塔式锅炉与П型锅炉在软土条件下地基基础对比分析

马骏骧

（中国电力工程顾问集团 华东电力设计院有限公司，上海 200063）

随着国力的提升和科技的发展，国内火力发电厂技术也日益进步与成熟，单台机组装机容量从300 MW 到600 MW，再到1 000 MW，乃至即将问世的1 350 MW。锅炉作为火力发电厂最重要的设备之一，也经历了从小到大，从落后到先进的发展过程。对于大容量火电煤粉锅炉，常用的炉型包括塔式锅炉与П型锅炉两种。

从工艺角度对两种炉型的对比分析已多有研究[1]，但在工程前期进行锅炉选型决策时，决策者不仅关心锅炉设备的可靠性和经济性，也需同时考虑不同炉型对应的地基基础方案及造价的差别。尤其是在软土地基条件下，地基处理的工程费用往往较大。本文以在软土地基条件下的某电厂项目为例，对此进行对比分析，以供参考。

1 项目背景

1.1 项目概况

项目总装机容量4 × 1 000 MW，分两期建设。一期工程2 × 1 000 MW 机组分别于2007 年12 月、2008 年4 月投运，采用П型锅炉；二期工程2 × 1 000 MW 机组分别于2015年9 月、2016 年1 月投运，采用塔式锅炉。

1.2 项目地质条件

根据现场勘察资料，地层大致划分为：

①填土：上部部分为杂色粉质黏土夹碎石，往下为黄色吹填砂，松散。

②粉质黏土：褐黄色～黄色，软塑～可塑，很湿，含少量铁锰质、贝壳及腐殖质，局部夹黏土，部分缺失。

③淤泥质粉质黏土：灰色～黄灰色，流塑，饱和，含云母及腐殖质，局部夹粉质黏土、粉土及粉砂，呈千层饼状。

④1 粉砂：灰色，松散，饱和，含云母及少量粉质黏土，为一透镜体。

④2 粉质黏土与粉土互层：灰色，软塑～流塑，很湿；粉土为灰色，稍密，很湿，含云母，夹淤泥质粉质黏土、粉砂，局部为粉土。

⑤粉砂：灰色，稍密～中密，局部上部为松散，饱和，含云母及腐殖质，夹薄层粉质黏土、粉土、细砂。

⑥1 粉质黏土：灰色，软塑～可塑，很湿，含少量云母、贝壳及腐殖质，局部夹淤泥质粉质黏土、黏土、粉土及粉砂，局部缺失。

⑥2 粉质黏土夹粉砂：灰色，软塑～可塑，很湿，粉砂为灰色，稍密～中密，饱和，局部为粉砂夹粉质黏土，含云母及腐殖质，局部缺失。

⑦1 粉砂：灰色，中密～密实，饱和，含云母，含少量粉质黏土、贝壳及腐殖质，含细砂。

⑦2 粉细砂：灰色，密实，饱和，含云母，含少量粉质黏土、贝壳及腐殖质，含粉砂。

⑧中粗砂：灰色，密实，饱和，含云母，含少量粉质黏土及腐殖质，含粉砂、细砂、砾砂。

⑨细砂：灰色～青灰色，密实，饱和，含少量粉质黏土、云母及腐殖质。

1.3 项目其他设计条件

基本风压：0.40 kN·m-2(50 年一 遇)；0.45 kN·m-2(100 年一遇)；地面粗糙度：B 类；抗震设防烈度：7 度；抗震设计分组：第一组。

2 一、二期工程П型锅炉与塔式锅炉地基基础对比

2.1 一期工程П型锅炉地基基础方案

一期工程П型锅炉钢架柱网平面尺寸为69.6 m × 77.4 m，柱网布置图如图1 所示。

由图1 中可见，П型锅炉钢架占地面积较大，立柱较多且分散。

根据地质情况及试桩结果，锅炉炉架基础下地基处理采用C80 预应力混凝土管桩，桩型采用PHC-AB600(110)型，桩尖采用开口钢板桩靴，长300 mm，以⑦2 土作为桩端持力层。桩顶标高为-4.400 m，桩长平均约49 m。

结合柱底反力的分布，该工程П型锅炉钢架基础采用柱下条形基础，各方向条形基础交错，形成中部挖空形式的筏板基础。

该工程桩位布置图如图2 所示，基础布置图如图3 所示。

图 1 П型锅炉钢架柱网布置图Fig. 1 Column layout of П-type boiler furnace frame

经统计，该工程单台锅炉本体桩数678 根；基础厚度3.4 m，基础混凝土用量14 335 m3。

2.2 二期工程塔式锅炉地基基础方案

二期工程塔式锅炉钢架柱距平面尺寸为52.76 m × 53.94 m，柱网及基础布置图如图4 所示。桩位布置图如图5 所示。

根据地质情况及试桩结果，锅炉钢架基础下地基处理采用C80 预应力混凝土管桩，桩型采用PHC-AB600(110)型，桩尖采用开口钢板桩靴，长300 mm，以⑦2 土作为桩端持力层。

结合柱底反力的分布，该工程塔式锅炉钢架主体部分立柱下采用筏板基础，周边立柱下采用独立承台，承台之间设连梁。中部筏板区域桩顶标高为-5.700 m，桩长46 m；周边承台区域桩顶标高为-3.900 m，桩长48 m。

经统计，该工程单台锅炉本体桩数367 根；筏板基础厚度4 m，承台厚度2.2 ～2.5 m 不等，基础混凝土用量8 697 m3。

图 2 П型锅炉钢架桩位布置图Fig. 2 Pile layout of П-type boiler furnace frame

2.3 地基基础对比

该项目两期工程的锅炉地基基础对比如表1所示。

由表1 中可见，就该项目两期工程而言，塔式锅炉桩数与基础混凝土量均较П型锅炉节省近三分之一，在工程量方面具有较明显的优势。需要说明的是，由于二期工程建设时间晚于一期工程，在设计中吸取了一期工程及其他类似工程的经验，进行了一定程度的优化。

本文选取的工程案例为同一电厂的两期工程，机组容量相同，地质条件相同，计算风荷载及抗震设防烈度均相同，其对比结果具有一定的参考意义。

图 3 П型锅炉钢架基础布置图Fig. 3 Foundation layout of П-type boiler furnace frame

3 П型锅炉与塔式锅炉地基基础差异分析

П型锅炉为各火力发电机组常用炉型，塔式锅炉是针对1 000 MW 发电机组推出的炉型。塔式锅炉推出之初，主要应用在东部沿海地区。这些工程地基土条件较差，软弱土层厚，持力层深，这在一定程度上造成了塔式锅炉对地基基础要求更高、地基基础工程量更大的错觉。

从感官上，塔式锅炉的高度远大于П型锅炉，给人较强的视觉冲击，自重显得更重[2]。经对比，两种炉型总重相当，1 000 MW 容量机组两种炉型重量均为约30 000 t。

早期塔式锅炉的炉体承重立柱为4 根，如图6所示。这4 根柱承受的竖向荷载非常大，按倒楼盖法计算，群桩筏板仅4 个支座点，无论筏板受弯还是受冲切均处于不利的受力状态，基础筏板往往需要很厚且配筋较大[3-4]。这也是早期工程塔式锅炉地基基础工程量较大的原因之一。

经过数年的改进，后期塔式锅炉的炉体承重立柱增至本文所分析工程的4 大8 小共12 根，大大改善了基础筏板的受力状态，筏板厚度得以减小，整体地基基础工程量也得以降低。以本文所提及的改进前、后两个塔式锅炉工程为例，桩阀基础厚度减小约5%，配筋减少约20%。

图 4 塔式锅炉钢架柱网及基础布置图Fig. 4 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame

从基础布置来看：П型锅炉由于主受力立柱较多且分散，本文工程案例中为保证基础受力的整体性，将各柱下基础连通，形成局部挖空的筏板形式，部分桩基承载力未得到充分发挥，造成桩数偏多、基础量偏大；塔式锅炉主受力柱较少且集中，本文工程案例中将中部主受力柱区域设计为厚筏板基础，周边小柱采用桩基独立承台并与中部筏板用基础梁连接，桩基承载力得到更充分地发挥，故桩数和基础量均得到有效控制。

综合上述分析，塔式锅炉与П型锅炉总重相当；П型锅炉高度较低，占地面积较大，荷载分布较分散；塔式锅炉平面布置紧凑，占地面积小，主要荷载集中于中间部位。若不考虑设计优化的因素，两种炉型在同一软土地质条件下，地基基础工程量相当，塔式锅炉桩数与基础混凝土量均较П型锅炉节省近三分之一，工程量具有较明显的优势。塔式锅炉的布置特点更利于基础的设计优化，以获得地基基础的良好经济性。

4 结论和建议

(1)塔式锅炉上部结构高度高，容易给人以重量更重、基础工程量庞大的错觉。

(2)通过对比某软土地基条件下同一电厂两期工程的实际工程量发现，塔式锅炉桩基及基础工程量不大于П型锅炉。可以认为，排除设计优化的因素，两者地基基础工程量相当，塔式锅炉桩数与基础混凝土量均较П型锅炉节省近三分之一，工程量具有较明显的优势。

图 5 塔式锅炉钢架桩位布置图Fig. 5 Pile layout of tower-type boiler furnace frame

表 1 П型锅炉与塔式锅炉地基基础对比Tab. 1 Comparison of the foundation between П-type boiler and tower-type boiler

(3)对于非软土地基条件下，两种炉型基础工程量的差异有待进一步对比分析。若工程场地天然地基能够在锅炉占地面积范围内满足承载力和变形要求，可以预见塔式锅炉因占地面积较小而获得基础工程量的节省优势。

图 6 早期塔式锅炉钢架柱网及基础布置图Fig. 6 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame in the early stage

(4)随着工程经验的不断丰富和积累，设计人员可对锅炉基础进行更精细化设计，优化方案，节省工程造价。