湿陷性黄土场地某变电站内设备纠倾加固技术研究应用

王海明 张翼

摘 要：针对湿陷性黄土场地某750kV变电站内设备不均匀沉降事故，结合该设备基础形式以及地质条件，提出了湿陷性黄土场地防止建（构）筑物不均匀沉降的几点建议，介绍了一种加桩扩大承台的纠倾加固的方法，其原理是把上部结构的荷载通过加大承台，传递到新增加的桩身之上，替换掉原有承载桩基，对倾斜设备进行纠倾、加固，提高电网的安全稳定运行水平，防患于未然。通过工程实践证明：该方法纠倾加固效果良好、施工风险小且施工期间对设备正常运行影响较小，对类似工程具有较好的借鉴意义。

关键词：变电站;不均匀沉降;纠倾加固

中图分类号：TU43 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0104-03

0 引言

中国黄土总面积达64×104km2，主要分布在陕西、山西、甘肃大部分地区以及河南西部，其中湿陷性黄土约占黄土总面积的60%[1]。作为一种特殊土，黄土湿陷性的本质是原状黄土微结构在水和外力作用下失稳，结构强度降低至剩余强度再稳定的过程[2-3]，对工程建筑物有百害而无一利。作为黄土分布最广泛的省份之一，甘肃省黄土分布面积约为12×104km2，近年来随着电力行业的迅速发展，大量的电力设施在黄土场地拔地而起，由于湿陷性引起的下沉或不均匀沉降导致的危及生产安全、人身安全的事故不乏其例[4-5]。本文依托甘肃某750kV变电站内设备不均匀沉降事故，通过分析事故发生的原因，介绍了一种加桩扩大承台的糾倾加固的方法，提出了湿陷性黄土场地防止建（构）筑物不均匀沉降的几点建议，可供类似工程参考使用。

1 工程实例介绍

1.1 工程概况

甘肃省某750kV变电站于2010年投产至今，现场运维人员于2018年8月发现站内3#电抗器A相避雷器发生明显倾斜（如图1所示），公司运检部委托我院对3相进行倾斜和沉降测量，发现A相避雷器倾斜率达5.6%，避雷器顶端最大偏移量为0.73m，下沉0.045m;B、C相无水平偏移，B相下沉0.01m，C相未下沉。对于一般建（构）筑而言，建筑物上部质量中心往往会与基础反力中心尽量保持在同一铅锤线上，以减小偏心效应带来的不良危害，但是当由于地基承载力不足等原因造成基础不均匀沉降时，无疑会导致上部建（构）筑物的倾斜而使上部荷载产生新的偏心距增量，从而产生新的力矩增量，这又反过来增大建（构）筑物的倾斜[6]，对于避雷器这种长细结构，现象表现的更为明显。为了防止事故进一步发展，影响设备安全运行，对A相避雷器采取打临时拉线措施进行牵拉固定，如图2所示。

根据现场观察站内A、B、C相间，避雷器与隔离开关之间的场坪发生凹陷，最为严重的区域为A、B相间，B相避雷器周边发生凹陷，见图3、图4所示;同时电抗器油池周边的混凝土散水下沉、开裂。

1.2 站区岩土工程条件

本站址位于大川沟南侧冲洪积扇与沟道的交汇地带，地势开阔，地形起伏较大。依据地质勘查报告，该站址地层结构较为复杂，湿陷性土层厚度变化较大，场地湿陷类型为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅱ～Ⅲ级（严重），湿陷下限为④层角砾或⑤层粗砂岩的层顶。场地的地层及特征见表1。

站址各层地基土的承载力见表2。

1.3 产生沉降与不均匀沉降原因分析

通过对A相避雷器结构形式、地质条件、周边环境综合分析发现，造成目前较大的沉降及较严重的不均匀沉降的现状与趋势，其原因主要有以下几个方面：

（1）原避雷器基础为桩—承台基础，由检测单位对桩承载力和完整性进行检测，发现桩进入持力层深度未达到设计要求，端承桩实际变为摩擦桩，承载力不满足要求。（2）现有750kV配电装置区3号电抗器间隔场坪没有明显的排水坡度，雨水无法有效排出，积聚导致此区域内湿陷性地基土不均匀下沉，带动整个桩基承台出现倾斜，设备支架及设备的倾斜只是桩基承台倾斜的放大表现。（3）电抗器油池周边的混凝土散水下沉、开裂，油池壁与散水脱开现象严重，影响油池周边的排水坡度，使得雨水渗漏，加剧黄土湿陷的程度。（4）由于黄土湿陷，导致桩身周边产生负摩阻力，加剧了基础的不均匀沉降。

1.4 纠倾加固方案

由于该变电站现场带电运行，大型机械设备无法进场，且可争取到停电时间极短，经过方案论证，采用加桩扩大承台方法来进行加固纠倾。其原理是是把上部结构的荷载通过加大承台，传递到新增加的桩身之上，替换掉原有承载桩基，对倾斜设备进行纠倾、加固，以满足设备安全运行的要求。基础改建平面布置图见图5所示。

具体施工方法为：

（1）现有周边打拉线牵拉A相避雷器支架的情况下，在原有承台东西两侧设置两根直径800×1200mm的人工成孔灌注桩，桩长由现场确定，保证桩端进入持力层（④角砾或⑤粗砂岩层）不小于1.2m。（2）基坑开挖至基底，将承台上回填土清理干净;在原有承台顶植筋，作为加大杯口短柱的配筋，沿杯口短柱一周;同时在原有承台东西侧面植筋，植筋示意图见图6所示。（3）当植筋养护固化，检验合格后浇筑人工桩顶承台;配置短柱箍筋，浇筑杯口短柱混凝土。（4）承台及杯口短柱表面涂刷环氧沥青或聚氨酯沥青涂层，厚度≥300um。（5）施工完毕后场地土回填，压实系数≥0.96。（6）停电时，拆除避雷器，利用吊车将避雷器整体吊离支架柱，此过程应有电气人员配合土建施工。（7）凿开支架柱周边的杯口混凝土，利用吊车将支架柱吊出杯口。（8）清理杯口内混凝土残渣，湿润后在杯口底铺C35细石混凝土找平层。（9）安装支架柱及浇筑支架柱和杯口壁之间的C35细石混凝土。（10）待杯口混凝土硬化后安装避雷器及恢复设备顶接线，恢复供电。支架柱和杯口壁之间的C35细石混凝土浇筑后一个月内保留原有的4根打拉线均匀受力。

该方法施工风险较小，避免对原有承台进行二次影响且施工期间对设备正常运行影响较小。仅在步骤（6）～（10）中借助吊车施工时需要停电48小时。

1.5 场坪处理及电抗器油池周边散水修复

为了防止场地继续湿陷，对场坪及电抗器油池周边散水进行修复，经了解，3#电抗器间隔场地表层在2014年已经经过三合土处理，因此，本次仅处理场地表层凹陷部分，仍然采用三合土封闭层，下部场地土夯实。考虑原场地土中含有水泥和石灰，而且有腐蚀性，无法与石灰拌合，因此三合土中的土为附近山包上的土，石灰为成品石灰，水泥为成品普通硅酸盐水泥。

表面凹陷的检修道路及方砖拆除重建，检修道路在适当部位留出过水渡槽，检修道路及方砖地坪的封闭层下设0.3m厚卵石层用于抗冻胀。

拆除并重建电抗器周边及电缆沟边散水，破除高抗油坑周边混凝土散水，分层夯实后，重新施工散水，并做好场地排水坡度。高抗油坑与散水间缝隙应选用质量、耐久性都较好的防水材料嵌填密实。散水做法（从上至下）：采用0.1厚C25混凝土，下做三合土垫层，厚0.25m，再做0.3m厚卵石层，基础下原土夯实。增设集水井两个，集水井位置及排水坡度宜根据现场施工条件确定，确保排水顺畅，不积水。

1.6 纠倾加固成果

项目施工完成后对其进行持续观测，发现3个月的沉降增加值未超过1mm，表明沉降变形基本停止，纠倾加固工程取得圆满成功。

2 安全措施

纠倾工程是在动态中完成的，技术性强、风险性大，因此，建立相应的沉降速率、倾斜预警控制标准以及做好施工安全措施是施工成功重要保障。

（1）基坑开挖及施工过程中需对倾斜避雷器支架每日进行监测并检查打拉线情况，若测量数据出线异常应立即停止施工并采取加固措施。（2）施工期间注意现有运行设备的保护，以免影响变电站的安全运行，基坑开挖时需对附近电缆沟做好支护。（3）现场为带电作业，注意做好安全隔离措施，施工现场所有设备、设施、安全装置、工具配件以及个人劳保用品必须经常检查，确保完好和使用安全。

3 结论与建议

（1）通过工程实践证明，加桩扩大承台的纠倾加固方法是可行的，该方法纠倾加固效果良好、施工风险小且施工期间对设备正常运行影响较小，对类似工程具有较好的借鉴意义。（2）在湿陷性黄土场地中，黄土湿陷是导致建（构）筑物产生不均匀沉降的主要原因之一，做好场坪封闭层并设置排水坡度，防止地表水下渗可有效防止黄土湿陷，提高建（构）筑物安全。（3）在湿陷性黄土场地，若建（构）筑物采用桩基础，桩基础宜做成端承桩，并且桩端应进入稳定持力层，防止黄土湿陷桩身产生负摩阻力加剧建（构）筑物不均匀沉降。（4）变电站投运之后应定期检查站内散水、道路、场坪是否开裂下沉，场坪坡度、排水井、电缆沟过水渡槽是否失效、堵塞，并及时维护整改，确保变电站运行安全，防患于未然。

参考文献

[1] 刘祖典.黄土力学与工程[M].西安：陕西科学技术出版社，1997.

[2] 陈正汉，刘祖典.黄土的湿陷变形机理[J].岩土工程学报，1986，8（2）：1-12.

[3] 高国瑞.黄土湿陷变形的结构理论[J].岩土工程学报，1990，12（4）：1-10.

[4] 龚晓南.地基处理新技术[M].西安：陕西科学技术出版社，1997：152-156;176-178.

[5] 朱彥鹏，王秀丽，周勇.湿陷性黄土地区倾斜建筑物的膨胀法纠倾加固理论分析与实践[J].岩石力学与工程学报，2005，24（15）：2786-2793.

[6] 朱彦鹏，王海明，等.桩基础高层建筑就倾加固方法及工程实践[J].建筑科学与工程学报，2018，35（3）：87-94.