火電廠塔式鍋爐粘性土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

羅紅青

摘 要：火力發(fā)電廠尤其是1 000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)機(jī)組的塔式鍋爐，具有高度高、單柱荷載大、柱間跨度大、結(jié)構(gòu)體系對(duì)基礎(chǔ)沉降要求嚴(yán)格的特點(diǎn)。根據(jù)某工程的工程地質(zhì)條件和塔式鍋爐的荷載及布置條件，提出了針對(duì)粘性土的天然地基方案，同時(shí)對(duì)采用筏板基礎(chǔ)、整片布樁和局部布樁的基礎(chǔ)方案進(jìn)行了技術(shù)性對(duì)比，分析塔式鍋爐在非巖性地基條件下采用天然地基的所需條件及可行性，最終確定安全可靠的塔式鍋爐地基及基礎(chǔ)的工程應(yīng)用方案，降低了基礎(chǔ)工程造價(jià)同時(shí)節(jié)約了工期。

關(guān)鍵詞：塔式鍋爐 地基處理 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（c）-0042-03

世界上大容量機(jī)組的鍋爐型式主要有∏型鍋爐和塔式鍋爐兩種爐型。在日本、美國(guó)和前蘇聯(lián)700 MW以上的超臨界和超超臨界機(jī)組采用的是∏型鍋爐。而在德國(guó)，所建的大容量機(jī)組幾乎都是塔式鍋爐。上海鍋爐廠2004年從德國(guó)ALSTON公司引進(jìn)了超超臨界塔式鍋爐，具有高度高（約120 m）、荷載大（3.78萬t）、單柱荷載大（單柱約1.3萬t）、柱間跨度大（31.5 m）、沉降要求嚴(yán)格（1/2 000）的特點(diǎn)。

1 工程概況

該工程為安徽某地“以大代小”改擴(kuò)建2×1 000 MW級(jí)機(jī)組，其鍋爐采用的是上海鍋爐廠生產(chǎn)的1 000 MW超超臨界機(jī)組的塔式鍋爐。

2 工程地質(zhì)

2.1 地層特征及分布

地層特征及分布如下。

①素填土（Q4ml）：雜色，以粘性土為主，夾少量碎石、煤渣、混凝土塊、磚塊，多呈松散狀。局部為雜填土。層厚0.90～6.50 m，平均2.9 m。分布于局部地段。

②-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土（Q4l）：青灰、灰褐、灰黑、黑色，飽和～很濕，軟塑～流塑狀，含腐植質(zhì)。層厚1.70～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

②-2 粉質(zhì)粘土（Q4al）：灰、灰褐、灰黃色，很濕，軟塑～可塑，部分地段夾小石子和粗砂。層厚1.10～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

③粉質(zhì)粘土（Q3al）：棕黃～黃褐色，濕，硬塑，局部含黑色鐵錳質(zhì)膠膜及灰白～灰綠色高嶺土團(tuán)塊。層厚3.40～7.30 m，平均5.1 m。分布較普遍。

④含粘性土碎石（Q2al）：黃褐、棕黃色，濕，中密～密實(shí)，碎石成分主要為石英砂巖，含量為50%～60%，粒徑一般在2～5 cm，大者10～12 cm，最大直徑達(dá)40 cm，磨圓度一般，次棱角狀～亞圓形，碎石多為中風(fēng)化、較堅(jiān)固；碎石間主要為棕黃色粉質(zhì)粘土充填，稍濕，可塑～硬塑，粘性土含量為25%～30%。混少量砂、礫。地基土不均勻，局部地段巖性漸變?yōu)楹承酝恋[石，粘性土團(tuán)塊直徑達(dá)20～30 cm。層厚3.60～6.70 m，平均4.8 m。分布較普遍。

⑤泥質(zhì)砂巖（R）：褐紅色、紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，水平層狀構(gòu)造。含礫石。局部地段頂部0.5～1.0 m為全風(fēng)化，巖芯手捏易碎，工程性能較差；以下漸變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化～中等風(fēng)化，力學(xué)性質(zhì)較好。此層未揭穿。層頂深度10.10～14.90 m。層頂標(biāo)高14.90～17.92 m。

2.2 各主要地層物理力學(xué)指標(biāo)推薦值

各主要地層物理力學(xué)指標(biāo)推薦值見表1、表2。

2.3 地下水條件

主廠房及鍋爐地段的地下水為上層滯水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給。整體來說，水量小，對(duì)建筑物基礎(chǔ)和施工影響不大。

2.4 場(chǎng)地與地基地震效應(yīng)

該工程場(chǎng)地50年超越概率10%的地表水平峰值加速度為81gal（0.081 g），工程場(chǎng)地地震基本烈度為6度，I、II級(jí)階地的動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

3 鍋爐地基基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

3.1 鍋爐區(qū)域地基條件分析

根據(jù)施工圖階段的主廠房布置方案，廠房及鍋爐區(qū)域±0.00設(shè)計(jì)標(biāo)高為吳淞高程26 m。結(jié)合廠區(qū)總平面布置，按照鍋爐基礎(chǔ)埋深-7 m計(jì)算，基礎(chǔ)底板均坐在④層和⑤層土上。

5#和6#鍋爐4個(gè)柱下⑤層土頂距離基礎(chǔ)底面（絕對(duì)標(biāo)高 19.00 m）的距離見表3。

3.2 鍋爐基礎(chǔ)布置圖

圖1為由該院工藝專業(yè)提供的上海鍋爐廠1 000 MW超臨界塔式鍋爐基礎(chǔ)平面布置圖。荷載資料（略）。

3.3 地基設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

3.3.1 相鄰關(guān)系

塔式鍋爐基礎(chǔ)設(shè)計(jì)布置考慮與煤倉間結(jié)構(gòu)分開獨(dú)立布置，基礎(chǔ)沉降計(jì)算考慮周邊主廠房、集中控制樓的影響。鍋爐K1軸線距煤倉間D列柱8.00 m，根據(jù)煤倉間基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)計(jì)算，爐側(cè)最大可占用距離8-3.25=4.75 m。

由于塔式鍋爐基礎(chǔ)荷載的絕大部分荷載集中落在爐膛周圍的4個(gè)柱子上，以下的設(shè)計(jì)方案均是針對(duì)這4個(gè)柱子區(qū)域進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)包括了離4個(gè)柱較近的H列的4個(gè)小柱荷載，其他鋼柱柱腳為常規(guī)荷載。

3.3.2 地基承載能力特征值及其修正值

綜合考慮載荷板試驗(yàn)、標(biāo)貫試驗(yàn)與動(dòng)探試驗(yàn)結(jié)果：④含粘性土碎石的地基承載力特征值取400 kPa；⑤層泥質(zhì)砂巖的地基承載力特征值取400 kPa?？紤]深度修正后的基底④含粘性土碎石土的地基承載力為：

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

fa=400+0+2.2×10×（9-0.5） =588 kPa

3.4 地基及基礎(chǔ)的計(jì)算分析

地基和基礎(chǔ)方案在初步優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了4種基礎(chǔ)方案，并且分別進(jìn)行了模擬計(jì)算和分析。4種基礎(chǔ)方案圖如下。

（1）天然地基—整體筏板基礎(chǔ)（見圖2）。

（2）樁筏基礎(chǔ)—大筏板局部布樁方案（見圖3）。

（3）樁筏基礎(chǔ)—獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)（見圖4）。

（4）樁筏基礎(chǔ)—中空樁筏基礎(chǔ)（見圖5）。

3.5 計(jì)算結(jié)果

上述4種方案，筏板沉降與受力、樁頂反力等情況的比較見表4～7。

4 鍋爐地基基礎(chǔ)方案比較

（1）天然地基方案沉降大（最大沉降68.3 mm），相鄰立柱最大沉降差為23 mm>l/2 000=15 mm?；追戳?biāo)準(zhǔn)值的平均值為390 kPa1.2，fa=706 kPa?？赡馨l(fā)生局部地基破壞。

（2）局部布樁方案的沉降較小，筏板受力也較小，但需要考慮地基土與樁共同受力，同時(shí)筏板面積大、樁數(shù)也較多，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最差。

（3）獨(dú)立承臺(tái)方案受鍋爐廠房柱基礎(chǔ)的限制，承臺(tái)尺寸受限、布樁也受到限制，導(dǎo)致樁數(shù)較少、樁反力較大（>5 000 kN），同時(shí)基礎(chǔ)的整體剛度小，技術(shù)指標(biāo)最差。

（4）中空筏板方案筏板面積與樁數(shù)適中、沉降與沉降差小、筏板受力均勻、樁頂反力適中、筏板基礎(chǔ)的整體剛度也較好。

綜合比較技術(shù)指標(biāo)，不推薦局部布樁方案與獨(dú)立承臺(tái)方案，天然地基—整體筏板基礎(chǔ)方案與樁筏基礎(chǔ)—中空筏板方案較優(yōu)。

5 優(yōu)選方案的經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)以上的推薦意見，我們對(duì)天然地基—整體筏板方案、樁基—中空筏板基礎(chǔ)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比較，見表8（比較中不含土方的工程量。

6 結(jié)語

綜上所述，從可靠度和工期的角度考慮，天然地基—整體筏板基礎(chǔ)方案與樁筏基礎(chǔ)—中空筏板方案較優(yōu)。

中空筏板方案筏板面積與樁數(shù)適中、沉降與沉降差小、筏板受力均勻、樁頂反力適中、筏板基礎(chǔ)的整體剛度也較好。但是樁基的施工周期較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大，僅試樁、養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)就需要4～6個(gè)月的施工周期，存在一定的適用條件。

天然地基筏板方案施工方法簡(jiǎn)單，費(fèi)用稍低，但是筏板角部存在局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可以調(diào)整筏板剛度或者設(shè)置砂礫石墊層等措施加以避免，也是可行的設(shè)計(jì)方案。

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