加固的土體主要為回填素土及回填碎石土及粉土，選用水泥為主劑作為注漿材料。采用水泥灌漿可使土體形成高強度的固結(jié)體，應用最廣的是普通硅酸鹽水泥，在地下水無侵蝕性條件下經(jīng)常使用。這種漿液是一種懸濁液，取材容易、配方簡單、價格便宜、不污染環(huán)境。對于內(nèi)排直孔，目的是在待處理的加固基礎與周圍建筑物之間形成一道保護性帷幕，可防止周圍的地表水深入待加固地基基底，因此，選用水泥水玻璃雙液注漿。純水泥漿漿液水灰比(質(zhì)量比) 可取0．6 ～2．0，外排加固區(qū)域水玻璃的摻入量為5% ～10%。

回填碎石采用滲透注漿，注漿壓力可暫定取選用0．3 MPa ～0．5 MPa;粉土采用劈裂注漿，考慮到上覆有一定土層壓力，并增加一定的注漿率，注漿壓力適當提高，暫定為1．2 MPa ～1．5 MPa。對于內(nèi)排直孔，當采用水泥水玻璃雙液快凝漿液時，注漿壓力應小于1 MPa。回填碎石土層漿液注入率暫按65%考慮，其他土層漿液取注入率暫按40%考慮。總灌漿量為3 727 m3，其中回填碎石土層為2 829 m3，粉土層為898 m3。實際注漿壓力可經(jīng)灌漿試驗后具體調(diào)整，灌漿量也需要根據(jù)試驗時觀測到的注漿壓力的變化來重新計算。

3) 注漿效果檢測。

注漿檢驗時間應在注漿結(jié)束28 d 后進行。可選用重型動力觸探試驗或標準貫入試驗對加固地層強度及均勻性進行檢測，并在每個本體基礎間隔10 列注漿孔每間隔1 m 進行抽芯檢測，主要檢測巖芯的飽和豎向抗壓單軸強度和壓縮模量等指標。碎石巖芯主要檢測含漿液的巖心長度，一般統(tǒng)計大于10 cm 的巖芯占比，不小于50%為注漿效果良好，粉土主要檢測標準貫入試驗的錘擊數(shù)，標準貫入錘擊數(shù)不小于18 擊為注漿效果良好的標準;碎石巖芯的單軸豎向飽和抗壓強度不小于1．0 MPa，粉土巖芯單軸豎向飽和抗壓強度不小于0．5 MPa，粉土巖芯壓縮模量不小于15 MPa。

4) 沉降觀測。

在地基加固初期，按每天觀測一次進行連續(xù)觀測，在加固工作結(jié)束后，逐步調(diào)節(jié)按每3 d，5 d，7 d 觀測一次，至變形穩(wěn)定后，可減少觀測頻次，改為15 d 觀測一次。在注漿加固期間，若發(fā)現(xiàn)變形觀測數(shù)據(jù)有異常或突變，應增加觀測頻次，并及時調(diào)整注漿方案和注漿壓力。

6 結(jié)語

該特高壓變電站基礎沉降的原因一方面是由于站內(nèi)排水不暢，導致積水下滲，改變了地基土的性質(zhì); 另一方面是回填后夯實效果不理想。基于本工程的實際情況，擬采用人工挖孔樁托換加固法和注漿加固法對地基進行加固處理。人工挖孔樁托換加固法對變電站正常運行的影響較小，設計過程中在基礎側(cè)邊預留企口，并在灌注樁頂部增設牛腿，以增加新舊混凝土界面抗剪承載力裕度。注漿加固法有處理效果好、工期短、易操作等優(yōu)點，在設計過程中考慮了水的影響，在注漿孔周圍設置排水通道，并且設置了試驗區(qū)來確定注漿參數(shù)。為相近工程的地基處理加固設計提供參考。