燃煤电厂主厂房基础设计方案分析

燃煤电厂主厂房基础设计方案分析

丁欣平

(河北省电力勘测设计研究院,石家庄050031)

摘要：根据厂区地质情况和各建筑物使用要求，从主厂房基础荷载、主厂房的基础埋深分析主厂房结构特点，并从基础持力层的确定、承载力条件及基础型式对3种主厂房地基方案进行技术经济比较，最终分析确定独立和条形基础相结合的方案技术可行，并具有较高的经济性。

关键词：荷载分析；地基处理；湿陷性黄土；天然地基场地地层在水平和垂直方向的分布总体上比较均匀，各层地基土之间相变过渡，在层厚上存在着明显的互补性。

收稿日期：2014-10-05

作者简介：丁欣平(1963-)，女，高级工程师，主要从事火电厂土建结构设计工作。

中图分类号：TM715

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2015)01-0001-04

Abstract：According to the geological condition of premises and the building use requirements, this paper analyzes the main building project structure from the main building base load and the main building base depth of burial, analyzes and compares technical and economic of the three main projects foundation projects through base load confirmation, bearing capacity and base type analysis, and confirms the projects is feasible combined with single and strip-type base, and has more economics.

Coal-fired Power Plant Main Building Foundation Design Scheme Analysis

Ding Xinping

(Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

Key words：load analysis;foundation treatment;collapsible loess;natural foundation

1工程地质情况介绍

1.1　地质岩性及物理力学性质

根据本次勘测资料及区域资料，站址区地层为第四系冲积地层，岩性主要以黄土状粉土、粉土、粉质粘土及砂层为主。按地层岩性及物理力学性质，将厂址地表下40 m勘探深度范围内的地层自上而下分为9层。各层岩性特征为：

①黄土状粉土：本层广泛分布于厂址表层，厚度1.70～3.80 m，层底埋深1.80～3.80 m，层底标高55.81～55.89 m。本层压缩系数a1～2=0.297 MPa-1，为中等压缩性土。本层具有湿陷性。

②黄土状粉土：本层厚度0.70～2.50 m，层底埋深4.00～5.00 m，层底标高51.18～52.10 m。本层压缩系数a1～2=0.383 MPa-1，为中等压缩性土。本层具有湿陷性。

③粉土：本层厚度0.50～2.10 m，底板埋深5.00～7.00 m，底板标高50.27～51.66 m。本层压缩系数a1～2=0.233 MPa-1，为中等压缩性土。

④粉土：本层厚度1.30～6.00 m，底板埋深7.50～11.50 m，底板标高45.56～49.65 m。本层压缩系数a1～2=0.158 MPa-1，为中等压缩性土。

⑤粉细砂：本层厚度1.20～8.00 m，底板埋深11.30～17.30 m，底板标高39.46～45.39 m。

⑥粉土：本层压缩系数a1～2=0.193 MPa-1，为中等压缩性土。

⑦中粗砂：本层厚度13.00～17.30 m，底板埋深28.20～34.10 m，底板标高23.18～28.73 m。

⑧粉土：本层厚度1.90～8.30 m，底板埋深35.30～38.80 m，底板标高18.38～21.76 m。本层压缩系数a1～2=0.201 MPa-1，为中等压缩性土。

⑨粉质粘土：本层压缩系数a1～2=0.196 MPa-1，为中等压缩性土。本层未揭穿，本次勘测该层最大揭露厚度4.70 m。

1.2　建筑场地类别及场地地震效应

依据《建筑抗震设计规范》有关规定，拟建场地土类型中硬土，建筑场地类别属Ⅱ类建筑场地。考虑到本场地地形地貌条件和地层分布的特点，综合判定场地属于可进行建设的一般场地。

依据《中国动参数区划图》，场地基本地震加速度值为0.10 g，对应的地震基本烈度为7度，依据《建筑抗震设计规范》，设计地震分组为第一组,设计特征周期为0.35 s。

项目建设场地地震安全性评价报告结论为：场地土为中硬土，建筑场地类别属Ⅱ类。厂址50年超越概率10%的设计基本地震加速度值为0.097 g，地震基本烈度为7度。

2电厂主厂房结构特点

某热电厂一期工程装机为2台300 MW机组，于2010年建成投产，2011年并网发电。留有二期工程在现有厂区的东部扩建余地，建设规模为2台300 MW，配2台燃煤锅炉、除尘、烟气脱硫设施及其它相关的附属设施。

一期工程新建2台300 MW国产亚临界燃煤供热机组，汽轮机房和煤仓间采用钢筋混凝土结构，锅炉炉架为全钢结构，主厂房(包括锅炉房)对地基承载力和变形控制要求高。

2.1　主厂房的基础荷载(表1)

表1主厂房的基础荷载

名 称竖向荷载标准值/kN换热站3475~9880汽轮机间(A列)柱脚3830~8300汽轮机间(B列)柱脚9870~16100煤仓间(C列)柱脚9950~15290汽轮机平台柱脚1130~5500锅炉3580~12500

2.2　主厂房的基础埋深

主厂房±0.00 m标高相当于绝对标高58.10 m。一般情况下，300 MW机组的主厂房基础埋置深度-5 m左右，锅炉基础埋深-5 m。主厂房地段建(构)筑物基础埋深及地质剖面见图1。

3主厂房地基方案的选择

根据工程经验，当燃煤电厂主厂房地基均匀，且无软弱下卧层存在，地基承载力特征值满足表2时，一般可采用天然地基。需要注意的是：地基主要持力层指基础地面下深度为3b(b为基础底面宽度)，且厚度不小于5 m的范围；不包括湿陷性黄土；表3中单机容量600 MW一项的主厂房，其主要承重结构为钢结构。

图1　主厂房地段建(构)筑物基础埋深及地质剖面

表2主厂房可采用天然地基的地基承载力参考表

单机容量/MW主要持力层的地基承载力特征值fak/kPa50~100≥220200~300≥270600≥300

根据初步设计阶段岩土勘测报告，主厂房基础埋深处的土层位于②层黄土状粉土上。②层黄土状粉土地基承载力特征值110 kPa，具有Ⅰ级非自重湿陷性；不能满足主厂房(甲级)基础要求。

表3不同阶段地基处理造价方案

设计阶段地基方案选择处理费用/万元备注可行性研究人工挖孔灌注桩890限制使用初步设计长螺旋压力灌注桩复合地基960施工图设计天然地基(或换填处理)无(或150)

其中可行性研究阶段采用人工挖孔灌注桩(非本院设计)。因人工挖孔灌注桩已经被河北省列为限制使用的地基处理方式，其安全性很难保证。在河北某电厂施工时也曾经发生孔塌埋人的事故，故本工程不采用此方法。初步设计阶段地基处理方案选用了钻孔灌注桩、长螺旋压力灌注桩复合地基以及钢筋混凝土预制桩进行了综合经济比较，由于复合地基能充分发挥桩间土的强度，从而节省地基处理费用(造价低)，且施工方便、安全，成为初步设计阶段首选。当进入施工图阶段后，已有详细的岩土勘测资料，如能采用天然地基，对降低造价和缩短工期非常有利。

3.1　基础持力层的确定

主厂房±0.00 m标高相当于绝对标高58.10 m。一般情况下，主厂房大部分基础埋置深度-5 m左右，锅炉基础埋深-5 m，基础的持力层位于②层黄土状粉土上。②层黄土状粉土，地基承载力特征值110 kPa，具有Ⅰ级非自重湿陷性；③层粉土，地基承载力特征值160 kPa；④层粉土，地基承载力特征值310 kPa。主厂房基础压缩层范围内，上述③层、④层土工程性能良好，可以作为主厂房基础的持力层。主厂房(包括汽轮发电机基座、锅炉构架、集中控制楼)基础设计等级是甲级，建筑物分类为甲类，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》第6.1.1条，需要全部消除湿陷。处理方案如下：

方案一：对基础下的②层黄土状粉土采用换填灰土垫层法进行处理，基础埋深-5.0 m，换填2 m厚灰土垫层，垫层主要位于③层粉土上。

方案二：基础位于③层粉土上，地基承载力特征值160 kPa，埋深最深至-6.5 m左右；由于地基承载力较低，故采用换填1 m厚灰土垫层，垫层已经位于④层粉土上。

方案三：增加基础深度，直接利用④层粉土，此层土的地基承载力特征值310 kPa，埋深最深至-7.5 m左右。

由以上处理方案可以设计3种不同基础埋深方案供选择，见表4。

表43种不同基础埋深方案

基础方案基础埋深/m地基土的承载力特征值/kPa基础形式地基处理情况方案一-5.0110片筏及十字条形基础灰土垫层方案二-6.5160片筏及条基灰土垫层方案三-7.5310独基及条基不需要

3.2　承载力条件及基础型式

3.2.1承载力条件

方案一：按基底埋深5 m考虑，基础位于②层黄土状粉土，换填2 m厚灰土垫层，灰土地基的承载力特征值按fak=250 kPa,按JGJ 79-2002《建筑地基处理技术规范》进行深度修正，有：fa=fak+ηdγmd=250+1×20×2=290 kPa，(式中：fa为修正后的地基承载力特征值；fak为地基承载力特征值；ηd为基础埋深的地基承载力修正系数，换填取1.0；γm为基础底面以上土的加权平均重度，换填取2.0；d为基础埋置深度，换填取2 m)。

由于换填土位于-7.0 m，下部还有部分软弱下卧层，对基础的沉降不利，特别是汽轮机基础下部土层不均匀，有部分砂夹层，如果粉土遇水土体发生破坏会造成不均匀沉降，对汽轮机及电机运行不利。

方案二：按基底埋深6.5 m考虑，基础的持力层为③层粉土，按勘测报告中所给出的数据，该层的地基承载力特征值fak=160 kPa,按GB 5007-2002《建筑地基基础设计规范》所给出的公式进行修正：fa=fak+ηdγm(d-0.5)，(式中：ηd取1.5；γm取18 kPa；d取6.5 m。)

fa=160+1.5×18×6=322 kPa，换填土位于-7.5 m，开挖深度同方案三，从方案三角度看，换填出来的地基承载力特征值基本等同于④层粉土的地基承载力特征值fak=310 kPa,处理意义不大。

方案三：按基底埋深7.5 m考虑，基础的持力层为④层粉土，按勘测报告中给出的数据，该层的地基承载力特征值fak=310 kPa,按GB 5007-2002《建筑地基基础设计规范》所给出的公式进行深度修正有：fa=fak+ηdγm(d-0.5)，(式中：ηd取1.5；γm取18 kPa；d取7.5 m)，因此fa=310+1.5×18×7=499 kPa。

对比地基处理方案的结果比较明显，方案三采用天然地基，承载力高，且没有地基处理费用，又节省了地基处理的工期，是最优方案。

3.2.2上部基础

根据工艺布置情况，按工艺提供的主厂房荷载，在对主厂房结构进行计算的基础上，对主厂房基础进行了详细计算及布置。

对于方案一，需要采用片筏基础及条形基础，根据基础埋置深度，本工程主厂房煤仓间布置的磨煤机为双进双出钢球磨煤机，机型较大，位于2个11 m跨之间，基础梁高2～2.75 m，影响磨煤机布置，故宜加大深度；且当采用换土垫层时，由于垫层的厚度影响，主厂房开挖也必须到-7.0 m(-5.0 m埋深并考虑2 m垫层厚度)。方案二，由于地基承载力不高，需要地基处理，提高地基的承载力，换填碎石或灰土厚度1 m以上，开挖深度已到-7.5 m，如果垫层厚度小于1 m，仍然需要采用片筏基础及十字交叉条形基础；承载力及沉降才能满足要求。方案三，虽然比方案二埋深加大1 m，但采用天然地基，随着地基承载力的大大提高，可以采用条形基础及单独基础。基础采用独立基础及条形基础，减少工程量的同时，降低了造价，由于主厂房占地空间大，采用片筏基础及十字交叉条形基础时造价增加很多，方案三相对其它2个方案，它以单独基础为主，条形基础为辅，能够大量节省基础的投资，相对其它方案是最优的。方案三的主厂房基础布置图见2。

图2　主厂房基础布置图(截选部分)

由图2可知，主厂房采用天然地基，基础采用条形基础是完全可行的，而且柱子长度增加的混凝土量也不大。

3.3　变形条件

从地层条件分析，③层粉土，压缩系数a1～2=0.233 MPa-1，为中等压缩性土，e-p曲线见图3。④层粉土，压缩系数a1～2=0.158 MPa-1，为中等压缩性土，e-p曲线见图4。

⑤层粉细砂，中密，压缩量很小。⑥层粉土，压缩系数a1～2=0.193 MPa-1，为中等压缩性土，为一薄夹层，厚0～1.2 m。第7层中粗砂：中密，压缩量很小。

图3　③层粉土 e- p曲线

以上分析可见，主厂房等主要建筑位于③层、④层粉土上，其土体压缩系数变化不大，沉降量应能够满足要求。

为对地基的沉降变形进行定量评价，根据初步设计提供的荷载对主厂房煤仓间的地基沉降进行计算如下。

图4　④层粉土 e- p曲线

由于方案一与方案二基本相同，因此现以方案二片筏基础为例进行计算，沉降计算结果见表5。

表5方案二沉降计算结果 mm

项目最大沉降最小沉降平均沉降B列957484.5C列836674.5

由表5可见，沉降小于规范规定的200 mm。

方案三：宽5 m条形基础沉降计算结果见表6。

表6方案三沉降计算结果 mm

项目最大沉降最小沉降平均沉降B列133.496114.7C列11387100

由表6可见，沉降小于规范规定的200 mm。

4技术经济比较

对3种方案进行技术经济比较

见表7，此次比较仅计算汽轮机房，包括汽轮机房披屋但不包括锅炉及集控楼等。

表73种方案经济性对比mm

方案种类基础埋深基础型式基础工程量/m3基础费用/万元备注(地基处理)总费用/万元方案一-5m片筏及十字条基9800784灰土垫层2m厚,费用150万元1024方案二-6.5m片筏及条基8100648灰土垫层1m厚,费用80万728方案三-7.5m条基及独基5900472472

综上所述，主厂房采用方案三，即独立和条形基础相结合，技术上可行，经济性可观。

5结束语

综上所述， 主厂房采用方案三，采用天然地基，并且独立和条形基础相结合，减少了桩基费用，其技术经济性优势明显。对于火力发电厂而言，由于厂房的体积很大，而地基和基础造价占总造价的1/3还多，优化地基和基础，对减小工程总造价有非常重要的意义。

参考文献：

[1]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[2]GB 50025-2004,湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[3]JGJ 79-2012,建筑地基处理技术规范[S].

[4]GB 50011-2012，建筑抗震设计规范[S].

[5]GB 18306-2001，中国动参数区划图[S].

本文责任编辑：丁力