OVPS技术特点及其在变电站建设中的应用

2018-05-06成佃虎陶丹露沈锦儒

电力勘测设计 2018年4期

成佃虎，陶丹露，于彬，周伟，沈锦儒

(1.江苏科能电力工程咨询有限公司，江苏南京 210036； 2.江苏省电力设计院，江苏南京 211102)

在濒临江河湖海地区建造变电站时，由于地面标高偏低，为满足抗洪需要，场地上填土荷载较大，加之地基中的淤泥层较厚，建成后极易产生较大的地面沉降，且伴随有不均匀沉降，严重影响变电站的安全运行。用真空预压进行地基处理能将填土荷载的大部分沉降在工前完成，确保变电站运行安全。

我国1980年起，在天津新港开展了真空预压的试验研究，在施工工艺和机理解释方面获得进展。从此真空预压法在我国软基加固工程中获得了广泛应用。

由于淤泥土颗粒较细，处于流塑～流动状态，真空荷载下土颗粒随水迁移，在排水体周边形成致密土柱，产生淤堵。在排水固结过程中细小颗粒随水移动进入滤膜，造成滤膜渗透性降低。又因为传统真空预压法采用真空泵—水平滤管—砂垫层—排水板—土体的连接方式，真空度传递过程中，沿程损失大。导致存在如下普遍问题：(1)砂垫层成本高，用砂多，破坏海洋环境，还会造成严重雾霾，不符合国家可持续发展战略；(2)传统的排水板易折断、淤堵、被挤压，造成排水通道失效，导致处理效果较差；(3)真空度沿程衰减较大，尤其随着深度增加，中下部软基处理效果较差；(4)承载力低，工后沉降大，往往需二次加固处理。射流泵用电大，安全性差，真空度不均匀，增加了工程的建设成本。为此业界对此进行了深入研究，OVPS技术就应运而生。

1 OVPS技术的特点

OVPS技术能很好的解决上述问题，其核心技术为：

(1)直通技术：取消砂垫层，用手型接头连接塑料排水板与真空管(图1)，将真空压力直接传递到排水板及土体中，缩短了真空传递路径。减少了真空度的沿程损失，提高加固效果。

图1 手型接头、排水板与真空管网连接图

(2)防淤堵技术：特殊的排水板滤膜材料是根据土性与滤膜孔径关系研制而成。普通排水板的滤膜是凹凸结构，凹面不透水，凸面透水。凹面淤泥含水量无法降低，使排水板表面形成致密的土砣。凸面只形成单一孔道，没有水平通道，易淤堵。新型排水板的滤膜是纤维丝热压微孔，根据粘粒粒径来调整滤膜孔径；根据粘粒粘结性制成亲水性滤膜，形成纵横交错的孔道，相互连通；同时掺入天然纤维(亲水)，产生毛细现象，从而提高排水板的排水性能，有效克服泥沙通过滤膜时造成的淤堵，减少井阻效应，达到最佳泥水分离目的(图2)。

图2 普通排水板(左)新型排水板(右)

(3)增压技术：增压管的增压，使土体水分子在压力作用下定向流动，加速土体固结，减少工后沉降(图3)。

图3 增压技术工作原理示意图

传统排水板的固结响应范围最小，且互不重叠，存在未响应区；防淤堵排水板的固结范围较大，且不存在未响应区；增压防淤堵排水板的固结范围最大(图4)。

图4 排水板区固结响应范围

(4)真空不倒翁集水系统技术：利用集水井的气液分离，将真空传至集水井，由集水井分布十个口，每一出口连接真空主管，主管再分布到支管上，实现真空压力均匀分布的目标，提高了真空利用率，缩短施工时间。

2 在220kV南区变电站建设中的应用

2.1 岩土条件

变电站站址地形平坦，地势较低，地面高程为2.09～3.38 m。地貌单位为海积平原，属典型的滨海深厚软土区。地层主要由第四系全新统海积成因的黏土、淤泥、粉质黏土、粉质黏土夹粉土和粉砂等组成。各土层的主要物理力学参数见表1。

表1 土层主要物理力学性质指标

2.2 真空预压方案设计

按文献[6]，真空预压的设计有以下内容。

(1)真空预压的范围

变电站总平面是矩形面积外加一小块。预压平面尺寸见图5的刀把形，面积为20160 m2，略大于变电站的面积。

(2)膜内真空度

真空预压的效果与密封膜内的真空度大小有关。本工程为满足抗洪需要，场地需填高1.5 m；经真空预压后场地会产生约1.0 m左右的下沉，共需填土2.5 m，折合填方荷载约为45 kPa。采用OVPS增压式真空预压技术，膜内能达到80 kPa的真空压力，已大于大面积填土荷载，足以将填土荷载产生的大部分沉降在预压过程中完成。

图5 真空预压加固范围图

(3)估算沉降值

文献规定：“受压层的计算深度可取附加应力与自重应力的比值为0.1时的深度”。按6个钻孔资料算得的压缩层深度和沉降值(经验系数ψ=1)分别为：堆载45 kPa时为571～609 mm和66.2～67.4 m；堆载80 kPa时为66.2～67.4 m和1434～1500 mm。

(4)平均固结度

固结度要求过高会使真空预压的工期过长，况且本工程的预压荷载已大于大面积填土荷载，属于超载预压。计算表明，当真空度为80 kPa，平均固结度按80%计，固结沉降达到850 mm左右，此值已超过45 kPa填土荷载的压缩层深度内土层的全部沉降量。

(5)排水系统及密封措施

竖向排水井采用FDPS-B型防淤堵塑料排水板，按正方形布置，间距0.8 m，深度20 m。真空主、支管分别采用φ50 mm、φ25 mm的PVC钢丝软管。增压管由弹簧支撑，正方形布置，间距2.4 m，管径φ32 mm，深度为5 m，透气段3 m，密封段2 m。用手型接头将排水板与真空支管相连，真空支管与真空主管相连，真空主管与不倒翁集水井连接。密封膜采用0.12 mm厚的聚氯乙烯膜2层。膜下采用200 g/ m2短丝无纺土工布1层。四周密封沟，深1 m，底宽1 m。用功率为55 kW机械式真空泵抽真空。

(6)预估压缩层深度内全部受压土层的平均固结度

以1S16钻孔为例计算真空预压的平均固结度，计算方法见文献[6]。

首先根据土层的渗透系数、孔隙比和压缩系数算出各层土的竖向固结系数和水平固结系数，再按层厚算得加权平均值。

地基竖向固结系数按层厚的加权平均值Cv=0.0441 cm2/s

地基水平固结系数按层厚的加权平均值Ch=0.1218 cm2/s。

其次根据排水板规格和布置算得井阻影响按层厚的加权平均值Fr=0.120及其余各参数。据此算出固结时间t=138d时，竖井20 m土层平均应力固结度Urz=0.98

再次根据竖井以下土层地基竖向、径向固结系数之加权平均值和其余各参数，得到竖井以下土层的平均应力固结度Uz'=0.82。

根据竖井及其下部分土层附加应力σz分布曲线包围的面积的比值算得其比值Q=0.332。

最后即可算出整个压缩土层平均应力固结度Uz=0.332×0.98+(1-0.332)×0.82=0.875

同理可算得钻孔1S7、1S10和1S17整个压缩土层平均应力固结度值分别为0.927、0.907和0.873。

(7)地基土强度增量估算

对正常压密的黏性土，地基强度增量标准值可按下式计算：

式中各符号意义见文献。已知Urz=0.98，σzk=80 kPa，φcq=10°。

得ΔSUk=0.98×80×tan10°=13.8 kPa

本工程是超载预压，应考虑超固结的影响，故要求真空预压后上部地基土的承载力特征值从原60 kPa，提高到80 kPa，以满足变电站内场地上的构筑物对地基承载力的要求。经工后检测得到的承载力特征值fak=80 kPa。

3 施工及监测概况

3.1 施工概况

施工流程如下：

测量放线——插塑料排水板及增压管——埋设监测元器件——铺设真空主管、支管——挖压膜沟——铺设土工布、真空膜——安装真空泵、增压泵及不倒翁式集水系统——真空抽气、增压，同时开展监测工作——监测达到稳定标准后，提交技术指标，报审核验收，即可停止作业，24 h后开始测量沉降回弹值，持续时间10 d——拆除真空设备，清除滤水管，清理施工现场，退场。

在覆水前试抽真空，同时检查每台射流泵的运转情况及真空膜的密封性，发现问题及时处理。试抽真空5～7 d，膜下真空压力应达到0.06～0.08 MPa，膜下压力达到80 kPa以上，开始连续抽真空100天左右，当出水量明显减少，周平均沉降量减小至35～60 mm，即开始增压。增压采用间歇方式，一般24 h增压一次，每次1.5～2.0 h。

3.2 监测概况

表2列出本次监测工作项目及监测次数。

2015年12月22日膜下真空度达到80 kPa后，监测工作正式开始，截止2016年5月8日，监测工作全部结束，历时138 d。

表2 监测项目及次数

表3 7个测点的沉降监测值、最终沉降值及平均固结度

将各测点参照孔的平均固结度计算值U、沉降监测值A及按分层总和法算得的最终沉降值B均列于表5。C为各测点的U×B。沉降监测值A除以C即为各测点的沉降经验系数，取7个测点的平均值得本工程沉降计算的经验系数ψ=0.890。用此经验系数算得的各孔沉降计算值和实测值也列于表5，比较各孔平均固结度的实测值与计算值，其误差在－0.051～0.054之间，平均仅为0.2%。