安徽某變電站膨脹土地基處理方案研究

張龍驤，趙 飛，宣 赫

（中國能源建設集團安徽省電力設計院有限公司，合肥 230000）

膨脹土通常具有較明顯的失水收縮與吸水膨脹的特點，在此土壤之上對建筑物進行施工，會隨著氣候的變化引發不均勻的沉降進而對建筑物的質量產生不利影響，且外界因素極容易致使地基土產生收縮或膨脹[1]。

安徽省是我國膨脹土的主要分布地區之一，分布于淮北平原地區和舒城縣城-巢湖市區-和縣縣城以北的江淮波狀平原地區，在此以南地區則零星分布于丘陵平原上的階地及山前斜地上。全省膨脹土分布總面積41 742.41 km2[2]，詳見表1[2]。

表1 安徽省膨脹土分布表

變電站建（構）筑物中各類結構形式眾多，其中包括受力較大的設備基礎，如主變（約200 t），對沉降特別敏感的GIS 基礎，也有受力較大的電纜溝，支架基礎。同時也包括埋深較深的事故油池及較淺的事故油坑。

本文結合某變電站膨脹土地基實例，利用各種地基處理減弱膨脹土影響，有助于解決變電站膨脹土地基的穩定，減小了地基沉降及膨脹性，在消除膨脹性上具有良好的效果，本文的研究方法可為類似項目提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程規模

安徽某變電站位于安徽滁州市。工程建設規模：主變規模本期建設2 組1 000 MVA 單相自耦無勵磁調壓油浸式變壓器，遠景4 組主變壓器（4×1000MVA）；500kV出線：本期4 回，遠景8 回；220 kV 出線：本期10 回，遠景16 回。根據地質報告顯示，該站址地基土為膨脹土，需采取地基處理措施。

1.2 場地地形地貌

變電站址位于江淮丘陵地區，微地貌單元為崗地。地面高程為61.90～69.15 m。站址西高東低，呈傾斜狀，其中站址東側為水塘洼地，西北側為苗木地，西側中間為小樹林，其他區域為麥地。

1.3 地層結構特征

場地上部地層為第四系全新統沖積成因的粉質黏土、黏土及第四系上更新統殘積成因的含碎石粉質黏土，下伏第三系含礫砂巖（局部為砂礫巖）。場地地層現從上至下描述如下：①粉質黏土（Q4al）：灰褐、灰黃色，軟塑～可塑偏軟，稍濕～濕，混少量碎石（主要位于場地東側地勢較低處），局部有富集。表層0.3 m 為耕植土，站址區域大部分都有分布，局部有缺失，最大層厚3.50 m，最小層厚0.50 m，平均厚度1.04 m。②黏土（Q3al）：灰黃、黃褐色，硬塑～堅硬狀態，稍濕，干強度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質結核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區域局部分布，主要位于站址西側，最大層厚0.30 m，最小層厚1.90 m，平均厚度1.08 m。③黏土（Q3al）：灰黃、黃褐色，硬塑，稍濕，干強度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質結核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區域局部分布，主要位于站址西側及中間，最大層厚3.70 m，最小層厚0.50 m，平均厚度2.18 m。③1黏土（Q3al）：灰黃、黃褐色，可塑偏硬～硬塑，稍濕，干強度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質結核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區域局部分布，主要位于站址西側及中間，最大層厚2.50 m，最小層厚0.50 m，平均厚度1.45 m。④含碎石粉質黏土（Q3el）：灰黃色，局部紅褐色，稍濕～濕，硬塑，混碎石，含量約30%～40%，粒徑1～10 cm，局部粒徑大于20 cm，母巖為砂礫巖，殘積成因。站址大部分區域均有分布，最大層厚2.50 m，最小層厚0.50 m，平均厚度1.26 m。⑤含礫砂巖（E）：紅褐色，全風化，巖芯多呈土狀，手可捏碎，遇水易軟化崩解，礫石成分混雜，多為石英巖、砂巖等，粒徑一般在1～4 cm 之間，局部較大可達8～10 cm，人工用鎬可挖。局部礫石富集段巖性為砂礫巖（主要位于場地東北側）。該層在場地廣泛分布，最大層厚4.00 m，最小層厚1.00 m，平均厚度2.14 m。⑥含礫砂巖（E）：紅褐色，強風化，主要為泥質膠結，少量鈣質膠結，巖芯多呈碎塊狀，極少量短柱狀。礫石成分混雜，多為石英巖、砂巖等，粒徑一般在1.0～4.0 cm 之間，局部較大可達8.0～10.0 cm，人工用鎬不易挖掘，可用風鎬挖掘。局部礫石富集段巖性為砂礫巖（主要位于場地東北側）。

1.4 地下水條件

變電站址地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水。

上層滯水主要賦存于地表松散層中，水量較小，水位不穩定，一般在0.5～2.0 m 之間，變幅±0.5 m，受大氣降水影響較大，旱季可能消失，本階段勘測時鉆孔一般未見地下水。該層地下水對施工影響較小，基坑開挖采用基坑集水明排即可?；鶐r裂隙水埋深較大，對本工程建設影響較小，可忽略其影響。

1.5 膨脹土脹縮特性

站址區域地層主要為膨脹土，自由膨脹率47%～52%，具有弱膨脹潛勢。根據《工程地質手冊》（第五版）[3]，場地區域大氣影響深度約3.3 m，大氣影響急劇深度層約1.5 m。根據區域經驗參數，計算各勘探點處地下1 m 至大氣影響深度3.3 m 處的漲縮量為5.17～51.6 mm，最大脹縮等級Ⅱ級。

2 站區膨脹土防治處理措施

2.1 膨脹土防治主要原則

1）變電站場地主要采用土性改良，非全部換土處理。根據調研變電站附近土質均為膨脹土，全站換土處理不經濟，也無法實施。

2）膨脹土土性改良可采用摻和水泥、石灰等材料，雖然水泥的改良效果比石灰改良效果更明顯[4]，但費用較高，GB 50112—2013《膨脹土地區建筑技術規范》[5]也指出，土中摻入2%～8%石灰粉并拌合均勻是簡單經濟的方法，根據地質報告建議，場地土性改良采用5%的石灰粉摻入。

3）根據地質報告，場地區域大氣影響深度約3.3 m，大氣影響急劇深度層約1.5 m。因此，全站膨脹土處理深度為1.5 m，基礎埋深小于1.5 m 基礎均需處理。

4）加強場地排水設計，減少因場地內排水系統管道滲水對建筑物沉降變形的影響，且加強施工過程中排水設計。基坑開挖應防止被水浸泡，暴曬；基礎周邊宜設置排水溝，防止地表水滲入基坑對地基土長時間浸泡。場地內部及周邊應做好集水排水措施，場地內降雨及積水應及時排出。

2.2 膨脹土防治主要措施

2.2.1 擋土墻

場區挖填平衡，填方區設置鋼筋混凝土擋土墻，高度2.0～5.5 m 高。站區擋土墻站內側設置500 mm 厚碎石反濾層，反濾層外設置透水性填料（30%碎石土），填料處理至站外地面標高。站內圍墻2 m 范圍設置100 mm 厚C15 素混凝土封閉層。擋土墻站外側設置混凝土散水和磚砌截水溝。擋土墻基礎底設置100 mm厚C15 素混凝土墊層+300 mm 厚碎石墊層。擋土墻做法如圖1 所示。

圖1 擋土墻詳圖

擋土墻抗滑移、穩定計算應考慮水平膨脹力的作用，無實驗數據時，可參考《工程地質手冊》（第五版），安徽合肥工大地區水平膨脹力59 kPa。

2.2.2 圍墻基礎

變電站常規圍墻為2.3 m，但500 kV 變電站需考慮噪音處理，一般高5～6 m，因而采用混凝土框架結構。挖方區圍墻基礎為獨立基礎，基礎埋深-1.5 m，未大于大氣影響急劇層深度，基礎C15 素混凝土墊層下設300 mm 碎石墊層。填方區圍墻設置在擋土墻之上，擋土墻兼做基礎，計算應考慮高大圍墻荷載及風荷載。

2.2.3 道路

全站道路做法自上而下依次為：①40 mm 厚細粒式瀝青混凝土面層，②60 mm 厚中粗粒式瀝青混凝土，③180 mm 厚C30 混凝土面層；④180 mm 厚6%水泥穩定碎石基層；⑤200 mm 厚級配碎石墊層。

為消除膨脹土對道路的影響，填方區道路對路基土進行改性處理，⑤碎石墊層下加設1 m 厚一九灰土墊層。挖方區道路將⑤碎石墊層由200 mm 厚改為300 mm 厚。

2.2.4 電纜溝

變電站室外電纜溝截面尺寸分別為600×600 mm，800×800 mm，1 000×1 000 mm，1 200×1 200 mm，電纜溝底均小于大氣影響急劇深度層1.5 m。電纜溝做法同國網標準工藝[6]，采用磚砌電纜溝，磚為MU15 燒結煤矸石實心磚砌塊，用M7.5 水泥砂漿砌筑，溝內外壁及溝底面粉20 mm 厚M15 防水水泥砂漿，同時沿電纜溝壁澆筑兩道C15 細石混凝土帶（寬同溝壁，高100 mm。室外電纜溝底板C15 素混凝土墊層底部設300 mm 厚碎石墊層，電纜溝側壁500 mm 范圍的回填土采用一九灰土，深度同電纜溝墊層底。

2.2.5 建筑物

全站建筑物本站共設8 棟建筑物，分別為主控通信室，500 kV 繼電器室，主變、220 kV、35 kV 繼電器室及站用電室，0#站變室、警衛室、消防泵房、雨淋閥室1和雨淋閥室2，總建筑面積為1 464 m2。

主控通信室、500 kV 繼電器室、主變、220 kV 及35 kV 繼電器室與站用電室、500 kV 構架、主變構架建筑結構安全等級為一級，其他建構筑物為二級，均為單層建筑，設計使用年限為50 a，抗震設防烈度為7 度。建筑物均采用混凝土框架結構。

建筑物地坪自室外標高-1.5 m 深開始采用非膨脹土（5%的生石灰摻入）回填，建筑物基礎C15 素混凝土墊層底部設300 mm 厚碎石墊層（若有超深處理超1.5 m，則取消碎石墊層）。建筑物輔助用房室內地面可按普通房間處理，參照標準工藝設計。其他所有設備房間對地面變形要求高，室內回填均采用非膨脹土（5%的生石灰摻入）。散水寬度則采用1.2 m，下設300 mm 厚碎石。

2.2.6 主變（電抗器）油坑

主變（電抗器）油池尺寸10 m×10 m，底板C20 素混凝土墊層，池壁采用MU10 磚，M7.5 水泥砂漿砌筑，高1.5 m。因此，油池底部設300 mm 厚碎石墊層，油池溝壁外側500 mm 范圍內采用非膨脹土（5%的生石灰摻入）回填。

2.2.7 構筑物

1）大型基礎。站內構架、主變和GIS 等重型構筑物基礎采用加大基礎埋深為主要的防治措施，基礎埋深大于等于1.6 m，大于大氣影響急劇層深度。

2）小型基礎。站內端子箱基礎、設備支架等輕型構筑物基礎底設300 mm 碎石墊層（若有超深處理超1.5 m，則取消碎石墊層）。

2.2.8 防滑面磚及場坪

站區地坪采用碎石地坪，做法為200 mm 碎石層+100 mm 三七灰土封閉層。廣場地坪采用防滑面磚，下設300 mm 厚碎石。

2.2.9 站區主要排水措施

1）站區護坡坡頂及坡底均設置截水溝，適當加大截水溝排水坡度，加快坡面排水。

2）站區為土方平衡，填方區最深為4 m，因此在挖填方交接處增加一道通長截水溝，減少雨水下滲。

3）提前策劃封閉區域排水方案，水工專業提前介入總圖規劃，結合電纜溝、操作地坪布置圖減少封閉區域，必要時，采用電纜溝過水渡槽。重點關注建筑物屋面排水順暢，確保雨水管接入排水系統。

4）消防管道采用鋼絲網骨架塑料管，加強管道接頭工藝管控，可在主設備區域增加消防管溝，避免管道漏水引起膨脹土沉降。

2.3 膨脹土防治主要工程量及費用

全站膨脹土處理的總工程量約為：碎石土2 600 m3，碎石2 390 m3，一九灰土4 038 m3，總費用約141.3 萬元。

3 工程檢測

膨脹土對建（構）筑物的影響是長期的，特別是對變形要求高的GIS、主變等主設備，為確保工程投運后的安全，根據規程規范要求，在設計中GIS 大板基礎之上的每個墩式基礎設置2 個觀察點，每臺主變基礎設置2 個觀察點。對主控樓及繼電器室各拐角處設置觀察點。對擋土墻、邊坡每隔20 m 設置觀察點。并提出全站進行長期沉降觀測的要求，以便能夠及早發現和解決問題[7]?？⒐ず?，應每月進行一次。觀測工作宜連續進行1 a 以上。必要時，應同期進行裂縫、基礎轉動、墻體傾斜及基礎水平位移等項目的觀測。

4 對施工質量的要求

1）膨脹土地區施工必須按照設計要求，根據場地條件和季節性等特點編制施工組織設計，提前規劃站內排水系統，保證站內無積水。

2）根據工程四通一平圖紙，提前策劃土方回填及外購方案，特別是保證非膨脹土參與站內回填，必要時需采取特別措施。同時重點關注高邊坡高擋墻施工質量及安全措施。坡頂棄土至開挖線的距離應通過穩定性計算確定，且不應小于5 m。

3）變電站二次屏位對變形較為敏感，建筑物基礎建成后，施工單位在室內電纜溝與墻角等狹小縫隙處，可采用級配碎石回填，加強室內回填土質量控制。

5 對運行維護的建議

1）重點關注GIS、主變基礎表面是否有裂紋及電纜溝、散水等小構件裂紋及變形。

2）應定期檢查排水溝、雨水明溝、防水地面等，發現開裂、滲漏、堵塞等現象時，應及時修復，保證場區排水通暢。

3）應定期觀察坡體位移情況，當出現裂縫時，應及時采取治理措施。

6 結束語

綜上所述，安徽地區膨脹土分布廣泛，且對變電站中建（構）筑物的整體結構產生極為不利的影響。因此，在變電站建設的過程中，尤其在前期設計過程中，應高度重視，充分論證，多方案比選充分。施工過程中，應該采取科學合理的施工措施來對其進行控制，從而使變電站建（構）筑物的構造穩定性得以保障，進而保證人們的用電安全。