光熱電站熔鹽罐基礎(chǔ)陶粒土回填施工技術(shù)

胡衛(wèi)兵，張鋒凌，繆 勇，陳維虎，陳 李，鄒麗文，孫祁究

(中建三局第二建設(shè)工程有限責任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

熔鹽儲罐是光熱電站儲熱系統(tǒng)的重要組成部分，通過儲罐中熔鹽長周期儲蓄熱能，保證電站在夜間無光照情況下能持續(xù)發(fā)電。熔鹽產(chǎn)品凝固點高達220℃，發(fā)電運行期間熔鹽將被加熱到600℃儲存在罐體內(nèi)，單個罐體熔鹽儲量達到萬噸級，根據(jù)以上特點，在熔鹽罐基座設(shè)計了保溫層承載層，在承載熔鹽罐荷載同時減少熔鹽罐向基礎(chǔ)層的熱量傳導(dǎo)，有助于使基礎(chǔ)層的溫度保持在合適的范圍內(nèi)，有助于保證基礎(chǔ)層的承載性，延長使用壽命。陶粒因有良好的保溫隔熱性，現(xiàn)階段已用于光熱電站熔鹽儲罐基礎(chǔ)保溫層承載層材料。熔鹽罐陶粒層回填的壓實質(zhì)量和保溫效果將影響罐體穩(wěn)定和熱能損失，進而影響后期光熱電廠運行安全和效率。

1 工程概況

迪拜700MW光熱與250MW光伏混合電站采用“塔式+槽式”集中式光熱發(fā)電技術(shù)，其配置包括1×100MW 塔式熔鹽儲熱發(fā)電機組和3×200MW槽式熔鹽儲熱發(fā)電機組，塔式機組配置15h儲熱系統(tǒng)，每臺槽式機組配置13.5h儲熱系統(tǒng)，光熱部分合計發(fā)電容量達700MW。

100MW光熱機組配套熔鹽冷罐、熱罐各一個，二者基礎(chǔ)尺寸近似，半徑均為22 800mm左右，熱罐基礎(chǔ)略大?；A(chǔ)整體高度分別為2 250mm和2 450mm， 基礎(chǔ)外環(huán)由外到內(nèi)依次為鋼環(huán)墻和保溫磚墻，中部回填陶粒土；內(nèi)部從下往上依次為砂層(埋設(shè)通風管)、陶粒土層(冷罐陶粒土層厚度為1 500mm， 熱罐陶粒土層厚度為1 700mm)、碎石層和耐火混凝土，熔鹽罐內(nèi)部的回填面積約1 595m2。根據(jù)設(shè)計要求，在陶粒土層的底部、中部、頂部共設(shè)置4層不銹鋼鋼絲網(wǎng)(見圖1)。

圖1 熔鹽罐基礎(chǔ)設(shè)計

2 陶?；靥钍┕ぜ夹g(shù)

2.1 回填陶粒土選擇

陶粒設(shè)計要求具有高承載力、耐腐蝕性和低導(dǎo)熱性，并且具備較高的工作溫度范圍(1 200℃)，堆積密度<450kg/m3，粒徑為0～20mm，實施時選取的陶粒堆積密度為(340±15%)kg/m3且滿足上述要求。

2.2 陶?；靥钯|(zhì)量控制參數(shù)要求

1)分層回填，每層厚度≤200mm，且回填最后一層厚度≤100mm。

2)壓縮率控制在15%±2%，且不得超壓，實際攤鋪時根據(jù)壓縮率計算出每層虛鋪厚度，回填壓實設(shè)備與陶粒最大接觸應(yīng)力應(yīng)<50kN/m2，以防破壞陶粒。

3)通過動態(tài)平板試驗對回填質(zhì)量進行檢測，動態(tài)變形模量Evd≥14MPa。

4)陶粒土層靜態(tài)平板載荷加載→卸載→加載循環(huán)下的第1次加載和第2次加載的變形模量值滿足：Ev2/Ev1≤2.2，且Ev1≥40MPa。

2.3 陶粒轉(zhuǎn)運與吊裝撒布

熔鹽罐基座外圍的鋼環(huán)墻和保溫磚墻完成后進行內(nèi)部陶粒土的回填施工。一般采用袋裝陶粒土，每袋尺寸為1 000mm×1 000mm×3 000mm，每袋陶粒土的質(zhì)量約1.02t，綜合考慮熔鹽罐基座直徑、吊重及工效，選用100t汽車式起重機進行吊裝撒布，每層陶粒土吊裝撒布過程中，汽車式起重機需移動2～3次站位，可以完成基礎(chǔ)范圍全部攤鋪，工作效率高。

首先100t汽車式起重機將袋裝陶粒吊裝至熔鹽罐基礎(chǔ)作業(yè)面上方約1m高處，人工在包裝袋底部劃開一個大小適中的口子，讓陶粒土以適當流量自然流動到熔鹽罐基礎(chǔ)內(nèi)，同時小幅度移動起重機臂，使陶粒土盡量均勻分散撒布。

2.4 人工攤鋪與平整

當陶粒土吊裝撒布至熔鹽罐基礎(chǔ)面積的1/4左右時，開始安排人工在基礎(chǔ)內(nèi)部對陶粒土進行攤鋪整平。作業(yè)人員采用木耙、鐵鍬等工具根據(jù)回填標高就近攤鋪均勻，局部堆積較多的陶粒土用小推車在基礎(chǔ)內(nèi)部進行轉(zhuǎn)運。

當撒布量達到1層的虛鋪體積時，停止撒布。同時起重機攤鋪陶粒過程中，每層間隔2～3m布置一根長度與攤鋪厚度一致的小木樁作為標高參照物，待該層陶粒土完全攤鋪整平完成后，復(fù)測標高，人工找平調(diào)整，無誤后開始壓實。

在陶粒土層底部、頂部及回填至600，1 200mm 處需鋪設(shè)不銹鋼鋼絲網(wǎng)，底部及頂部采用直徑0.25mm鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為0.5mm；中部采用直徑0.4mm鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔尺寸為2mm，鋼絲網(wǎng)主要起到分隔陶粒土層的作用。在鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)過程中，施工人員應(yīng)盡可能減少對陶粒土完成層的踩踏，可采用在陶粒土上鋪設(shè)木跳板或者鋼板的方式，以減小對陶粒土層壓實質(zhì)量的破壞。

2.5 機械壓實

由于陶粒土具有較大流動性，若采用碾壓設(shè)備直接進行壓實，則碾壓部位周邊的陶粒土易被擠壓開，無法確保碾壓后的平整度，且碾壓設(shè)備直接作用于陶粒土上，會對陶粒土的結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致保溫性能損失，因此采用碾壓設(shè)備直接對陶粒土進行壓實的方法不可行。

經(jīng)過多種壓實方式的嘗試、比對和改進，最終采用陶粒面層預(yù)鋪鋼板以小型機械夯實的回填方法壓實陶粒土，該方法可有效便捷地達到要求。

根據(jù)陶粒輕質(zhì)、易損壞的物理性能，陶粒土壓實前，首先在攤鋪整平好的陶粒土表面鋪滿1 220mm×2 440mm×5mm的光面鋼板(滿鋪約需要500張鋼板)，單面鋼板質(zhì)量約117kg，既方便人工轉(zhuǎn)運，保證鋼板本身不會被壓變形，也能滿足壓實要求(見圖2)。

圖2 陶粒壓實

鋼板鋪設(shè)完成以后，根據(jù)回填壓實設(shè)備與陶粒最大接觸應(yīng)力<50kN/m2的質(zhì)量要求，選擇3t小型壓路機和手持式壓路機來回振動碾壓，靠近鋼環(huán)墻邊或鋼板無法覆蓋的區(qū)域，采用平板夯機夯實。碾壓同時監(jiān)測陶粒土頂標高，待此層厚度達200mm時，停止碾壓，開始壓實質(zhì)量檢測工作。現(xiàn)場實施時，底層陶粒土需連續(xù)碾壓20遍左右方可達到壓實要求，每往上一層需要多碾壓2～3遍。一般每層需連續(xù)碾壓1.5d以上，并且越往上層越難壓實。

3 回填質(zhì)量檢測

陶粒回填質(zhì)量至關(guān)重要，其各項指標必須達到要求，根據(jù)設(shè)計質(zhì)量參數(shù)要求和參照德國標準DIN 18134—2001《平板載荷試驗規(guī)程》，采用動態(tài)變形模量測試儀TERRATEST 4000進行動態(tài)平板載荷試驗，采用沉降相對穩(wěn)定法(慢速法)的淺層靜態(tài)平板載荷方法來檢測回填后陶粒層的質(zhì)量。

3.1 動態(tài)平板載荷試驗(DPLT)

動態(tài)變形模量Evd(dynamic modulus of deformation)是指土體在一定大小的豎向沖擊力和沖擊時間作用下抵抗變形能力的參數(shù)。根據(jù)平板壓力公式，動態(tài)變形模量按下式計算：

Evd=1.5rσ/s

(1)

式中：1.5為承載板形狀影響系數(shù)；r為承載板的半徑，本文取150mm；σ為測試儀最大沖擊動應(yīng)力(MN/m2)；s為承載板的沉陷值(mm)。

3.1.1試驗測點選取

每層壓實完成后選取13個測點做DPLT測試(見圖3), 13個點從中心到邊緣均勻分布，覆蓋整個儲罐基礎(chǔ)。若實測數(shù)據(jù)相對同組數(shù)據(jù)的偏離值較大，則人工排除奇異點，就近選取其他測點，重新測試。

3.1.2試驗步驟

1)準備階段 首先將承載板平放在測試點，將沉陷測試儀和承載板用連接線連接，落錘固定到導(dǎo)桿上部的掛鉤上。

2)校驗階段 啟動沉陷測試儀，前3次落錘，儀器會自動檢測結(jié)果，并語音提示進入正式測量階段。

3)正式測量階段 3次分別落錘，顯示屏上會顯示3次沉陷值s4，s5，s6相對應(yīng)的沉陷曲線以及最后的結(jié)果Evd值，沉陷值-時間曲線如圖4所示。

圖4 DPLT試驗數(shù)據(jù)

圖4中，如果壓實充分，3條沉陷曲線應(yīng)較為貼近，且s4，s5，s6對應(yīng)的最大沉陷幅度應(yīng)依次減小。最大沉降值s取s4，s5，s6的平均值。

3.1.3試驗數(shù)據(jù)分析

以第3層為例進行試驗結(jié)果分析。第3層DPLT數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第3層DPLT數(shù)據(jù)

使用動態(tài)平板測試儀配套數(shù)據(jù)軟件terratest 2.4讀取并自動分析變形模量試驗數(shù)據(jù)：最小值為14.3MN/m2，最大值為22.9MN/m2，平均值為18.593MN/m2， 測試品質(zhì)指標為1.595(測試基準品質(zhì)指標要求>0.88)。 根據(jù)設(shè)計要求Evd≥14MPa，第3層的壓實質(zhì)量符合設(shè)計要求，測試結(jié)果合格。

3.2 靜態(tài)平板載荷試驗

設(shè)計要求靜態(tài)平板載荷試驗(靜載試驗)為加載(最大應(yīng)力不超過300kN/m2)→卸載→加載循環(huán)測試第1，2加載的變形模量值滿足：Ev2/Ev1≤2.2，且Ev1≥40MPa。

根據(jù)德國《平板載荷試驗規(guī)程》，由靜荷載試驗過程中記錄下的荷載和沉降值擬合成應(yīng)力-沉陷值二次曲線，并得出各項系數(shù)，再根據(jù)公式得出變形模量。

沉陷值擬合公式為：

s=a0+a1σ+a2σ2

(2)

式中：s為沉陷值；σ為承載板上的平均正應(yīng)力(MN/m2)；a0，a1，a2為系數(shù)，單位分別為mm，mm/(MN·m-2,mm/(MN2·m-4))。

將上式得出的各項系數(shù)代入變形模量公式，得出不同加載循環(huán)下的變形模量值：

Ev=1.5·r/(a1+a2·σ0max)

(3)

式中：Ev為變形模量(MN/m2);r為承載板半徑(mm);σ0max為最大平均正應(yīng)力(MN/m2)。

采用的加載裝置為標準的10t配重(共3個)，承載板直徑為456mm，因此理論最大加載應(yīng)力可達到1 840kN/m2。

3.2.1試驗測點選取

與DPLT不同，分別在陶?；靥顚訌南轮辽系牡?層和頂層陶粒土面層上做靜載試驗，每層選取有代表性的2個測點，分別位于儲罐基礎(chǔ)的中心和邊緣位置；邊緣位置的壓實難度大，靜態(tài)變形模量相對較低。

3.2.2試驗步驟

采用德國標準DIN 18134建議的支點式試驗裝置，將位移傳感器直接放置在承載板上方，兩邊用配重塊作為支架，通過調(diào)節(jié)承載板上的液壓千斤頂實現(xiàn)逐級加載，直到設(shè)計給定的最大應(yīng)力300kN/m2為止，然后逐級卸載到零。此后可以執(zhí)行下一個加載循環(huán)(見圖5)。

圖5 頂層陶粒靜載試驗

通過記錄加載循環(huán)中位移傳感器的讀數(shù)，得到靜載試驗應(yīng)力-沉陷關(guān)系(見圖6)。圖6為陶?；靥铐敳繉?個點位試驗數(shù)據(jù)，折線從上至下依次對應(yīng)為第1次加載、卸載、第2次加載的應(yīng)力-沉陷值。

圖6 應(yīng)力-沉陷值關(guān)系曲線

3.2.3試驗數(shù)據(jù)分析

第1次加載過程中，基礎(chǔ)的沉陷來源于回填層的彈性變形和塑性變形。加載過程中，陶粒土之間的間隙減小，即回填層變形模量增大，因此斜率逐漸變小。卸載后第2次加載盡可能地消除了塑性變形的影響，主要沉陷來源于彈性變形。2次加載曲線與1次加載曲線形狀類似，但彎曲程度小，更接近直線。

分別用Origin擬合第1次和第2次加載的應(yīng)力-沉陷2次曲線，如圖7所示。

圖7 兩次加載擬合曲線

將兩次加載擬合二次曲線的系數(shù)a1和a2分別代入變形模量公式，得出Ev1/Ev2=42.43/48.54=1.14≤2.2，且Ev1≥40MPa，試驗結(jié)果滿足要求。

同時在后期熔鹽罐注水試驗進行基礎(chǔ)沉降觀測，滿足設(shè)計要求，效果良好。

4 施工控制要點

1)整個施工過程中，陶粒材料選取很重要，選取高強、耐腐蝕和保溫性好的陶粒，堆積密度可為(340±15%)kg/m3，且施工過程中須做好陶粒的保護，除回填壓實過程中靜載試驗時2個試驗點外，應(yīng)控制與陶粒最大接觸應(yīng)力小于50kN/m2，以免破壞陶粒保溫效果。

2)如果考慮資源周轉(zhuǎn)利用，面層壓實可以鋪設(shè)基礎(chǔ)1/3或1/2回填區(qū)面積的鋼板，在壓實的過程中進行鋼板周轉(zhuǎn)，但滿鋪鋼板并且在基礎(chǔ)內(nèi)部同時進行壓實，則可以達到施工速度最大化。實際施工中應(yīng)結(jié)合工期和成本進行綜合考量，靈活調(diào)整資源配置。

3)鋼板鋪設(shè)時，相鄰鋼板盡量貼緊。由于陶粒土流動性大，整個陶粒土壓實過程中，除非必要，禁止直接在壓實完成的陶粒土層上走動，否則將對壓實效果造成較大影響。

4)機械配置上，手扶壓路機作為主要的壓實機械，輔以小壓路機和平板夯機，三者的配置比例可為6∶2∶1。

5)陶粒土壓實需要耗費大量時間和人力機械投入，才能達到要求的壓縮率。壓縮率過大，陶粒損壞；壓縮率過小，承載力不符合要求。在壓實過程中需要跟蹤監(jiān)測每層壓縮后標高，并控制壓縮率在設(shè)計范圍。

6)圓形回填區(qū)域的外圈邊緣通常壓實質(zhì)量較差，實際施工時需特別注意，可通過使用小型機械重復(fù)壓實以保證壓實質(zhì)量。

7)每層回填壓實所投入的機械和壓實時間近似的情況下，越往上層測得的Evd越小，可見由于陶粒土的材料特性，越往上層越難壓實。因此實際施工過程中，可以參考測試結(jié)果優(yōu)化機械配置，合理安排每層的壓實時間。

8)因陶粒土吸水率大，儲水效果較強，陶粒土回填施工過程中嚴禁基礎(chǔ)進水。熔鹽罐基礎(chǔ)四周應(yīng)常備雨布，下雨前停止陶粒土回填施工，并用雨布將整個基礎(chǔ)區(qū)域覆蓋保護，防止積水。

5 結(jié)語

迪拜750MW光熱與250MW光伏混合電站項目作為世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進的光熱發(fā)電站，對熔鹽罐基礎(chǔ)陶?；靥钍┕ず唾|(zhì)量檢測等施工技術(shù)實施總結(jié)和探討可供其他類似項目參考、借鑒。

1)通過陶粒面層預(yù)鋪鋼板以小型機械夯實的回填方法壓實陶粒土的工藝在不破壞陶粒結(jié)構(gòu)的情況下，Evd，Ev1與Ev2均達到設(shè)計要求，效果良好。

2)通過上述壓實施工工藝，過程嚴格控制熔鹽罐基礎(chǔ)陶粒每層回填的壓縮率和標高，配合動態(tài)和靜態(tài)平板試驗進行施工質(zhì)量檢測，實施效果能達到熔鹽罐基礎(chǔ)使用要求。