安徽某變電站膨脹土地基處理方案研究

張龍?bào)J，趙 飛，宣 赫

（中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計(jì)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(diǎn)，在此土壤之上對建筑物進(jìn)行施工，會隨著氣候的變化引發(fā)不均勻的沉降進(jìn)而對建筑物的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，且外界因素極容易致使地基土產(chǎn)生收縮或膨脹[1]。

安徽省是我國膨脹土的主要分布地區(qū)之一，分布于淮北平原地區(qū)和舒城縣城-巢湖市區(qū)-和縣縣城以北的江淮波狀平原地區(qū)，在此以南地區(qū)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(gòu)）筑物中各類結(jié)構(gòu)形式眾多，其中包括受力較大的設(shè)備基礎(chǔ)，如主變（約200 t），對沉降特別敏感的GIS 基礎(chǔ)，也有受力較大的電纜溝，支架基礎(chǔ)。同時(shí)也包括埋深較深的事故油池及較淺的事故油坑。

本文結(jié)合某變電站膨脹土地基實(shí)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(wěn)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(xiàng)目提供借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

安徽某變電站位于安徽滁州市。工程建設(shè)規(guī)模：主變規(guī)模本期建設(shè)2 組1 000 MVA 單相自耦無勵(lì)磁調(diào)壓油浸式變壓器，遠(yuǎn)景4 組主變壓器（4×1000MVA）；500kV出線：本期4 回，遠(yuǎn)景8 回；220 kV 出線：本期10 回，遠(yuǎn)景16 回。根據(jù)地質(zhì)報(bào)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(qū)，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(cè)為水塘洼地，西北側(cè)為苗木地，西側(cè)中間為小樹林，其他區(qū)域?yàn)辂湹亍?/p>

1.3 地層結(jié)構(gòu)特征

場地上部地層為第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)黏土、黏土及第四系上更新統(tǒng)殘積成因的含碎石粉質(zhì)黏土，下伏第三系含礫砂巖（局部為砂礫巖）。場地地層現(xiàn)從上至下描述如下：①粉質(zhì)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(cè)地勢較低處），局部有富集。表層0.3 m 為耕植土，站址區(qū)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(jiān)硬狀態(tài)，稍濕，干強(qiáng)度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區(qū)域局部分布，主要位于站址西側(cè)，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(qiáng)度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區(qū)域局部分布，主要位于站址西側(cè)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(qiáng)度高，韌性高，局部含少量碎石，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，有高嶺土條帶，局部有富集。站址區(qū)域局部分布，主要位于站址西側(cè)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(zhì)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(qū)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(fēng)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(dá)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(cè)）。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(qiáng)風(fēng)化，主要為泥質(zhì)膠結(jié)，少量鈣質(zhì)膠結(jié)，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(dá)8.0～10.0 cm，人工用鎬不易挖掘，可用風(fēng)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(cè)）。

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(wěn)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(shí)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(shè)影響較小，可忽略其影響。

1.5 膨脹土脹縮特性

站址區(qū)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(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）[3]，場地區(qū)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(jù)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算各勘探點(diǎn)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(qū)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(jù)調(diào)研變電站附近土質(zhì)均為膨脹土，全站換土處理不經(jīng)濟(jì)，也無法實(shí)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(fèi)用較高，GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[5]也指出，土中摻入2%～8%石灰粉并拌合均勻是簡單經(jīng)濟(jì)的方法，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告建議，場地土性改良采用5%的石灰粉摻入。

3）根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，場地區(qū)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(chǔ)埋深小于1.5 m 基礎(chǔ)均需處理。

4）加強(qiáng)場地排水設(shè)計(jì)，減少因場地內(nèi)排水系統(tǒng)管道滲水對建筑物沉降變形的影響，且加強(qiáng)施工過程中排水設(shè)計(jì)?；娱_挖應(yīng)防止被水浸泡，暴曬；基礎(chǔ)周邊宜設(shè)置排水溝，防止地表水滲入基坑對地基土長時(shí)間浸泡。場地內(nèi)部及周邊應(yīng)做好集水排水措施，場地內(nèi)降雨及積水應(yīng)及時(shí)排出。

2.2 膨脹土防治主要措施

2.2.1 擋土墻

場區(qū)挖填平衡，填方區(qū)設(shè)置鋼筋混凝土擋土墻，高度2.0～5.5 m 高。站區(qū)擋土墻站內(nèi)側(cè)設(shè)置500 mm 厚碎石反濾層，反濾層外設(shè)置透水性填料（30%碎石土），填料處理至站外地面標(biāo)高。站內(nèi)圍墻2 m 范圍設(shè)置100 mm 厚C15 素混凝土封閉層。擋土墻站外側(cè)設(shè)置混凝土散水和磚砌截水溝。擋土墻基礎(chǔ)底設(shè)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(wěn)定計(jì)算應(yīng)考慮水平膨脹力的作用，無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可參考《工程地質(zhì)手冊》（第五版），安徽合肥工大地區(qū)水平膨脹力59 kPa。

2.2.2 圍墻基礎(chǔ)

變電站常規(guī)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(jié)構(gòu)。挖方區(qū)圍墻基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-1.5 m，未大于大氣影響急劇層深度，基礎(chǔ)C15 素混凝土墊層下設(shè)300 mm 碎石墊層。填方區(qū)圍墻設(shè)置在擋土墻之上，擋土墻兼做基礎(chǔ)，計(jì)算應(yīng)考慮高大圍墻荷載及風(fēng)荷載。

2.2.3 道路

全站道路做法自上而下依次為：①40 mm 厚細(xì)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(wěn)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(qū)道路對路基土進(jìn)行改性處理，⑤碎石墊層下加設(shè)1 m 厚一九灰土墊層。挖方區(qū)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工藝[6]，采用磚砌電纜溝，磚為MU15 燒結(jié)煤矸石實(shí)心磚砌塊，用M7.5 水泥砂漿砌筑，溝內(nèi)外壁及溝底面粉20 mm 厚M15 防水水泥砂漿，同時(shí)沿電纜溝壁澆筑兩道C15 細(xì)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(shè)300 mm 厚碎石墊層，電纜溝側(cè)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(shè)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(wèi)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(gòu)架、主變構(gòu)架建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，其他建構(gòu)筑物為二級，均為單層建筑，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，抗震設(shè)防烈度為7 度。建筑物均采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。

建筑物地坪自室外標(biāo)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(chǔ)C15 素混凝土墊層底部設(shè)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(nèi)地面可按普通房間處理，參照標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)計(jì)。其他所有設(shè)備房間對地面變形要求高，室內(nèi)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(shè)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(shè)300 mm 厚碎石墊層，油池溝壁外側(cè)500 mm 范圍內(nèi)采用非膨脹土（5%的生石灰摻入）回填。

2.2.7 構(gòu)筑物

1）大型基礎(chǔ)。站內(nèi)構(gòu)架、主變和GIS 等重型構(gòu)筑物基礎(chǔ)采用加大基礎(chǔ)埋深為主要的防治措施，基礎(chǔ)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(chǔ)。站內(nèi)端子箱基礎(chǔ)、設(shè)備支架等輕型構(gòu)筑物基礎(chǔ)底設(shè)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(qū)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(shè)300 mm 厚碎石。

2.2.9 站區(qū)主要排水措施

1）站區(qū)護(hù)坡坡頂及坡底均設(shè)置截水溝，適當(dāng)加大截水溝排水坡度，加快坡面排水。

2）站區(qū)為土方平衡，填方區(qū)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(qū)域排水方案，水工專業(yè)提前介入總圖規(guī)劃，結(jié)合電纜溝、操作地坪布置圖減少封閉區(qū)域，必要時(shí)，采用電纜溝過水渡槽。重點(diǎn)關(guān)注建筑物屋面排水順暢，確保雨水管接入排水系統(tǒng)。

4）消防管道采用鋼絲網(wǎng)骨架塑料管，加強(qiáng)管道接頭工藝管控，可在主設(shè)備區(qū)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(fèi)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(fèi)用約141.3 萬元。

3 工程檢測

膨脹土對建（構(gòu)）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(shè)備，為確保工程投運(yùn)后的安全，根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，在設(shè)計(jì)中GIS 大板基礎(chǔ)之上的每個(gè)墩式基礎(chǔ)設(shè)置2 個(gè)觀察點(diǎn)，每臺主變基礎(chǔ)設(shè)置2 個(gè)觀察點(diǎn)。對主控樓及繼電器室各拐角處設(shè)置觀察點(diǎn)。對擋土墻、邊坡每隔20 m 設(shè)置觀察點(diǎn)。并提出全站進(jìn)行長期沉降觀測的要求，以便能夠及早發(fā)現(xiàn)和解決問題[7]。竣工后，應(yīng)每月進(jìn)行一次。觀測工作宜連續(xù)進(jìn)行1 a 以上。必要時(shí)，應(yīng)同期進(jìn)行裂縫、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動、墻體傾斜及基礎(chǔ)水平位移等項(xiàng)目的觀測。

4 對施工質(zhì)量的要求

1）膨脹土地區(qū)施工必須按照設(shè)計(jì)要求，根據(jù)場地條件和季節(jié)性等特點(diǎn)編制施工組織設(shè)計(jì)，提前規(guī)劃站內(nèi)排水系統(tǒng)，保證站內(nèi)無積水。

2）根據(jù)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(nèi)回填，必要時(shí)需采取特別措施。同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注高邊坡高擋墻施工質(zhì)量及安全措施。坡頂棄土至開挖線的距離應(yīng)通過穩(wěn)定性計(jì)算確定，且不應(yīng)小于5 m。

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

5 對運(yùn)行維護(hù)的建議

1）重點(diǎn)關(guān)注GIS、主變基礎(chǔ)表面是否有裂紋及電纜溝、散水等小構(gòu)件裂紋及變形。

2）應(yīng)定期檢查排水溝、雨水明溝、防水地面等，發(fā)現(xiàn)開裂、滲漏、堵塞等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)修復(fù)，保證場區(qū)排水通暢。

3）應(yīng)定期觀察坡體位移情況，當(dāng)出現(xiàn)裂縫時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取治理措施。

6 結(jié)束語

綜上所述，安徽地區(qū)膨脹土分布廣泛，且對變電站中建（構(gòu)）筑物的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極為不利的影響。因此，在變電站建設(shè)的過程中，尤其在前期設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)高度重視，充分論證，多方案比選充分。施工過程中，應(yīng)該采取科學(xué)合理的施工措施來對其進(jìn)行控制，從而使變電站建（構(gòu)）筑物的構(gòu)造穩(wěn)定性得以保障，進(jìn)而保證人們的用電安全。