岩溶发育区超大型冷却塔地基处理方案研究

李瀛涛

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 常规处理方法

岩溶是由泥灰岩、石灰岩等可溶性岩石长期受地下水的地质和化学作用而形成的。这类基岩在附加荷载作用下或震动作用下，易形成持力层变形甚至坍塌，对上部建构筑物的安全造成较大隐患。冷却塔是电厂中的重要构筑物，其高度和底部荷载均较大，对地基要求高，对于岩溶发育场地，需要进行妥善处理。

按照现行《建筑地基基础设计规范》(GB 50007－2011)，对地基稳定性有影响的岩溶洞隙，应根据其位置、大小、埋深、围岩稳定性和水文地质条件综合分析，因地制宜采取以下处理措施：

(1)对较小的岩溶洞隙、可采用镶补、嵌塞与跨越等方法处理。

(2)对较大的岩溶洞隙，可采用梁、板和拱等结构跨越，也可采用浆砌块石等堵塞措施以及洞底支撑或调整柱距等方法处理。跨越结构应有可靠支撑面。梁式结构在稳定岩石上的支撑长度应大于梁高1.5倍。

(3)基底有不超过25%基地面积的溶洞(隙)且充填物难以挖除时，宜在洞隙部位设置钢筋混凝土底板，底板宽度应大于洞隙，并采取措施保证底板不向洞隙方向滑移。也可在洞隙部位设置钻孔桩进行穿越处理。

2 工程概况

某电厂超大型冷却塔高约210m，下部采用环板基础。环板基础中心直径约170m。位于岩溶发育强烈地段。根据地质勘查结果，拟建场地第四系土层主要为上更新统冲湖积层和坡残积层粘性土，下伏基岩为二叠系燧石灰岩、泥质粉砂岩和石英砂岩。从上到下地层分别为回填土、粉质粘土、含砾粘土、燧石灰岩，中间局部夹杂呈带状分布的泥质粉砂岩及呈薄层状分布于泥质粉砂岩中的石英砂岩。场地内含水层为回填土、粘性土和基岩，不会产生流砂、管涌等现象，基坑降水和排水对场地和地基的稳定性影响较小。各土层地基承载力见表1。

表1 各岩土层地基承载力建议特征值

粉质粘土、含砾粘土的承载力为160kPa～180kPa，超大型冷却塔的基底所需承载力平均值约350kPa～400kPa，这两层土无法作为超大型冷却塔基础的持力层。下部燧石灰岩承载力为2000kPa，可满足承载力要求，但是其埋深和起伏均较大，最高处出露地表，最深处埋深约为23.8m。

冷却塔拟建场地处的燧石灰岩溶洞呈串珠状发育，根据勘查结果，溶洞内大部分为全充填，少量为半充填或无充填，充填物以粘土为主，溶洞洞深0.10m～13.60m。根据各钻孔揭示溶洞位置、洞径、充填情况及可溶岩厚度计算，钻孔遇洞率为66.1%，钻孔线溶率为23.7%，根据《火力发电厂岩土工程勘测技术规程》(DL/T5074－2006)表7.3.2，综合判定该场地岩溶发育程度为极强烈发育，属于未经处理不宜作为地基的不利地段。

3 地基处理方案

根据环基初步估算宽度，按照《火力发电厂水工设计规范》(DL/T5339－2006)规定的地基承载力计算工况1.1G+1W/1.9在冷却塔结构有限元模型中进行整体计算。由于冷却塔高度超过规范适用的165m上限，整体计算中风荷载考虑风洞试验得到的群塔风压影响系数和风振系数，计算得到冷却塔壳体支撑柱底(含环基自重)的最大竖向荷载为51600kN，最大水平荷载为9700kN。由于冷却塔风荷载作用方向可为任一方向，因此地基处理方案确定阶段偏于安全的采用最大支柱下荷载进行设计。

根据详勘报告，建议冷却塔采用桩基础，桩型选用钻(冲)孔灌注桩。钻孔和冲孔根据不同地层结合使用，在粘性土或完整岩层中成桩以钻孔为主，冲击成孔主要在第四系覆盖层中遇到碎石土或孤石时采用，另外在岩溶发育段使用也有其独特优势。冷却塔的大部分地段为灰岩区，建议以⑫层中等风化燧石灰岩为桩端持力层，考虑到该区域岩溶发育极强烈，建议桩端以下保持一定深度的稳定岩层。

3.1 桩基承载力计算

根据详勘地质资料，桩基设计参数极限标准值及地基土水平抗力系数的比例系数的见表2、表3。

表2 桩基设计参数极限标准值

表3 地基土水平抗力系数的比例系数和岩石地基坚向抗力系数建议值

3.1.1 竖向承载力计算

考虑到工程范围内地层变化较大，桩基竖向承载力计算时忽略桩基侧阻力，仅考虑端承力。根据上述参数，按照《建筑桩基技术规范》(JGJ 94－2008)中5.3.9节计算，嵌岩深径比取0.5，对于常用的1.0m～1.5m直径的不同桩基承载力特征值进行计算，不同直径灌注桩的承载力见桩见表4。

表4 中风化燧石灰岩持力层桩基竖向承载力

计算中桩体采用C35混凝土，钢筋保护层厚度55mm；桩身配筋率按0.65%考虑，承载力特征值取整。对于局部位置实际计算承载力小于表4时，可适当增大桩基的嵌岩长度，满足表4承载力设计需要。

3.1.2 水平承载力计算

冷却塔属于对水平位移敏感的建筑物，按照现行《建筑桩基技术规范》(JGJ 94－2008)5.7节规定进行桩基水平承载力的计算。地基土水平抗力系数的比例系数见表3。

冷却塔下部岩石起伏较大，按照钻孔情况统计，其绝大部分桩长在14m～32m之间，从环基处地质资料来看，环基底均为⑪1和⑫层土，冷却塔下桩基长度统一按照14m计算，水平抗力系数的比例系数偏于安全的按⑪1层土取值。

桩基水平承载力特征值按桩顶自由变位6mm考虑，按照桩长为14m考虑时，桩顶水平位移系数为2.441。不同桩径水平承载力见表5。

表5 桩基水平承载力

对于岩石埋深较浅位置的桩基，可增加桩长以达到表5所计算的承载力。

3.2 地基处理方案

冷却塔区域为挖方区，下部基岩面起伏较大，浅部岩溶发育强烈。从地质剖面图可以看出，环基中有约1/4坐落在基岩上。综合考虑各钻孔情况，考虑以下四种方案：

3.2.1 桩基方案

冷却塔环基下岩石起伏大，岩溶发育剧烈，下部岩石均为⑫层中等风化燧石灰岩。在GK26、XK50钻孔处，环基可坐落在岩石上且下部无岩溶发育，其他岩石出露地表的钻孔下部岩溶均呈串珠状，发育剧烈，另外还有其他13个钻孔岩层埋深较大。为保证环基地基处理均匀，考虑使环基全部坐落在桩基上。对于GK26、XK50钻孔，开挖岩石至环基底部以下4m深度，分层碾压回填后开始打桩，桩基进入完整岩石1.5m，总桩长为5.5m，其他位置桩基穿过岩溶至稳定持力层，以⑫层中等风化燧石灰岩为桩端持力层。按照勘测报告建议和《建筑桩基技术规范》(JGJ 91－2008)3.3.3中第5条，稳定持力层按桩端以下完整岩石层厚度不小于3d和5m的较大值考虑。桩长为5m～39.9m。具体布桩形式见图1。

图1 环基布桩图

按照上述布桩形式，相当于每个支柱下有9根桩，1.0m～1.5m直径的桩均可满足竖向承载力要求；对于水平荷载，按照现行《建筑桩基技术规范》(JGJ 94－2008)中5.7.3条计算，1.2m直径桩和1.5m直径桩的群桩效应综合系数分别为2.24和1.88，群桩水平承载力分别为8467.2kN和11167.2kN，按照冷却塔整体计算得到的壳体支撑柱底最大水平向荷载为9724kN。因此，按照上述布桩形式采用直径为1.5m的桩可满足受力要求。

对于淋水支柱基础，其竖向荷载较小且仅承受地震作用下的水平力。根据地基实际情况，对于坐落在岩层上的基础采用天然地基，并对下部5m范围内存在的岩溶进行开挖换填处理，桩端以下5m范围内岩溶进行灌浆处理；对于岩层距地面小于5m的基础采用毛石混凝土换填；对岩石埋深较大的位置采用一柱一桩方案，直径0.8m的灌注桩可满足受力要求，桩端应穿过溶洞进入稳定地层，以⑫层中等风化燧石灰岩为桩端持力层。

3.2.2 桩基+天然地基方案

该方案对环基可直接坐落于岩层的位置采用天然地基，并对下部5m深度范围内存在的岩溶进行灌浆处理；对于GK21、GK23等岩层距环基底部小于5m的部分，采用毛石混凝土换填处理；对岩石埋深较大的位置采用桩基础，桩端应穿过溶洞进入稳定地层，以⑫层中等风化燧石灰岩为桩端持力层。桩长为5m～39.9m。具体布桩形式同图1。

淋水装置区域地基处理方案同方案一。

3.2.3 换填毛石混凝土处理方案

冷却塔下基岩至环基底部最大埋深为22.6m。该方案考虑将冷却塔内地基全部开挖至⑫层中等风化燧石灰岩，对下部岩石层5m厚度以内的岩溶开挖后用毛石混凝土换填，其下岩溶采用灌浆处理。钻孔探明及开挖发现的岩溶全部处理完毕后，采用毛石混凝土回填至冷却塔基底。该方案可对冷却塔下岩溶发育情况全面掌握，处理方式可靠，但土方量大。

淋水装置区域柱基础也采用毛石混凝土换填。

3.2.4 换填浆砌毛石处理方案

该方案与方案三类似，仅在基地换填时采用浆砌毛石代替毛石混凝土。稳定岩石层厚度以下岩溶处理同方案三。该方案可较方案三减少换填体积。

3.3 地基处理方案对比

按照上述四种方案，对冷却塔整个地基处理费用进行经济分析，计算中考虑以下内容：

(1)经济分析中除地基处理费用，还包括环板基础、淋水装置基础等基础费用，并考虑桩基检测和基坑支护等费用。方案三、四换填后基地承载力较高，可减小环基尺寸，计算中考虑基础减小对造价的影响。

(2)在岩溶发育地区，根据以往工程经验充盈系数变化可能很大，根据现有地质情况及相关工程经验，在造价计算中按实际计算的1.6倍估算考虑。

(3)冷却塔大开挖方案中，下部基岩表层起伏较大，为使施工作业设备能够通行和运转，开挖工程量中需要考虑岩石坡度的削整。由于坡度变化较大，且开挖后岩石表面岩溶处理的不确定性，最终造价按照实际工程量增加20000m³岩石开挖和10000m³的毛石回填估算。

通过技经专业计算，由低到高分别是方案四、方案二、方案一、方案三。各方案所需费用差别不大，最高与最低的方案四与方案三差价为四种方案平均造价的9.3%。各方案优缺点对比见表6。

表6 冷却塔环基地基处理方案对比

4 结论

通过上对比，方案二与方案一造价相近，但处理后地基分别坐落在岩石和桩基上，且两种地基分段间隔，同时两者刚度差别较大，造成地基不均匀，按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)规范要求,“同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基”，因此不推荐方案二。其他三种方案均能使冷却塔地基处理相对比较均匀，比较这三种方案：方案三和方案四较方案一施工难度小，表层岩溶能全部发现并得到有效处理，但方案三工程投资是这四种方案中最高的，而且由于基底岩溶发育强烈，工程量计算难度大，可能存在较大误差；方案四投资最小，但需要回填高度较大的浆砌毛石，需更严格的控制施工质量；方案一的工程量较省，其处理费用略低于四种方案的平均造价，同时也是勘测报告推荐的方案，虽然地下岩溶使得桩基施工难度大，但参考同类地基处理施工经验，岩溶处理的风险是可控的。通过上述方案对比，考虑该冷却塔地基处理采用方案一。

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[2]GB 50007－2011，建筑地基基础设计规范[S]．

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