某电厂冷却塔地基处理方案优化设计

摘要：主要论述了在天然地基不满足冷却塔承载力要求和变形要求的情况下，通过对CFG桩复合地基和预应力混凝土管桩两种处理方式进行方案对比，确定采用CFG桩复合地基。

关键词：冷却塔；地基处理；CFG；管桩

中图分类号：TU279文献标识码： A

1、工程概况

本工程为冀中平原一座火力发电厂，电厂装机为2×350MW。电厂有两座淋水面积为5500m2的逆流式自然通风冷却塔，担负着电厂2×350MW机组循环水冷却任务，其主要几何参数为：

淋水面积：5500m2；塔顶标高：120m，顶部中面半径：27.538m；喉部标高：90m，喉部中面半径：25.790m；淋水填料顶面标高：9.8m ,相应的壳体中面半径：42.458m；进风口上缘标高：7.800m，下缘标高：0.300m ,平整地面标高：0.000m。

冷却塔采用环板基础，基础平均压应力在250KPa以上。

2、场地工程地质条件

2.1地形地貌

电厂地处河北平原中部的冲湖积平原区，地面标高一般在6.46-7.16m之间，地势平坦、开阔。场地内北侧有一小排水沟，沟深约1.5m，宽约2.5m，沟内无水；场地中部（石膏塔处）有一深度为1.5米左右、南北向长方形取土坑。

2.2地层岩性及地基土物理力学指标

冷却塔地段分布在厂区的中部，本区域勘探点揭露的最大深度为45.50m，地层按岩性及物理力学性质从上到下分为8层，分别叙述如下：

①粉土：黄褐色，湿，中密，土质较均匀，下部粘粒含量较高，局部为棕红色、灰黑色粉质粘土，部分地段上部有粘性土薄层或透镜体。无光泽，无摇振反应，干强度及韧性低，土质中见团块状铁质氧化物。局部夹粉砂透镜体。

该层厚3.00～5.60m，层底埋深3.00～5.60m，层底高程1.37～3.73m。

②粉砂：褐黄色，湿，稍密，砂质均匀，以粉砂为主，局部为细砂，砂质不纯，含粉土或粉土夹层，成分为长石、石英及云母。该层厚度不大，分布普遍。

该层厚1.00～3.00m，层底埋深4.90～7.30m，层底高程-0.50～1.90m。

③粉土：浅灰～深灰色，很湿，中密，无光泽，局部夹淤泥质粉质粘土，含贝壳碎屑，摇震反应中等，韧性及干强度低，土质偏软。

本层厚度2.50～8.40m，底板埋深8.00～14.00m，底板标高-7.35～-1.94m。

④粉土：褐灰～褐黄色，湿，中密～密实，无光泽，具粉质感，韧性及干强度低，摇震反应中等，土质不均，局部为粉质粘土，个别地段夹粉砂或粉质粘土透镜体。

该层厚1.00～7.50m，层底埋深12.00～17.20m，层底高程-7.96～-3.12m。

④1粉砂夹层：褐黄色，湿，松散，砂质不均匀，含土质成分。

⑤粉土：褐灰～褐黄色，湿，密实，无光泽，具粉质感，含姜石，姜石粒径一般1.0cm左右，局部较为密集，韧性及干强度较高，摇震反应中等，土质不均，局部为粉质粘土，部分地段夹粉砂透镜体。

该层厚4.53～8.10m，层底埋深20.30～25.00m，层底高程-18.16～-13.58m。

⑤1粉砂夹层：褐黄色，湿，中密，砂质均匀，该层分布不连续。

⑥粉土：褐黄色，湿，密实，无光泽，韧性及干强度低，摇震反应迅速，土质不均，含铁质氧化物，上部粘粒含量较高，部分地段为粉质粘土，下部粘粒含量较低。局部夹粉砂薄层。

⑥1粉质粘土夹层：褐黄色，可塑～硬塑，稍有光泽，无摇震反应，韧性及干强度高，该层主要位于场地中部地段，层厚最大3.00m。

⑥3粉砂夹层：褐黄色，中密，砂质均匀，以粉砂为主，砂质不纯，成分为长石、石英及云母。

该层厚5.10～8.00m，层底埋深26.00～30.00m，层底高程-23.16～-21.72m。

⑦1粉土：黄褐色～浅灰色，湿，密实状态，稍有光泽，韧性及干强度中等，摇震反应一般，偶见白色螺壳碎屑。含砂较多，夹粉砂薄层，云母碎片密集。

该层厚0.90～6.90m，层底埋深28.40～35.00m，层底高程-27.76～-21.53m。

⑦2粉砂：黄褐色，中密，砂质均匀，以粉砂为主，砂质较纯，成分为长石、石英及云母。该层主要分布该区域东侧。

该层厚1.60～6.10m，层底埋深28.80～33.40m，层底高程-26.60～-21.98m。

⑧粉质粘土：黄褐色～浅灰色，可塑～硬塑状态，稍有光泽，韧性及干强度高，无摇震反应，偶见姜石及贝壳碎屑，粘粒含量变化较大，局部表现为粉土或粘土。该层未揭穿，最大揭露厚度12.40m。

⑧1粉砂夹层：黄褐色，中密，砂质均匀，以粉砂为主，砂质较纯，成分为长石、石英及云母。厚度约1.30m左右。

表1 冷却塔地段地基土物理力学指标统计表

2.3地基土分析评价与地基方案建议

第①、③、④层粉土强度较低，压缩性较高，地基条件较差，承载力特征值fak=100～120kPa；②层粉细砂强度较高，但厚度较薄，局部缺失，fak=140kPa；以上各层分布在大约16.0m以上。其下的⑤层强度较高,厚度一般大于2.0～3.0m，含姜石，fak=180kPa，属于较好的地基持力层；⑥层强度明显较⑤层偏低，压缩性较大，fak=140kPa，地基强度相对较差；下部的⑦1、⑦2、⑧、⑧1层粉土及粉细砂强度较高，压缩性偏低，fak=220～260kPa，属良好地基持力层。根据以上分析，对电厂内主厂房等主要建（构）筑物及荷载较大的辅助及附属构筑物采用天然地基难以满足设计要求，拟采用预应力混凝土管桩、长螺旋压力混凝土灌注桩复合地基进行处理。其中⑤层粉土强度相对较高，顶板埋深变化较小，可做为长螺旋压力混凝土灌注桩复合地基桩端持力层；⑦1层粉土及⑦2层粉砂层强度较高，分布相对稳定，为理想的预制桩桩端持力层。因此对该厂址区域主要建筑物地段采用预应力混凝土管桩、辅助及附属构筑物地段采用长螺旋压力混凝土灌注桩复合地基进行处理是适宜的。

3.试桩结果

根据电厂试桩方案评审会议纪要，本工程地基处理方案为：主要建筑物采用钢筋混凝土预应力管桩，其他辅助及附属建筑物区域采用长螺旋钻孔泵压混凝土桩复合地基。

预应力管桩：基础面以下预应力管桩桩长有效桩长26m，桩顶标高-5.50m，桩径600mm，壁厚110mm，持力层⑦-1粉土，选用开口桩尖，考虑地层差异等方面的因素，建议单桩竖向承载力特征值2470kN;单桩水平临界荷载122kN;单桩水平极限承载力260kN。

长螺旋钻孔泵压混凝土桩（CFG）：有效桩长15.0mm ,桩径400 mm，混凝土强度C25,桩顶地面下-2.50m，桩间距1.4m，正方形布置，单桩复合地基承载力特征值285kPa;单桩竖向承载力特征值525kN。

4、两种地基处理方案技术经济比较

预应力管桩技术特点：1）质量稳定，性能可靠。预应力混凝土管桩是按照一定的标准和工艺流程生产，制作环境和设备较好，采用室内高温、高压蒸汽养护，不受环境气候的影响。2）单桩承载力高。预应力混凝土管桩抗压强度等级为C80，因此单桩容许承载力高。3）吊装方便、施工方便。管桩可直接采用两头勾吊法。施工现场简洁，施工中随地质变化可随时调整桩身长度，施工难度小，方便。

CFG桩复合地基特点：1）适用性广，承载力提高幅度大。CFG桩复合地基技术适用于非饱和及饱和的粉土、粘性土、填土、砂土、淤泥质土等地质条件，处理后，复合地基的承载力与原地基承载力相比，可提高2-5倍。2）施工简便，工期短。CFG桩施工方法一般为长螺旋钻成孔泵送混凝土法，施工时，没有钢筋笼制作等工序，成孔成桩一次完成减少了成桩时间，加快了施工速度。3）保护环境。CFG桩施工时，不需泥浆护壁，没有泥浆外运，既节约了资金，又无环境污染，对市内施工，非常适合。

从技术层面比较，两种方案都是可行的。冷却塔作为高耸结构，其基础对地基的均匀性要求更高，两种地基处理方案，相对冷却塔地基处理来说，CFG桩复合地基方案更优。

经济比较：该冷却塔环板基础内半径为44.255m，外半径为49.455m，即环基宽度为5.2m，基础底标高为-3.5m。根据试桩结果，在环基下进行预应力管桩与CFG桩复合地基的布置。

表2 两种地基处理方案经济比较

注：碎石褥垫层为CFG桩顶与环基底之间200mm厚碎石垫层。

从经济性方面比较，单座冷却塔地基处理费用，预应力管桩方案比CFG桩复合地基方案高出约180万元。

本工程最终采用CFG桩复合地基方案，工程自2013年初投运后，冷却塔各项结构监测指标符合相关要求。CFG桩复合地基方案在本工程冷却塔地基处理中的应用是成功的。

5、结论

对于冷却塔类大型构筑物，基础面积较大，对地基承载力的要求相对来说不是特别高。CFG桩复合地基方案与预应力管桩方案相比，从技术、经济两方面比较，前者都具有较大优势。目前，CFG桩复合地基方案已在冀中平原的冷却塔、高层建筑等工业及民用建筑地基处理中广泛应用，效果良好。

作者简介：王海龙（1981-），男，河北人，工程师，主要从事火电厂水工结构专业设计工作。

[参考文献]

[1] 刘官郡.华北某发电工程冷却塔地基处理设计.工业用水与废水，Vol.37 增刊Nov,2006.

[2] 谈CFG桩复合地基设计与工程应用.基础工程设计，1007-9467（2012）10-0087-03.

[3] 《建筑桩基技术规范》JGJ 94-2008.

[4] 《建筑地基处理技术规范》JGJ 79-2012.