某換流站地基處理方案研究

趙李源，高 湛，吳必華，閆 勇

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢 430071）

根據受端換流站站址地質條件、總平面布置和場地平整后挖、填方情況，并結合換流站內主要建（構）筑物結構和基礎型式及受力特點，對換流站建（構）筑物地基處理進行研究，通過對多種方案進行技術經濟比較后推薦技術可靠、經濟合理的地基處理方案，以達到安全適用、技術先進、節省工程建設投資、確保工程質量和保護環境的目的。

1 工程概況

1.1 站址位置及地形條件

場地位于大冶市中西部，地處幕阜山脈北側的邊緣地帶，為低丘陵、垅崗地貌，垅崗大致南北向展布。場地標高20～40 m，地形坡度較緩；場地中部分布2個人工貯水塘，北側、西側為長條帶狀溝谷，南側、東南側各分布有“U”型淺凹谷；跑馬崗水庫渠道位于場地西側，緊鄰場地，渠道一般寬15～10 m，一般深2.5～3.5 m，常年有水。現場地多種植各類苗木、綠化樹和少量水稻。場地地貌如圖1所示。

圖1 站址場地概貌

1.2 工程地質條件

場地地基土層較為簡單，覆蓋層主要為第四系坡殘積層，厚度不大，下伏基巖為侏羅系中統花湖組，以砂巖為主。地基土按由新至老順序分述如下。

（1）層素填土：以黏性土為主，混碎石、碎磚塊等，濕，密度稍密。零星分布于道路、塘埂等處。

（2）層粉質黏土：黃色、褐黃色，局部雜白色條帶狀，含鐵錳質氧化物，少量礫石，局部夾半成巖狀細砂層，濕，狀態可塑。零星分布于溝谷、坡腳等處。

（3）層粉質黏土：為場地主要覆蓋層。黃色、紅黃色，局部紫色、紫紅色，含較多砂巖風化碎屑、碎塊。根據狀態分為2個亞層：（3-1）層，稍濕，狀態硬塑；（3-2）層，濕，狀態可塑。

（4）層砂巖：為場地下伏基巖，砂質結構為主，層狀構造（中厚層狀為主），傾向西南，傾角150°左右。根據風化狀態，分為2個亞層：（4-1）層，強風化，巖芯多碎塊狀、短柱狀，可見巖體節理、裂隙發育；（4-2）層，中等風化，巖芯柱狀為主，層位厚度較大處巖芯完整程度高，層位較小處巖芯相對破碎，可見一定厚度節理、裂隙面氧化膜。

各地基土層主要物理、力學指標參考值范圍值見表1。

表1 土層參數表

場地為碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組，富水程度為弱，主要含水體為風化巖體的節理、裂隙帶，覆蓋層以黏性土為主，為相對隔水層。勘察深度內，受無良好含水體制約，場地地下水不豐富，淺層地下水無連續水位線，主要分布低溝谷、丘陵坡腳一帶，為上層滯水，埋深0.5～3.0 m；山地地下水埋藏較深。

工程場地現狀地質災害不發育，地表無較大的崩塌、滑坡、泥石流及地裂縫等災害體分布。

2 總平面布置及場地平整

2.1 總平面布置

根據總平面布置，本工程建（構）筑物可劃分為以下幾個分區：交流500 kV GIS場建（構）筑物、交流濾波器場建（構）筑物、換流區域建（構）筑物、直流場建（構）筑物、站用變場地建（構）筑物、站前區建（構）筑物。總平面布置圖如圖2所示。

圖2 總平面布置圖

2.2 場地平整

根據地形特點，本工程采用平坡式布置，場地標高按照土石方綜合平衡的原則確定，場地初平標高為34.32 m，場地整平后：交流500 kV GIS場建（構）筑物一半位于挖方區，一半位于填方區，填土最大厚度約為5.3 m；交流濾波器場建（構）筑物大部分位于挖方區，北側局部位于填方區，填土最大厚度約為2.7 m；換流區域建（構）筑物大部分位于填方區，小部分位于挖方區，填土最大厚度約為8.3 m；直流場建（構）筑物大部分位于填方區，小部分位于挖方區，填土最大厚度約為6.0 m；站用變場地建（構）筑物全部位于挖方區；站前區全部位于挖方區，西側圍墻位于填方去，最大填方厚度約為8.7 m。

根據圖3可知，場地平整后，最大填方厚度約8.7 m左右。對于填方較厚區域內的建構筑物，未經處理的填土不能滿足上部結構對地基承載力及變形的要求，同時由于地形及基巖面的起伏變化，可能出現土巖組合地基，需要進行地基處理。

圖3 土方初平圖（陰影部分為填方區）

3 地基處理方案

3.1 地基處理原則

（1）地基處理方案必須滿足工程設計要求，即滿足建（構）筑物地基承載力、地基變形和穩定性的要求。

（2）必須堅持因地制宜、就地取材、保護環境和節約資源的原則。

（3）地基處理方案應做到技術先進可靠、經濟合理、安全適用。

（4）在堅持以上原則的基礎上盡可能做到提高施工效率，便于施工，縮短工期。

3.2 挖方區和淺填方區基礎方案

（1）根據可研階段的巖土工程勘測資料，挖方區域地基土主要由（3-1）粉質黏土層、（3-2）粉質黏土層和（4-1）砂巖層組成，以上巖土層力學強度均較高，可直接用做建（構）筑物基礎持力層，因此位于挖方區的建（構）筑物采用天然地基。挖方區域典型的地質剖面如圖4所示。

圖4 挖方區域典型的地質剖面

（2）對于場平后回填土厚度小于3 m的區域，地基巖土層多以粉質黏土為主，分別為（2）粉質黏土層、（3-1）粉質黏土層和（3-2）粉質黏土層，因回填土厚度不大，該部分建（構）筑物地基可采用C15毛石混凝土換填的方式處理。

3.3 深填方區地基處理

站址場平后將形成大量填方區域，其典型地質剖面如圖5所示。

圖5 填方區域典型的地質剖面

結合本工程的地形、地貌及巖土工程地質條件，備選的地基處理方法主要有：強夯法、PHC管樁、干作業旋挖成孔灌注樁等。

根據以往換流站和變電站工程地基處理經驗和對當地工程地基處理方法的調查了解，結合本工程的地形、地貌及巖土工程地質條件，適合本工程地基處理的方案有：干作業旋挖成孔灌注樁、強夯法+樁基和PHC管樁3種方案。

方案一：干作業旋挖成孔灌注樁

（1）樁徑為600 mm。

（2）對于閥廳、輔控樓、500 kV GIS室、換流變壓器基礎、交流出線構架、直流場構架及避雷線塔等重要建構筑物，選用（4-2）中等風化砂巖為樁端持力層。

（3）對于設備支架等荷載集度較輕的建（構）筑物，選用（4-1）強風化砂巖為樁端持力層，樁直徑為600 mm。

方案二：強夯法+樁基

（1）對于填土厚度（h＞3.0 m）區域，采用6 000 kN·m單擊夯擊能進行1層強夯，每層夯擊遍數為2遍；對于填土厚度（h≤3 m）區域，采用2 000 kN·m低能級進行強夯，隔行分2遍完成。最后以低能量2 000 kN·m滿夯2遍。

（2）位于填方區的重要建（構）筑物仍建議需采用樁基礎，同時圍墻區域未進行強夯，也應采用樁基礎。

方案三：PHC管樁（旋挖植樁）方案

（1）旋挖600 mm孔徑植入PHC 400 A 95管樁（抗拔樁采用PHB 400 B 95管樁）。

（2）不同建（構）筑物樁基持力層選擇與方案一相同。

3.4 地基處理方案技術經濟比較

根據以上分析，3種方案技術經濟比較見表2。

表2 地基處理方案技術經濟比較表

4 結論

從表2可知，干作業旋挖成孔灌注樁方案與強夯法+樁基方案相比造價便宜486萬元，工期大大縮短；與PHC管樁（旋挖植樁）方案相比，造價和工期均相差無幾。

本工程不推薦采用強夯法+樁基方案，主要原因如下：（1）湖北地區降水量較大，雨季時間長，本工程填方區面積較大，強夯施工進度受天氣制約程度較大，工期難以控制；（2）本工程填方以土方為主，含石方較少，影響強夯效果；（3）站區填方深度較深區域均集中于站區邊緣地帶，站區中部填方深度較淺，不利于充分發揮強夯法的優勢；（4）強夯施工對邊坡和附近民房存在一定影響。因此本工程地基處理方案不推薦強夯法+樁基方案。

雖然PHC管樁（旋挖植樁）方案與干作業旋挖成孔灌注樁方案在工期和造價上相差無幾，但是該方案存在以下問題：（1）施工過程涉及到旋挖預成孔、灌注細石混凝土（注漿）、靜壓（錘擊）沉樁等多種工藝及其配套設備，現場施工作業面較大，工序相對復雜；（2）考慮到本工程砂巖層出露較淺，原始覆土層較薄，巖土層起伏較大，采用PHC管樁存在截樁風險；（3）旋挖植樁工藝在電力工程中應用經驗較少，暫無實施案例可供借鑒。

干作業旋挖成孔灌注樁能較好地適應本工程建（構）筑物結構和基礎特點，滿足其承載力和變形要求，且安全、經濟、施工簡單，有利于樁基施工的快速展開，因此本工程推薦采用干作業旋挖成孔灌注樁方案進行地基處理。