110KV变电站粉土层基础变形处理研究

张军锋

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

110 KV变电站位于青海省海南州兴海县境内黄河Ⅱ级阶地上，是黄河上游某水电站施工电源。110 KV变电站为终端变，共两台主变，进线一回，采用单母线接线方式。变电站主要建筑物有110 KV户外配电装置基础、1#主变、2#主变、6 KV配电室、主控制室、污水处理站和110 KV变电站围墙。

110 KV变电站建成投入运营至第二年汛前，站内道路路面、110 KV户外配电装置及主变基础和配电室、主控制室墙面等均未出现塌陷、沉降等危害变电站正常运行工程问题。至第二年9月，6 KV配电室、主控制室房屋室内地面和外墙均出现不同程度的塌陷和裂缝，最大裂缝约20 mm；户外配电装置、1#主变、2#主变基础均出现不同程度的塌陷，变电站填方区围墙局部段墙体出现裂缝和基础塌陷，站区内道路路面出现局部塌陷（详见图1、图2）已影响到变电站正常的运行使用。

110 KV变电站建筑物基础持力层为圆砾层，圆砾层下部为粉土层。6 KV配电室、主控制室基础采用条形混凝土基础，110 KV户外配电装置基础采用混凝土重力式杯口基础，主变基础采用大块式钢筋混凝土基础，道路及围墙基础为圆砾层。110 KV变电站基础处理难点在于站内供电不得中断，建筑房屋、供电设备不得拆除，施工空间受到限制。

图1 站区路面塌陷

图2 站区房屋基础沉降

2 地质条件

站址区属黄河阶地地貌，微地貌为冲洪积扇边缘，地形起伏较大；总体上呈西北高东南低之势，地势较开阔。

根据钻探揭露，结合土工试验和原位测试成果，勘察深度范围内场地地基上部主要由第四系冲洪积形成的圆砾，其中夹呈透镜体圆砾，主要地层分述如下：

（1）圆砾层：杂色、稍湿、松散～稍密、骨架颗粒岩性为砂岩，粒径大于2 mm的颗粒质量占全重的57%，呈亚圆状，由砂土充填，局部夹有透镜状分布的粉土层，厚度0.2 m～1.5 m不等，分布较杂乱，无规律性。地基承载力特征值fak=260 kPa，E0=28 MPa。

（2）粉土层：位于圆砾层下部，黄褐色、稍密、稍湿，以粉粒为主，砂感较强，局部夹呈透镜状分布圆砾层，韧性低、干强度低、摇振反应迅速、混较多卵石，呈层状分布，局部呈夹石状，分布不均匀。地基承载力特征值fak=150 kPa。

（3）圆砾层：位于圆粉土层下部，杂色、稍湿、松散，骨架颗粒岩性为砂岩，粒径大于2 mm的颗粒质量占全重的50%，呈亚圆形，由粗砂及粉土充填，本层以透镜体形式分布，分布不均匀，较杂乱，厚度约1.6 m～2.6 m不等。

根据勘察成果，最大勘探深度15.7 m内未见地下水。根据周边场地调查及附近勘察资料，地下水埋深位于30 m以下，基本对本工程无影响。

3 地基变形原因分析

某变电站建筑物户外配电装置基础为挖方区，变电站围墙、变压器基础、站内配电综合室及综合配电室为填方区。某变电站建成后运营第一年，站区基础未出现地面裂缝或塌陷，地基承载力满足要求。运营第二年，该区域降雨量增多，地表雨水下渗，挖方区及填方区建筑物基础均出现不均匀沉降。查询相关文献[1-6]，粉土一般不具有典型的黄土特征，且一般不具有湿陷性。根据近年建成工程，各类地表水、人为用水下渗造成粉土不同程度的湿陷，导致上部建筑物出现裂缝，基础不均匀沉降等与湿陷性相关的工程地质问题也时有发生。因此，本工程地基变形主要原因是该地区降雨量偏多，地表水下渗使粉土层变成湿陷性粉土，引起变电站建筑物基础出现不均匀沉降，导致站区路面塌陷、建筑物墙面裂缝。

4 地基变形处理设计

参考相关文献[7-8]，采用换填法、强夯法可有效解决湿陷性粉土问题，但需拆除原有建筑物和供电设备、电站供电中断、工程投资大、施工周期长，不符合本工程工程特性。基于本工程的特殊性、紧迫性、建筑物基础承载力满足要求及地基变形原因分析，在保证供电不中断的情况下，采用“外围封闭、中间固结、地表硬化”的方案，切断粉土层变成湿陷性粉土的地下水和地表雨水下渗通道，解决本工程基础沉降变形问题。

本工程在不拆除原有房屋、供电设备的条件下，为加快施工进度，保证工程质量，采用固结灌浆方案封闭建筑物基础四周，隔断地下水进入建筑物基础的通道，同时站内地面采用混凝土硬化，设置排水沟，将地面雨水排至站区外排水渠。

4.1 基础处理设计方案

（1）设计方案

变电站围墙外、户外配电装置基础、变压器基础、6 KV配电室和主控制室在房屋原基础下布设固结灌浆孔，固结灌浆孔深9.5 m，8.5 m，8.0 m，间距1.0 m，围墙及房屋边墙裂缝处布置两排固结灌浆孔。固结灌浆孔总长度5165.5 m，584个孔。

固结灌浆采用纯水泥浆进行灌浆。灌浆分为Ⅰ、Ⅱ两个序进行，先灌Ⅰ序，再灌Ⅱ序。同排灌浆孔施工必须是先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。

固结灌浆采用自上而下分两段灌浆，第一段压力采用0.05 MPa～0.1 MPa，第二段压力采用 0.1 MPa～0.15 MPa。

灌浆完成后，采用钻孔压水试验进行固结灌浆工程质量的检查，透水率小于5l u。

（2）现场施工情况

主控室、6 KV配电室、变电站围墙共施工Ⅰ序孔100个孔，其中达到设计要求31个孔，其余均未达到设计要求需待凝后进行复灌。本次施工100个孔总灌浆量为2545.95 t；平均单位耗灰量为2046 kg/m；已灌浆但未达到设计要求的最小注浆量为25.03 t/孔（孔深 8.5 m），最大注浆量为 142.24 t/孔（孔深 8.5 m）。根据现场资料，水灰比0.5:1，单位耗灰量超过2000 kg/m，单位耗灰量严重过大。分析固结灌浆现场资料，造成固结灌浆单位耗灰量过大的原因主要采用纯水泥浆，且圆砾层存在大的渗透通道，带压力灌浆过程中浆液扩散范围过大，且水泥浆液易出现离析、结石率不高等现象，且作为防渗材料，结石弹性模量偏大，不适应变形，易脆裂。因此，对基础处理方案进行调整。

4.2 调整设计方案

针对单位耗灰量严重过大，且达不到设计要求等问题，对灌浆方案进行调整，以降低单位灌浆耗灰量，达到防渗处理目的。参考相关资料[9]，采用高压旋喷灌浆和水泥粘土砂浆灌浆封闭渗漏通道在相似地质条件下运用较多，技术成熟、施工简单。

（1）高压旋喷灌浆

高压旋喷灌浆技术成熟，施工方法较简单，但占用施工场地稍大。根据变电站施工场地，变电站围墙外及场内施工空间较大部位进行高压旋喷灌浆，灌浆深度8.5 m。

a.造孔

采用立轴式液压回转式钻机施工，泥浆护壁造孔。钻孔偏斜斜率不应超过1%，终孔应大于设计孔深200 mm。

b.旋喷灌浆

高压旋喷灌浆采用“三管法”施工，高压旋喷灌浆的工艺流程为：高喷台车就位→地面试喷→下喷射管→定向→制浆→输浆→提升(旋、摆)→回浆→终喷→回灌→管路冲洗→台车迁移。

c.旋喷灌浆主要施工参数

旋喷灌浆主要施工参数见表1。

表1 旋喷灌浆主要施工参数表

（2）水泥粘土砂浆灌浆

通过在纯水泥浆液中掺入一定比例的粘土、中细砂，使纯水泥浆调整为水泥粘土砂浆。水泥粘土砂浆灌浆具有较好的稳定性、抗渗性，同时由于掺入砂，浆液强度较水泥粘土浆强度高。水泥、粘土、砂在浆液中起不同的重要作用，水泥起粘结强度的作用，粘土起浆液的稳定作用，砂起填充作用。变电站场内配电室、控制室、主变及户外配电装置基础施工空间受限制位置采用水泥粘土砂浆灌浆。

本工程水泥粘土砂浆灌浆Ⅰ序孔灌浆压力采用0.05 MPa～0.1 MPa，Ⅱ序孔灌浆压力采用0.1 MPa～0.15 MPa。水泥粘土砂浆中粘土粘粒含量（≤0.005 mm的颗粒）≥30%，砂的细度模数为 1.6～3.0，灰砂比为 1:1.5～2.0。

水泥粘土砂浆浆液配合比试验表见表2，现场参考“水泥粘土砂浆浆液配合比试验表”进行灌浆试验，确定本工程浆液配合比。

表2 水泥粘土砂浆浆液配合比试验表

5 结语

采用“外围封闭、中间固结、地表硬化”的综合治理措施，有效隔断了圆砾层、粉土层地下水及地表水下渗通道，并经过一年的工程运行，变电站建筑物基础沉降得以控制，实现了本次基础变形处理目标。通过对基础沉降处理设计方案的及时调整，采用高压旋喷灌浆与水泥粘土砂浆灌浆，有效解决了固结灌浆单位灌浆耗灰量大，灌浆范围不易控制等问题，节省了工程投资，保证了工程施工进度，可为解决类似工程提供经验。