火电厂塔式锅炉粘性土地基基础设计研究

罗红青

摘 要：火力发电厂尤其是1 000 MW超超临界燃煤发电机机组的塔式锅炉，具有高度高、单柱荷载大、柱间跨度大、结构体系对基础沉降要求严格的特点。根据某工程的工程地质条件和塔式锅炉的荷载及布置条件，提出了针对粘性土的天然地基方案，同时对采用筏板基础、整片布桩和局部布桩的基础方案进行了技术性对比，分析塔式锅炉在非岩性地基条件下采用天然地基的所需条件及可行性，最终确定安全可靠的塔式锅炉地基及基础的工程应用方案，降低了基础工程造价同时节约了工期。

关键词：塔式锅炉 地基处理 基础设计

中图分类号：TU443 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0042-03

世界上大容量机组的锅炉型式主要有∏型锅炉和塔式锅炉两种炉型。在日本、美国和前苏联700 MW以上的超临界和超超临界机组采用的是∏型锅炉。而在德国，所建的大容量机组几乎都是塔式锅炉。上海锅炉厂2004年从德国ALSTON公司引进了超超临界塔式锅炉，具有高度高（约120 m）、荷载大（3.78万t）、单柱荷载大（单柱约1.3万t）、柱间跨度大（31.5 m）、沉降要求严格（1/2 000）的特点。

1 工程概况

该工程为安徽某地“以大代小”改扩建2×1 000 MW级机组，其锅炉采用的是上海锅炉厂生产的1 000 MW超超临界机组的塔式锅炉。

2 工程地质

2.1 地层特征及分布

地层特征及分布如下。

①素填土（Q4ml）：杂色，以粘性土为主，夹少量碎石、煤渣、混凝土块、砖块，多呈松散状。局部为杂填土。层厚0.90～6.50 m，平均2.9 m。分布于局部地段。

②-1淤泥质粉质粘土（Q4l）：青灰、灰褐、灰黑、黑色，饱和～很湿，软塑～流塑状，含腐植质。层厚1.70～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

②-2 粉质粘土（Q4al）：灰、灰褐、灰黄色，很湿，软塑～可塑，部分地段夹小石子和粗砂。层厚1.10～3.60 m，平均2.7 m。分布于局部地段。

③粉质粘土（Q3al）：棕黄～黄褐色，湿，硬塑，局部含黑色铁锰质胶膜及灰白～灰绿色高岭土团块。层厚3.40～7.30 m，平均5.1 m。分布较普遍。

④含粘性土碎石（Q2al）：黄褐、棕黄色，湿，中密～密实，碎石成分主要为石英砂岩，含量为50%～60%，粒径一般在2～5 cm，大者10～12 cm，最大直径达40 cm，磨圆度一般，次棱角状～亚圆形，碎石多为中风化、较坚固；碎石间主要为棕黄色粉质粘土充填，稍湿，可塑～硬塑，粘性土含量为25%～30%。混少量砂、砾。地基土不均匀，局部地段岩性渐变为含粘性土砾石，粘性土团块直径达20～30 cm。层厚3.60～6.70 m，平均4.8 m。分布较普遍。

⑤泥质砂岩（R）：褐红色、紫红色，泥质结构，水平层状构造。含砾石。局部地段顶部0.5～1.0 m为全风化，岩芯手捏易碎，工程性能较差；以下渐变为强风化～中等风化，力学性质较好。此层未揭穿。层顶深度10.10～14.90 m。层顶标高14.90～17.92 m。

2.2 各主要地层物理力学指标推荐值

各主要地层物理力学指标推荐值见表1、表2。

2.3 地下水条件

主厂房及锅炉地段的地下水为上层滞水，主要接受大气降水的补给。整体来说，水量小，对建筑物基础和施工影响不大。

2.4 场地与地基地震效应

该工程场地50年超越概率10%的地表水平峰值加速度为81gal（0.081 g），工程场地地震基本烈度为6度，I、II级阶地的动反应谱特征周期为0.40 s。

3 锅炉地基基础方案设计

3.1 锅炉区域地基条件分析

根据施工图阶段的主厂房布置方案，厂房及锅炉区域±0.00设计标高为吴淞高程26 m。结合厂区总平面布置，按照锅炉基础埋深-7 m计算，基础底板均坐在④层和⑤层土上。

5#和6#锅炉4个柱下⑤层土顶距离基础底面（绝对标高 19.00 m）的距离见表3。

3.2 锅炉基础布置图

图1为由该院工艺专业提供的上海锅炉厂1 000 MW超临界塔式锅炉基础平面布置图。荷载资料（略）。

3.3 地基设计参数的计算

3.3.1 相邻关系

塔式锅炉基础设计布置考虑与煤仓间结构分开独立布置，基础沉降计算考虑周边主厂房、集中控制楼的影响。锅炉K1轴线距煤仓间D列柱8.00 m，根据煤仓间基础初步设计计算，炉侧最大可占用距离8-3.25=4.75 m。

由于塔式锅炉基础荷载的绝大部分荷载集中落在炉膛周围的4个柱子上，以下的设计方案均是针对这4个柱子区域进行基础设计，计算时包括了离4个柱较近的H列的4个小柱荷载，其他钢柱柱脚为常规荷载。

3.3.2 地基承载能力特征值及其修正值

综合考虑载荷板试验、标贯试验与动探试验结果：④含粘性土碎石的地基承载力特征值取400 kPa；⑤层泥质砂岩的地基承载力特征值取400 kPa。考虑深度修正后的基底④含粘性土碎石土的地基承载力为：

fa=fak+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）

fa=400+0+2.2×10×（9-0.5） =588 kPa

3.4 地基及基础的计算分析

地基和基础方案在初步优化的基础上，提出了4种基础方案，并且分别进行了模拟计算和分析。4种基础方案图如下。

（1）天然地基—整体筏板基础（见图2）。

（2）桩筏基础—大筏板局部布桩方案（见图3）。

（3）桩筏基础—独立承台基础（见图4）。

（4）桩筏基础—中空桩筏基础（见图5）。

3.5 计算结果

上述4种方案，筏板沉降与受力、桩顶反力等情况的比较见表4～7。

4 锅炉地基基础方案比较

（1）天然地基方案沉降大（最大沉降68.3 mm），相邻立柱最大沉降差为23 mm>l/2 000=15 mm。基底反力标准值的平均值为390 kPa1.2，fa=706 kPa。可能发生局部地基破坏。

（2）局部布桩方案的沉降较小，筏板受力也较小，但需要考虑地基土与桩共同受力，同时筏板面积大、桩数也较多，经济指标最差。

（3）独立承台方案受锅炉厂房柱基础的限制，承台尺寸受限、布桩也受到限制，导致桩数较少、桩反力较大（>5 000 kN），同时基础的整体刚度小，技术指标最差。

（4）中空筏板方案筏板面积与桩数适中、沉降与沉降差小、筏板受力均匀、桩顶反力适中、筏板基础的整体刚度也较好。

综合比较技术指标，不推荐局部布桩方案与独立承台方案，天然地基—整体筏板基础方案与桩筏基础—中空筏板方案较优。

5 优选方案的经济比较

根据以上的推荐意见，我们对天然地基—整体筏板方案、桩基—中空筏板基础方案进行了经济比较，见表8（比较中不含土方的工程量。

6 结语

综上所述，从可靠度和工期的角度考虑，天然地基—整体筏板基础方案与桩筏基础—中空筏板方案较优。

中空筏板方案筏板面积与桩数适中、沉降与沉降差小、筏板受力均匀、桩顶反力适中、筏板基础的整体刚度也较好。但是桩基的施工周期较长，现场施工难度大，仅试桩、养护、检测就需要4～6个月的施工周期，存在一定的适用条件。

天然地基筏板方案施工方法简单，费用稍低，但是筏板角部存在局部应力集中的现象，可以调整筏板刚度或者设置砂砾石垫层等措施加以避免，也是可行的设计方案。

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