安徽某变电站膨胀土地基处理方案研究

张龙骧，赵 飞，宣 赫

（中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司，合肥 230000）

膨胀土通常具有较明显的失水收缩与吸水膨胀的特点，在此土壤之上对建筑物进行施工，会随着气候的变化引发不均匀的沉降进而对建筑物的质量产生不利影响，且外界因素极容易致使地基土产生收缩或膨胀[1]。

安徽省是我国膨胀土的主要分布地区之一，分布于淮北平原地区和舒城县城-巢湖市区-和县县城以北的江淮波状平原地区，在此以南地区则零星分布于丘陵平原上的阶地及山前斜地上。全省膨胀土分布总面积41 742.41 km2[2]，详见表1[2]。

表1 安徽省膨胀土分布表

变电站建（构）筑物中各类结构形式众多，其中包括受力较大的设备基础，如主变（约200 t），对沉降特别敏感的GIS 基础，也有受力较大的电缆沟，支架基础。同时也包括埋深较深的事故油池及较浅的事故油坑。

本文结合某变电站膨胀土地基实例，利用各种地基处理减弱膨胀土影响，有助于解决变电站膨胀土地基的稳定，减小了地基沉降及膨胀性，在消除膨胀性上具有良好的效果，本文的研究方法可为类似项目提供借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程规模

安徽某变电站位于安徽滁州市。工程建设规模：主变规模本期建设2 组1 000 MVA 单相自耦无励磁调压油浸式变压器，远景4 组主变压器（4×1000MVA）；500kV出线：本期4 回，远景8 回；220 kV 出线：本期10 回，远景16 回。根据地质报告显示，该站址地基土为膨胀土，需采取地基处理措施。

1.2 场地地形地貌

变电站址位于江淮丘陵地区，微地貌单元为岗地。地面高程为61.90～69.15 m。站址西高东低，呈倾斜状，其中站址东侧为水塘洼地，西北侧为苗木地，西侧中间为小树林，其他区域为麦地。

1.3 地层结构特征

场地上部地层为第四系全新统冲积成因的粉质黏土、黏土及第四系上更新统残积成因的含碎石粉质黏土，下伏第三系含砾砂岩（局部为砂砾岩）。场地地层现从上至下描述如下：①粉质黏土（Q4al）：灰褐、灰黄色，软塑～可塑偏软，稍湿～湿，混少量碎石（主要位于场地东侧地势较低处），局部有富集。表层0.3 m 为耕植土，站址区域大部分都有分布，局部有缺失，最大层厚3.50 m，最小层厚0.50 m，平均厚度1.04 m。②黏土（Q3al）：灰黄、黄褐色，硬塑～坚硬状态，稍湿，干强度高，韧性高，局部含少量碎石，含铁锰质结核，有高岭土条带，局部有富集。站址区域局部分布，主要位于站址西侧，最大层厚0.30 m，最小层厚1.90 m，平均厚度1.08 m。③黏土（Q3al）：灰黄、黄褐色，硬塑，稍湿，干强度高，韧性高，局部含少量碎石，含铁锰质结核，有高岭土条带，局部有富集。站址区域局部分布，主要位于站址西侧及中间，最大层厚3.70 m，最小层厚0.50 m，平均厚度2.18 m。③1黏土（Q3al）：灰黄、黄褐色，可塑偏硬～硬塑，稍湿，干强度高，韧性高，局部含少量碎石，含铁锰质结核，有高岭土条带，局部有富集。站址区域局部分布，主要位于站址西侧及中间，最大层厚2.50 m，最小层厚0.50 m，平均厚度1.45 m。④含碎石粉质黏土（Q3el）：灰黄色，局部红褐色，稍湿～湿，硬塑，混碎石，含量约30%～40%，粒径1～10 cm，局部粒径大于20 cm，母岩为砂砾岩，残积成因。站址大部分区域均有分布，最大层厚2.50 m，最小层厚0.50 m，平均厚度1.26 m。⑤含砾砂岩（E）：红褐色，全风化，岩芯多呈土状，手可捏碎，遇水易软化崩解，砾石成分混杂，多为石英岩、砂岩等，粒径一般在1～4 cm 之间，局部较大可达8～10 cm，人工用镐可挖。局部砾石富集段岩性为砂砾岩（主要位于场地东北侧）。该层在场地广泛分布，最大层厚4.00 m，最小层厚1.00 m，平均厚度2.14 m。⑥含砾砂岩（E）：红褐色，强风化，主要为泥质胶结，少量钙质胶结，岩芯多呈碎块状，极少量短柱状。砾石成分混杂，多为石英岩、砂岩等，粒径一般在1.0～4.0 cm 之间，局部较大可达8.0～10.0 cm，人工用镐不易挖掘，可用风镐挖掘。局部砾石富集段岩性为砂砾岩（主要位于场地东北侧）。

1.4 地下水条件

变电站址地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水。

上层滞水主要赋存于地表松散层中，水量较小，水位不稳定，一般在0.5～2.0 m 之间，变幅±0.5 m，受大气降水影响较大，旱季可能消失，本阶段勘测时钻孔一般未见地下水。该层地下水对施工影响较小，基坑开挖采用基坑集水明排即可。基岩裂隙水埋深较大，对本工程建设影响较小，可忽略其影响。

1.5 膨胀土胀缩特性

站址区域地层主要为膨胀土，自由膨胀率47%～52%，具有弱膨胀潜势。根据《工程地质手册》（第五版）[3]，场地区域大气影响深度约3.3 m，大气影响急剧深度层约1.5 m。根据区域经验参数，计算各勘探点处地下1 m 至大气影响深度3.3 m 处的涨缩量为5.17～51.6 mm，最大胀缩等级Ⅱ级。

2 站区膨胀土防治处理措施

2.1 膨胀土防治主要原则

1）变电站场地主要采用土性改良，非全部换土处理。根据调研变电站附近土质均为膨胀土，全站换土处理不经济，也无法实施。

2）膨胀土土性改良可采用掺和水泥、石灰等材料，虽然水泥的改良效果比石灰改良效果更明显[4]，但费用较高，GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》[5]也指出，土中掺入2%～8%石灰粉并拌合均匀是简单经济的方法，根据地质报告建议，场地土性改良采用5%的石灰粉掺入。

3）根据地质报告，场地区域大气影响深度约3.3 m，大气影响急剧深度层约1.5 m。因此，全站膨胀土处理深度为1.5 m，基础埋深小于1.5 m 基础均需处理。

4）加强场地排水设计，减少因场地内排水系统管道渗水对建筑物沉降变形的影响，且加强施工过程中排水设计。基坑开挖应防止被水浸泡，暴晒；基础周边宜设置排水沟，防止地表水渗入基坑对地基土长时间浸泡。场地内部及周边应做好集水排水措施，场地内降雨及积水应及时排出。

2.2 膨胀土防治主要措施

2.2.1 挡土墙

场区挖填平衡，填方区设置钢筋混凝土挡土墙，高度2.0～5.5 m 高。站区挡土墙站内侧设置500 mm 厚碎石反滤层，反滤层外设置透水性填料（30%碎石土），填料处理至站外地面标高。站内围墙2 m 范围设置100 mm 厚C15 素混凝土封闭层。挡土墙站外侧设置混凝土散水和砖砌截水沟。挡土墙基础底设置100 mm厚C15 素混凝土垫层+300 mm 厚碎石垫层。挡土墙做法如图1 所示。

图1 挡土墙详图

挡土墙抗滑移、稳定计算应考虑水平膨胀力的作用，无实验数据时，可参考《工程地质手册》（第五版），安徽合肥工大地区水平膨胀力59 kPa。

2.2.2 围墙基础

变电站常规围墙为2.3 m，但500 kV 变电站需考虑噪音处理，一般高5～6 m，因而采用混凝土框架结构。挖方区围墙基础为独立基础，基础埋深-1.5 m，未大于大气影响急剧层深度，基础C15 素混凝土垫层下设300 mm 碎石垫层。填方区围墙设置在挡土墙之上，挡土墙兼做基础，计算应考虑高大围墙荷载及风荷载。

2.2.3 道路

全站道路做法自上而下依次为：①40 mm 厚细粒式沥青混凝土面层，②60 mm 厚中粗粒式沥青混凝土，③180 mm 厚C30 混凝土面层；④180 mm 厚6%水泥稳定碎石基层；⑤200 mm 厚级配碎石垫层。

为消除膨胀土对道路的影响，填方区道路对路基土进行改性处理，⑤碎石垫层下加设1 m 厚一九灰土垫层。挖方区道路将⑤碎石垫层由200 mm 厚改为300 mm 厚。

2.2.4 电缆沟

变电站室外电缆沟截面尺寸分别为600×600 mm，800×800 mm，1 000×1 000 mm，1 200×1 200 mm，电缆沟底均小于大气影响急剧深度层1.5 m。电缆沟做法同国网标准工艺[6]，采用砖砌电缆沟，砖为MU15 烧结煤矸石实心砖砌块，用M7.5 水泥砂浆砌筑，沟内外壁及沟底面粉20 mm 厚M15 防水水泥砂浆，同时沿电缆沟壁浇筑两道C15 细石混凝土带（宽同沟壁，高100 mm。室外电缆沟底板C15 素混凝土垫层底部设300 mm 厚碎石垫层，电缆沟侧壁500 mm 范围的回填土采用一九灰土，深度同电缆沟垫层底。

2.2.5 建筑物

全站建筑物本站共设8 栋建筑物，分别为主控通信室，500 kV 继电器室，主变、220 kV、35 kV 继电器室及站用电室，0#站变室、警卫室、消防泵房、雨淋阀室1和雨淋阀室2，总建筑面积为1 464 m2。

主控通信室、500 kV 继电器室、主变、220 kV 及35 kV 继电器室与站用电室、500 kV 构架、主变构架建筑结构安全等级为一级，其他建构筑物为二级，均为单层建筑，设计使用年限为50 a，抗震设防烈度为7 度。建筑物均采用混凝土框架结构。

建筑物地坪自室外标高-1.5 m 深开始采用非膨胀土（5%的生石灰掺入）回填，建筑物基础C15 素混凝土垫层底部设300 mm 厚碎石垫层（若有超深处理超1.5 m，则取消碎石垫层）。建筑物辅助用房室内地面可按普通房间处理，参照标准工艺设计。其他所有设备房间对地面变形要求高，室内回填均采用非膨胀土（5%的生石灰掺入）。散水宽度则采用1.2 m，下设300 mm 厚碎石。

2.2.6 主变（电抗器）油坑

主变（电抗器）油池尺寸10 m×10 m，底板C20 素混凝土垫层，池壁采用MU10 砖，M7.5 水泥砂浆砌筑，高1.5 m。因此，油池底部设300 mm 厚碎石垫层，油池沟壁外侧500 mm 范围内采用非膨胀土（5%的生石灰掺入）回填。

2.2.7 构筑物

1）大型基础。站内构架、主变和GIS 等重型构筑物基础采用加大基础埋深为主要的防治措施，基础埋深大于等于1.6 m，大于大气影响急剧层深度。

2）小型基础。站内端子箱基础、设备支架等轻型构筑物基础底设300 mm 碎石垫层（若有超深处理超1.5 m，则取消碎石垫层）。

2.2.8 防滑面砖及场坪

站区地坪采用碎石地坪，做法为200 mm 碎石层+100 mm 三七灰土封闭层。广场地坪采用防滑面砖，下设300 mm 厚碎石。

2.2.9 站区主要排水措施

1）站区护坡坡顶及坡底均设置截水沟，适当加大截水沟排水坡度，加快坡面排水。

2）站区为土方平衡，填方区最深为4 m，因此在挖填方交接处增加一道通长截水沟，减少雨水下渗。

3）提前策划封闭区域排水方案，水工专业提前介入总图规划，结合电缆沟、操作地坪布置图减少封闭区域，必要时，采用电缆沟过水渡槽。重点关注建筑物屋面排水顺畅，确保雨水管接入排水系统。

4）消防管道采用钢丝网骨架塑料管，加强管道接头工艺管控，可在主设备区域增加消防管沟，避免管道漏水引起膨胀土沉降。

2.3 膨胀土防治主要工程量及费用

全站膨胀土处理的总工程量约为：碎石土2 600 m3，碎石2 390 m3，一九灰土4 038 m3，总费用约141.3 万元。

3 工程检测

膨胀土对建（构）筑物的影响是长期的，特别是对变形要求高的GIS、主变等主设备，为确保工程投运后的安全，根据规程规范要求，在设计中GIS 大板基础之上的每个墩式基础设置2 个观察点，每台主变基础设置2 个观察点。对主控楼及继电器室各拐角处设置观察点。对挡土墙、边坡每隔20 m 设置观察点。并提出全站进行长期沉降观测的要求，以便能够及早发现和解决问题[7]。竣工后，应每月进行一次。观测工作宜连续进行1 a 以上。必要时，应同期进行裂缝、基础转动、墙体倾斜及基础水平位移等项目的观测。

4 对施工质量的要求

1）膨胀土地区施工必须按照设计要求，根据场地条件和季节性等特点编制施工组织设计，提前规划站内排水系统，保证站内无积水。

2）根据工程四通一平图纸，提前策划土方回填及外购方案，特别是保证非膨胀土参与站内回填，必要时需采取特别措施。同时重点关注高边坡高挡墙施工质量及安全措施。坡顶弃土至开挖线的距离应通过稳定性计算确定，且不应小于5 m。

3）变电站二次屏位对变形较为敏感，建筑物基础建成后，施工单位在室内电缆沟与墙角等狭小缝隙处，可采用级配碎石回填，加强室内回填土质量控制。

5 对运行维护的建议

1）重点关注GIS、主变基础表面是否有裂纹及电缆沟、散水等小构件裂纹及变形。

2）应定期检查排水沟、雨水明沟、防水地面等，发现开裂、渗漏、堵塞等现象时，应及时修复，保证场区排水通畅。

3）应定期观察坡体位移情况，当出现裂缝时，应及时采取治理措施。

6 结束语

综上所述，安徽地区膨胀土分布广泛，且对变电站中建（构）筑物的整体结构产生极为不利的影响。因此，在变电站建设的过程中，尤其在前期设计过程中，应高度重视，充分论证，多方案比选充分。施工过程中，应该采取科学合理的施工措施来对其进行控制，从而使变电站建（构）筑物的构造稳定性得以保障，进而保证人们的用电安全。