滨海电厂软土场地岩土工程问题分析及解决方法

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

在滨海地带建设大型火力发电厂有很多优越条件，也有不利条件。软土场地就是滨海电厂建设的不利条件之一，软土中的岩土工程问题常常构成工程建设的风险，需要妥善处理和应对。本文以越南沿海电厂为例，深入分析在滨海软土场地建设大型火力发电厂所经常面临的岩土工程问题，包括岸边稳定问题、场地稳定问题、地基稳定问题、基坑稳定和涌水问题，并给出相应的解决方案，为滨海软土场地的电厂建设提供工程经验。

1 岸边稳定问题

1.1 问题分析

滨海电厂软土场地自然地面一般是平缓低洼，为避免场地被水淹没，场地需要回填到一定高程。回填后的场地必然高出海平面，海岸岸边存在高差，必然存在岸边稳定问题，如果不对岸边加强保护，海水会侵蚀破坏场地，危害工程建设。

1.2 解决方案

岸边稳定的解决方案是修筑护岸。护岸的一个作用是挡土，保证回填场地岸边斜坡稳定，不出现滑塌或滑移；另一作用是保护岸边不被海水冲刷侵蚀。

护岸的型式有直立挡墙、重力坝、斜坡护面等有多种类型。滨海电厂软土场地护岸多采用重力堆石坝或直立的混凝土板桩。

重力堆石坝的优点是施工方便、粗糙的坝面可以消浪、坝体结构利于协调沉降等。重力堆石坝坝体的设计需要综合考虑地基土层条件、风浪条件、冲刷或淤积等各种条件设计。坝体底部需要进行处理，防止过量下沉和冲刷。迎浪面要使用大块石或预制混凝土防浪块，其重量应保证不被海浪带走。

预制钢筋混凝土板桩在国内较少使用，但在软土场地用其来修筑海边护岸有独特的优点：强度高、刚度大、取材方便、简单易行、施工快捷，值得推广应用。混凝土板桩是一种预制的预应力混凝土板状构件，断面可以根据需要设计为平板状或槽状，板桩边缘一般为槽榫结构，可以便于接缝防水和安装导向，板内可以设置通水孔，便于沉桩时水力切割桩端土层。与重力堆石坝相比，采用钢筋混凝土板桩修筑护岸材料用量少，需要动用的人力和设备少，采用专用的施工设备可以很快在岸边形成一条悬臂挡墙，内侧挡土，外侧护岸。如果需要，还可以在顶部修筑混凝土防浪结构。

1.3 工程案例

越南沿海电厂位于热带海洋季风气候带，分雨季和旱季两个季节。雨季海上风浪较小，岸边潮涨潮落的冲蚀破坏能力较小；而旱季雨少风大，海面上波涛汹涌，巨浪对海岸有很大的冲蚀破坏。业主负责修筑的重力堆石坝护岸在将要完成时被海浪冲垮，造成了巨大的损失。由于越方设计和施工经验不足，选用筑坝块石重量过小，坝面采用钢丝石笼保护。固定石块的钢丝强度不足，且接触海水后很快锈蚀腐烂，巨浪冲击护岸将装满石块的铁丝笼位移、变形，部分石块被海浪逐步掏走，最终导致整个铁丝笼撕裂破坏，无法对坝体起到保护作用，巨浪很快将已修筑好的重力堆石坝破坏、冲垮、夷平。沉痛的教训换来了宝贵的经验，更换施工单位后又再次修筑护岸。重新修建过程中，吸取了惨重的教训，加大了筑坝石块重量，施工前对坝基进行了清淤处理，采用土工布隔断了坝体和土层，坝体迎浪面采用了重量大于500 kg的巨大块石护面，避免了海浪对坝体掏蚀破坏，保证了坝体的稳定性，护岸才筑坝成功。护岸两次修筑，工期拖延两年之久，给电厂建设带来了严重的影响，经济损失巨大。

2 场地稳定问题

2.1 问题分析

由于淤泥强度低，地面承载能力弱，场地上行走机械或堆放货物会导致地面土层发生破坏变形。同时，淤泥含水量高，孔隙比大，在自重或附加荷载作用下，土层会产生排水和固结，地面易产生沉降变形。无论是场地的沉降变形还是破坏变形，都属于场地稳定问题。

2.2 解决方案

解决场地稳定问题，需要对软土场地进行预处理，强制其排水固结，提前消除沉降，减小孔隙比，提高承载力。常用的软土场地预处理方法是“塑料排水板+预压排水固结”，预处理后地面一般会有较大下沉，沉降量一般可以达到淤泥层厚度的 5%～10%。

在软土场地进行排水固结法处理地基时需要把握的一些关键性技术要点：

(1)塑料排水板的插板深度不能穿透软土层，尤其是排水板头不能终止于砂层中。

(2)采用真空预压方法时，要高度关注粘土密封墙、膜下集水滤管、土工布和膜的铺设、抽真空设备安装等施工环节。

(3)采用堆载预压方法时，要高度关注水平沙垫层、集水盲沟、集水排水井、堆载速率、地表排水系统等环节。

2.3 工程案例

越南沿海电厂淤泥厚度25～28 m，夹有粉细砂透镜体或薄层。根据不同区域的荷载要求、施工工期和堆载用砂的平衡周转，分别采用了“排水板+真空联合堆载预压” 和“排水板+堆载预压”等排水固结方法，均达到了预定的处理效果。

主厂区采用“排水板+真空联合堆载预压”处理方法。施工过程包括打塑料排水板、施工粘土密封墙、布设水平集水管道、铺设土工布和密封膜、安装真空泵、试抽真空、堆沙加载等环节。

塑料排水板网格状布置，纵横间距1 m×1 m，长度26 m左右。真空预压区分为若干小区，每个小区面积20000～30000 m2。各小区周边施工粘土密封墙，切断回填砂层和浅部粉细砂层与周边地通气，保证抽真空时的密封效果。粘土密封墙是以粘土为材料，制备成一定稠度的泥浆，采用水泥搅拌桩设备，相互搭接搅拌，最终形成连续的泥浆与砂土搅拌而成的地下墙体，宽度1.2 m，深度13～16 m，根据地层条件以穿过回填砂的贯穿性的粉细砂夹层为原则。在场地回填砂层中铺设集水滤管，将预留的排水板头缠绕到滤管，再将滤管连接到主管上，构成了水平集水系统。水平集水系统通过主管和吸水管与真空泵相连，抽真空达到预压效果。滤管采用直径50mm的开孔硬质UPVC硬质塑料管外裹一层土工织物，间隔2 m平行布置,主管与滤管垂直，用三通接头与滤管连接。铺设土工布和密封膜。为保护密封膜不被破坏，密封膜上下各铺设一层土工布。土工布应达到一定的断裂强度、顶破强度和撕破强度。密封膜采用不少于两层的聚氯乙烯薄膜，满足一定的抗拉强度、直角剪断强度和伸展率。应采用人工铺设，避免过程中破坏，一布两膜铺设完成后，采用人工踩压方法将土工布和密封膜周遍压入压膜沟中，与密封墙连接，试抽真空检查无漏气后再铺设第二层土工布。真空泵的安装应严格按照电机、水泵、水箱、闸阀、止回阀、出膜口的顺序安装。各项安装就绪，开始抽真空，膜下真空度达到50 MPa左右后，检查有无泄露点。如果有破损点，附近会发出很大响声，应立即停泵修补。如果无漏点，提升真空度达到80 MPa后，铺设上层土工布、布设沉降标，开始计时。“堆载”采用分层堆砂加载。为保护膜布，首层400～500mm砂料采用人工推车堆填，后面采用机械分层堆载碾压至设计厚度。

软土的排水固结过程分为两个阶段。第一阶段从施打塑料排水板开始，到抽真空设备投用。施工排水板后，虽然没有额外加载，也可观测到场地地面沉降达0.5 m左右，局部达到0.75 m。说明排水板插入后就有明显的排水效果，在自重应力和场地回填土的附加应力作用下，很快可将软土中的孔隙水排出，水压力降低，实现部分排水固结。第二阶段是抽真空以后，到固结沉降稳定。固结沉降过程前期降速快，后期降速慢，为渐缓下降的曲线，主要固结沉降一般在抽真空后100 d左右完成，沉降量在1.5 m左右，其后沉降非常缓慢。根据地基处理过程的沉降观测分析，越南沿海电厂主厂房区域软基处理采用“排水板+真空联合堆载预压”法，真空度为80 MPa，堆砂高度2.5 m，预压100 d左右，总沉降量2 m左右。通过效果检测，处理后的软土地基承载力超过100 kPa，达到了预期效果。

“排水板+堆载预压”法处理应用于施工场地区。区别在于减少了真空预压过程，用透水盲沟和集水井代替了集水管道、土工布和真空膜，在堆载荷重的作用下，孔隙水通过排水板、透水盲沟流入集水井中，用水泵抽走。虽然沉降固结时间较长，也可以达到相应的处理效果。

3 地基稳定问题

3.1 问题分析

软土地基承载力低，无法承受建构筑物荷载，即使经过排水固结处理后的软土地基也只能承受轻型荷载，一般的建构筑物在软土地基上修建，都容易产生地基失稳问题。

3.2 解决方案

解决地基稳定问题主要方法是采用桩基础，特殊条件也可以采用桩土共同承载的复合地基。

由于软土场地很难找到桩端持力层，多为摩擦桩。根据桩身材料不同，常用的有灌注桩和管桩。软土层对桩周摩擦力很小，有时还会有负摩擦力，软土层部分的桩长一般是无效桩长，为提高桩基效率，通常采用大直径超长灌注桩或大直径超长管桩。

在软土地区施工大直径超长型灌注桩和管桩都存在一定的技术难度。

在软土地层中施工灌注桩时，由于软土容易变形，成孔后容易产生桩孔缩径或塌孔，引起灌注桩的质量问题。为了避免这些问题的发生，可以提高护孔泥浆的浓度，但泥浆浓度过高，又容易引起桩身周围泥皮过厚，降低桩侧摩擦力。为解决这个矛盾，软土场地施工大直径混凝土灌注桩应首选旋挖，其次钻孔，不宜冲孔。因为冲孔灌注桩成孔速度较慢，必须采用浓泥浆护壁，且冲孔过程有振动，会促使塌孔和缩径变形；而旋挖桩成孔时间短，降低泥浆浓度的情况下也不易产生塌孔和缩径，桩周泥皮厚度小，可以提高摩擦桩的承载力。

PHC管桩由于桩身强度高、现场施工快、打入桩体可以排土挤压周围土体提高桩周摩擦力等特点，非常适合软土场地摩擦桩。大直径超长型PHC管桩采用的是大重量贯入锤，单击能量高，打桩过程容易发生桩头破损，应给以高度重视。为避免或降低桩头破损的发生，管桩生产和打桩过程均应采取相应控制措施。管桩生产过程质量控制主要包括：桩管壁厚、钢棒质量和数量、预应力大小、端板质量、箍筋段长度和质量、混凝土配比和养护时间等，打桩过程的质量控制主要包括：桩锤重量、落锤高度、垂直度、接桩质量、装头垫板材质和厚度、贯入总击数等。

3.3 工程案例

越南沿海电厂灌注桩是大直径超长型灌注桩，全部采用旋挖法施工。灌注桩桩径分别为Φ1.2 m和Φ1.0 m。Φ1.2 m灌注桩桩净长约为60 m，主要用于主厂房、锅炉、烟囱和干煤棚等荷载大的建筑物。Φ1.0 m灌注桩桩净长约为55 m，主要用于大型池体的抗浮和竖向承载。所有灌注桩均为摩擦桩，桩体持力层为－25 m以下的粉细砂层、粘土层和细砂层，－25 m以上的淤泥层对桩周摩擦力无贡献，且有负摩擦作用。桩身混凝土采用C30抗渗混凝土，钢筋采用HRB335普通钢筋。施工设备采用旋挖钻桩机，施工时孔口埋设护桶，挖桩过程泥浆护壁。成孔过程中采取各种措施，防止了斜孔、塌孔、缩径等问题的发生。

越南沿海电厂管桩为Φ600mm和Φ800mm的PHC管桩。Φ800mm的PHC管桩属于大直径管桩，用于陆域工程的案例较少。根据原设计计算，设计桩长为55～60 m，通过现场试打，无法贯穿标高－43 m左右的密实砂层，最终修改设计桩长为47 m，经现场单桩承载力载荷试验，能够满足设计荷载要求。使用PHC管桩解决地基稳定问题，除桩径、桩长和桩数布置等设计数据外，还要密切关注PHC管桩的工厂制造、运输和现场施工环节。桩靴的形状和质量对于PHC管桩穿透砂层的难易程度有较大影响。运输和转运过程中需要按标示的吊点支撑和起吊。吊打施工过程需要关注桩锤重量、起锤高度、贯入度变化、锤击数、收锤标准等数据，对于需要穿透密实砂层的场地，更要根据经验调整上述数据，既要避免桩身破坏，又要保证单桩承载力。沿海项目PHC管桩施工前期，桩头破损比较严重，破损率超过10%。经停工整改，加强了工厂制造、运输和现场施工各环节的质量管控，桩头破损率才得到了控制，最终保证了项目PHC管桩的成功使用。

4 基坑稳定和涌水问题

4.1 问题分析

在软土场地由于基坑稳定问题处理不当，造成基坑垮塌或失稳，给工程造成巨大损失的案例很多。滨海电厂工程基坑深度超过5 m的深基坑有很多，例如汽轮机基础、虹吸井、循环水泵房基础、曝气池基础等，在软土地区开挖深基坑必须采用一定的支护措施和专门的技术方案。部分深度小于5 m的一般基坑，也存在一定的安全隐患，要采取一定的支护措施。淤泥层中还连续分布有粉细砂层，构成了透水层，如果基坑开挖过程不采取措施，会产生渗透、涌水问题。

4.2 解决方案

滨海电厂根据基坑特点不同可分别采用自然放坡、钢板桩支护、CDM桩等多种支护形式。

深度小于5 m的基坑一般是采用自然放坡，坡脚处堆沙包护脚，坡顶处设排水沟和集水井，坡面上覆盖土工布和防水膜，基坑中设降水井。对于无法放坡的浅基坑，或易出现基坑涌水的浅基坑也可以采用钢板桩支护，钢板桩长度一般小于12 m。

深度大于5 m的基坑，支护方式主要有钢板桩支护和CDM桩支护两种。钢板桩支护主要在汽机基座、虹吸井、曝气池区采用；CDM桩支护主要在循环水泵房、取水明渠，取水口头部、排水箱涵、排水闸门井等部位采用。

4.3 工程案例

主厂房汽机基座底板深度约11 m，分两个深度开挖，首先与主厂房其他基础一起采用大开挖的方法开挖至5.5 m深度，形成一个大基坑，然后在大基坑内围绕汽机基座再开挖至11 m，仅在该范围施工钢板桩支护。钢板桩支护要编制专门的施工方案，通过计算确定钢板桩的长度、内部支撑的方式和位置，土体开挖的顺序和开挖方式。特别是类似汽机基座这种面积较大的基坑，开挖设备无法在外完成基坑内全部土方的开挖，机械设备和运土车辆必须能够进入基坑内部施工，如果在基坑内部设置纵横水平支撑梁，则开挖设备和车辆难以进入，将会给基坑开挖工作造成很大的困难。解决方案是在拐角处设置水平角撑，在基坑一边开口设置坡道，使开挖设备和车辆能够进入基坑开挖。对于类似虹吸井这种开挖面积较小的基坑，可以沿短边方向设置单向水平支撑，采用长臂挖机从基坑顶部向下开挖。

CDM桩支护是相互搭接的CDM桩沿基坑边缘格栅状布置，形成墙状的挡土结构，或在软土斜坡上形成桩土复合体斜坡。桩身分为空桩和实桩两部分，基坑开挖部分为空桩、开挖面以下为实桩。排水箱涵、闸门井开挖深度7 m，采用的是三排搭接格栅桩墙，桩与桩的搭接宽度为200mm，桩长有14 m和26 m两种。循环水泵房基坑深度11 m，整个基坑和放坡范围内全部格栅网格状布置CDM桩，桩长25 m。取水明渠则是在整个明渠区域全部格栅状布置CDM桩，空桩与实桩分界面即为明渠面，将空桩部分的土体开挖后，再覆盖一层混凝土护面结构就形成循环水取水明渠，安全可靠，施工方便。在解决基坑稳定问题时，应包括确定CDM桩身强度、桩和土复合体强度、稳定性计算、施工质量控制等多个方面的问题。根据需要的桩身强度决定水泥掺入量，根据基坑深度和稳定性计算决定CDM桩长度和格栅排数。

采用CDM桩基坑支护可以解决的岩土工程问题除基坑稳定问题外，还可解决基坑涌水问题。相互搭接的CDM桩形成一道密闭的挡水墙，切断软土层中连续分布的砂层透水层，起到止水作用，可避免产生基坑涌水或漏水。施工过程应严格CDM桩体垂直度和桩身质量，避免搭接桩体开叉透水，或在桩身强度比较薄弱处断桩或桩身位移，沿裂缝透水。

5 总结与反思

滨海电厂软土场地存在一些岩土工程问题，在工程建设前期需要通过岩土勘察和分析，制定出科学的应对和解决方案。如果解决方案不当，会给电厂建设带来无法挽回的损失。正确的方案确定后，还要对方案实施过程的质量严格把控，保证方案效果，并采用岩土工程检测的手段检验实施效果。勘测、设计、施工、检测各过程环环相扣，紧密相连，就构成了软土场地岩土工程问题的系统解决方法。越南沿海项目岩土工程问题的处理过程中，有成功的经验，也有失败的教训，将其作为工程案例在此进行分析，可供类似工程借鉴。