某换流站地基处理方案研究

赵李源，高 湛，吴必华，闫 勇

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，武汉 430071）

根据受端换流站站址地质条件、总平面布置和场地平整后挖、填方情况，并结合换流站内主要建（构）筑物结构和基础型式及受力特点，对换流站建（构）筑物地基处理进行研究，通过对多种方案进行技术经济比较后推荐技术可靠、经济合理的地基处理方案，以达到安全适用、技术先进、节省工程建设投资、确保工程质量和保护环境的目的。

1 工程概况

1.1 站址位置及地形条件

场地位于大冶市中西部，地处幕阜山脉北侧的边缘地带，为低丘陵、垅岗地貌，垅岗大致南北向展布。场地标高20～40 m，地形坡度较缓；场地中部分布2个人工贮水塘，北侧、西侧为长条带状沟谷，南侧、东南侧各分布有“U”型浅凹谷；跑马岗水库渠道位于场地西侧，紧邻场地，渠道一般宽15～10 m，一般深2.5～3.5 m，常年有水。现场地多种植各类苗木、绿化树和少量水稻。场地地貌如图1所示。

图1 站址场地概貌

1.2 工程地质条件

场地地基土层较为简单，覆盖层主要为第四系坡残积层，厚度不大，下伏基岩为侏罗系中统花湖组，以砂岩为主。地基土按由新至老顺序分述如下。

（1）层素填土：以黏性土为主，混碎石、碎砖块等，湿，密度稍密。零星分布于道路、塘埂等处。

（2）层粉质黏土：黄色、褐黄色，局部杂白色条带状，含铁锰质氧化物，少量砾石，局部夹半成岩状细砂层，湿，状态可塑。零星分布于沟谷、坡脚等处。

（3）层粉质黏土：为场地主要覆盖层。黄色、红黄色，局部紫色、紫红色，含较多砂岩风化碎屑、碎块。根据状态分为2个亚层：（3-1）层，稍湿，状态硬塑；（3-2）层，湿，状态可塑。

（4）层砂岩：为场地下伏基岩，砂质结构为主，层状构造（中厚层状为主），倾向西南，倾角150°左右。根据风化状态，分为2个亚层：（4-1）层，强风化，岩芯多碎块状、短柱状，可见岩体节理、裂隙发育；（4-2）层，中等风化，岩芯柱状为主，层位厚度较大处岩芯完整程度高，层位较小处岩芯相对破碎，可见一定厚度节理、裂隙面氧化膜。

各地基土层主要物理、力学指标参考值范围值见表1。

表1 土层参数表

场地为碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组，富水程度为弱，主要含水体为风化岩体的节理、裂隙带，覆盖层以黏性土为主，为相对隔水层。勘察深度内，受无良好含水体制约，场地地下水不丰富，浅层地下水无连续水位线，主要分布低沟谷、丘陵坡脚一带，为上层滞水，埋深0.5～3.0 m；山地地下水埋藏较深。

工程场地现状地质灾害不发育，地表无较大的崩塌、滑坡、泥石流及地裂缝等灾害体分布。

2 总平面布置及场地平整

2.1 总平面布置

根据总平面布置，本工程建（构）筑物可划分为以下几个分区：交流500 kV GIS场建（构）筑物、交流滤波器场建（构）筑物、换流区域建（构）筑物、直流场建（构）筑物、站用变场地建（构）筑物、站前区建（构）筑物。总平面布置图如图2所示。

图2 总平面布置图

2.2 场地平整

根据地形特点，本工程采用平坡式布置，场地标高按照土石方综合平衡的原则确定，场地初平标高为34.32 m，场地整平后：交流500 kV GIS场建（构）筑物一半位于挖方区，一半位于填方区，填土最大厚度约为5.3 m；交流滤波器场建（构）筑物大部分位于挖方区，北侧局部位于填方区，填土最大厚度约为2.7 m；换流区域建（构）筑物大部分位于填方区，小部分位于挖方区，填土最大厚度约为8.3 m；直流场建（构）筑物大部分位于填方区，小部分位于挖方区，填土最大厚度约为6.0 m；站用变场地建（构）筑物全部位于挖方区；站前区全部位于挖方区，西侧围墙位于填方去，最大填方厚度约为8.7 m。

根据图3可知，场地平整后，最大填方厚度约8.7 m左右。对于填方较厚区域内的建构筑物，未经处理的填土不能满足上部结构对地基承载力及变形的要求，同时由于地形及基岩面的起伏变化，可能出现土岩组合地基，需要进行地基处理。

图3 土方初平图（阴影部分为填方区）

3 地基处理方案

3.1 地基处理原则

（1）地基处理方案必须满足工程设计要求，即满足建（构）筑物地基承载力、地基变形和稳定性的要求。

（2）必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则。

（3）地基处理方案应做到技术先进可靠、经济合理、安全适用。

（4）在坚持以上原则的基础上尽可能做到提高施工效率，便于施工，缩短工期。

3.2 挖方区和浅填方区基础方案

（1）根据可研阶段的岩土工程勘测资料，挖方区域地基土主要由（3-1）粉质黏土层、（3-2）粉质黏土层和（4-1）砂岩层组成，以上岩土层力学强度均较高，可直接用做建（构）筑物基础持力层，因此位于挖方区的建（构）筑物采用天然地基。挖方区域典型的地质剖面如图4所示。

图4 挖方区域典型的地质剖面

（2）对于场平后回填土厚度小于3 m的区域，地基岩土层多以粉质黏土为主，分别为（2）粉质黏土层、（3-1）粉质黏土层和（3-2）粉质黏土层，因回填土厚度不大，该部分建（构）筑物地基可采用C15毛石混凝土换填的方式处理。

3.3 深填方区地基处理

站址场平后将形成大量填方区域，其典型地质剖面如图5所示。

图5 填方区域典型的地质剖面

结合本工程的地形、地貌及岩土工程地质条件，备选的地基处理方法主要有：强夯法、PHC管桩、干作业旋挖成孔灌注桩等。

根据以往换流站和变电站工程地基处理经验和对当地工程地基处理方法的调查了解，结合本工程的地形、地貌及岩土工程地质条件，适合本工程地基处理的方案有：干作业旋挖成孔灌注桩、强夯法+桩基和PHC管桩3种方案。

方案一：干作业旋挖成孔灌注桩

（1）桩径为600 mm。

（2）对于阀厅、辅控楼、500 kV GIS室、换流变压器基础、交流出线构架、直流场构架及避雷线塔等重要建构筑物，选用（4-2）中等风化砂岩为桩端持力层。

（3）对于设备支架等荷载集度较轻的建（构）筑物，选用（4-1）强风化砂岩为桩端持力层，桩直径为600 mm。

方案二：强夯法+桩基

（1）对于填土厚度（h＞3.0 m）区域，采用6 000 kN·m单击夯击能进行1层强夯，每层夯击遍数为2遍；对于填土厚度（h≤3 m）区域，采用2 000 kN·m低能级进行强夯，隔行分2遍完成。最后以低能量2 000 kN·m满夯2遍。

（2）位于填方区的重要建（构）筑物仍建议需采用桩基础，同时围墙区域未进行强夯，也应采用桩基础。

方案三：PHC管桩（旋挖植桩）方案

（1）旋挖600 mm孔径植入PHC 400 A 95管桩（抗拔桩采用PHB 400 B 95管桩）。

（2）不同建（构）筑物桩基持力层选择与方案一相同。

3.4 地基处理方案技术经济比较

根据以上分析，3种方案技术经济比较见表2。

表2 地基处理方案技术经济比较表

4 结论

从表2可知，干作业旋挖成孔灌注桩方案与强夯法+桩基方案相比造价便宜486万元，工期大大缩短；与PHC管桩（旋挖植桩）方案相比，造价和工期均相差无几。

本工程不推荐采用强夯法+桩基方案，主要原因如下：（1）湖北地区降水量较大，雨季时间长，本工程填方区面积较大，强夯施工进度受天气制约程度较大，工期难以控制；（2）本工程填方以土方为主，含石方较少，影响强夯效果；（3）站区填方深度较深区域均集中于站区边缘地带，站区中部填方深度较浅，不利于充分发挥强夯法的优势；（4）强夯施工对边坡和附近民房存在一定影响。因此本工程地基处理方案不推荐强夯法+桩基方案。

虽然PHC管桩（旋挖植桩）方案与干作业旋挖成孔灌注桩方案在工期和造价上相差无几，但是该方案存在以下问题：（1）施工过程涉及到旋挖预成孔、灌注细石混凝土（注浆）、静压（锤击）沉桩等多种工艺及其配套设备，现场施工作业面较大，工序相对复杂；（2）考虑到本工程砂岩层出露较浅，原始覆土层较薄，岩土层起伏较大，采用PHC管桩存在截桩风险；（3）旋挖植桩工艺在电力工程中应用经验较少，暂无实施案例可供借鉴。

干作业旋挖成孔灌注桩能较好地适应本工程建（构）筑物结构和基础特点，满足其承载力和变形要求，且安全、经济、施工简单，有利于桩基施工的快速展开，因此本工程推荐采用干作业旋挖成孔灌注桩方案进行地基处理。