李瀛濤

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 常規(guī)處理方法

巖溶是由泥灰?guī)r、石灰?guī)r等可溶性巖石長(zhǎng)期受地下水的地質(zhì)和化學(xué)作用而形成的。這類基巖在附加荷載作用下或震動(dòng)作用下，易形成持力層變形甚至坍塌，對(duì)上部建構(gòu)筑物的安全造成較大隱患。冷卻塔是電廠中的重要構(gòu)筑物，其高度和底部荷載均較大，對(duì)地基要求高，對(duì)于巖溶發(fā)育場(chǎng)地，需要進(jìn)行妥善處理。

按照現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007－2011)，對(duì)地基穩(wěn)定性有影響的巖溶洞隙，應(yīng)根據(jù)其位置、大小、埋深、圍巖穩(wěn)定性和水文地質(zhì)條件綜合分析，因地制宜采取以下處理措施：

(1)對(duì)較小的巖溶洞隙、可采用鑲補(bǔ)、嵌塞與跨越等方法處理。

(2)對(duì)較大的巖溶洞隙，可采用梁、板和拱等結(jié)構(gòu)跨越，也可采用漿砌塊石等堵塞措施以及洞底支撐或調(diào)整柱距等方法處理?？缭浇Y(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠支撐面。梁式結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定巖石上的支撐長(zhǎng)度應(yīng)大于梁高1.5倍。

(3)基底有不超過25%基地面積的溶洞(隙)且充填物難以挖除時(shí)，宜在洞隙部位設(shè)置鋼筋混凝土底板，底板寬度應(yīng)大于洞隙，并采取措施保證底板不向洞隙方向滑移。也可在洞隙部位設(shè)置鉆孔樁進(jìn)行穿越處理。

2 工程概況

某電廠超大型冷卻塔高約210m，下部采用環(huán)板基礎(chǔ)。環(huán)板基礎(chǔ)中心直徑約170m。位于巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地段。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，擬建場(chǎng)地第四系土層主要為上更新統(tǒng)沖湖積層和坡殘積層粘性土，下伏基巖為二疊系燧石灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖和石英砂巖。從上到下地層分別為回填土、粉質(zhì)粘土、含礫粘土、燧石灰?guī)r，中間局部夾雜呈帶狀分布的泥質(zhì)粉砂巖及呈薄層狀分布于泥質(zhì)粉砂巖中的石英砂巖。場(chǎng)地內(nèi)含水層為回填土、粘性土和基巖，不會(huì)產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，基坑降水和排水對(duì)場(chǎng)地和地基的穩(wěn)定性影響較小。各土層地基承載力見表1。

表1 各巖土層地基承載力建議特征值

粉質(zhì)粘土、含礫粘土的承載力為160kPa～180kPa，超大型冷卻塔的基底所需承載力平均值約350kPa～400kPa，這兩層土無法作為超大型冷卻塔基礎(chǔ)的持力層。下部燧石灰?guī)r承載力為2000kPa，可滿足承載力要求，但是其埋深和起伏均較大，最高處出露地表，最深處埋深約為23.8m。

冷卻塔擬建場(chǎng)地處的燧石灰?guī)r溶洞呈串珠狀發(fā)育，根據(jù)勘查結(jié)果，溶洞內(nèi)大部分為全充填，少量為半充填或無充填，充填物以粘土為主，溶洞洞深0.10m～13.60m。根據(jù)各鉆孔揭示溶洞位置、洞徑、充填情況及可溶巖厚度計(jì)算，鉆孔遇洞率為66.1%，鉆孔線溶率為23.7%，根據(jù)《火力發(fā)電廠巖土工程勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》(DL/T5074－2006)表7.3.2，綜合判定該場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度為極強(qiáng)烈發(fā)育，屬于未經(jīng)處理不宜作為地基的不利地段。

3 地基處理方案

根據(jù)環(huán)基初步估算寬度，按照《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5339－2006)規(guī)定的地基承載力計(jì)算工況1.1G+1W/1.9在冷卻塔結(jié)構(gòu)有限元模型中進(jìn)行整體計(jì)算。由于冷卻塔高度超過規(guī)范適用的165m上限，整體計(jì)算中風(fēng)荷載考慮風(fēng)洞試驗(yàn)得到的群塔風(fēng)壓影響系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)，計(jì)算得到冷卻塔殼體支撐柱底(含環(huán)基自重)的最大豎向荷載為51600kN，最大水平荷載為9700kN。由于冷卻塔風(fēng)荷載作用方向可為任一方向，因此地基處理方案確定階段偏于安全的采用最大支柱下荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)詳勘報(bào)告，建議冷卻塔采用樁基礎(chǔ)，樁型選用鉆(沖)孔灌注樁。鉆孔和沖孔根據(jù)不同地層結(jié)合使用，在粘性土或完整巖層中成樁以鉆孔為主，沖擊成孔主要在第四系覆蓋層中遇到碎石土或孤石時(shí)采用，另外在巖溶發(fā)育段使用也有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。冷卻塔的大部分地段為灰?guī)r區(qū)，建議以?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r為樁端持力層，考慮到該區(qū)域巖溶發(fā)育極強(qiáng)烈，建議樁端以下保持一定深度的穩(wěn)定巖層。

3.1 樁基承載力計(jì)算

根據(jù)詳勘地質(zhì)資料，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)極限標(biāo)準(zhǔn)值及地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)的見表2、表3。

表2 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)極限標(biāo)準(zhǔn)值

表3 地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)和巖石地基堅(jiān)向抗力系數(shù)建議值

3.1.1 豎向承載力計(jì)算

考慮到工程范圍內(nèi)地層變化較大，樁基豎向承載力計(jì)算時(shí)忽略樁基側(cè)阻力，僅考慮端承力。根據(jù)上述參數(shù)，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)中5.3.9節(jié)計(jì)算，嵌巖深徑比取0.5，對(duì)于常用的1.0m～1.5m直徑的不同樁基承載力特征值進(jìn)行計(jì)算，不同直徑灌注樁的承載力見樁見表4。

表4 中風(fēng)化燧石灰?guī)r持力層樁基豎向承載力

計(jì)算中樁體采用C35混凝土，鋼筋保護(hù)層厚度55mm；樁身配筋率按0.65%考慮，承載力特征值取整。對(duì)于局部位置實(shí)際計(jì)算承載力小于表4時(shí)，可適當(dāng)增大樁基的嵌巖長(zhǎng)度，滿足表4承載力設(shè)計(jì)需要。

3.1.2 水平承載力計(jì)算

冷卻塔屬于對(duì)水平位移敏感的建筑物，按照現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)5.7節(jié)規(guī)定進(jìn)行樁基水平承載力的計(jì)算。地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)見表3。

冷卻塔下部巖石起伏較大，按照鉆孔情況統(tǒng)計(jì)，其絕大部分樁長(zhǎng)在14m～32m之間，從環(huán)基處地質(zhì)資料來看，環(huán)基底均為?1和?層土，冷卻塔下樁基長(zhǎng)度統(tǒng)一按照14m計(jì)算，水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)偏于安全的按?1層土取值。

樁基水平承載力特征值按樁頂自由變位6mm考慮，按照樁長(zhǎng)為14m考慮時(shí)，樁頂水平位移系數(shù)為2.441。不同樁徑水平承載力見表5。

表5 樁基水平承載力

對(duì)于巖石埋深較淺位置的樁基，可增加樁長(zhǎng)以達(dá)到表5所計(jì)算的承載力。

3.2 地基處理方案

冷卻塔區(qū)域?yàn)橥诜絽^(qū)，下部基巖面起伏較大，淺部巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。從地質(zhì)剖面圖可以看出，環(huán)基中有約1/4坐落在基巖上。綜合考慮各鉆孔情況，考慮以下四種方案：

3.2.1 樁基方案

冷卻塔環(huán)基下巖石起伏大，巖溶發(fā)育劇烈，下部巖石均為?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r。在GK26、XK50鉆孔處，環(huán)基可坐落在巖石上且下部無巖溶發(fā)育，其他巖石出露地表的鉆孔下部巖溶均呈串珠狀，發(fā)育劇烈，另外還有其他13個(gè)鉆孔巖層埋深較大。為保證環(huán)基地基處理均勻，考慮使環(huán)基全部坐落在樁基上。對(duì)于GK26、XK50鉆孔，開挖巖石至環(huán)基底部以下4m深度，分層碾壓回填后開始打樁，樁基進(jìn)入完整巖石1.5m，總樁長(zhǎng)為5.5m，其他位置樁基穿過巖溶至穩(wěn)定持力層，以?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r為樁端持力層。按照勘測(cè)報(bào)告建議和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 91－2008)3.3.3中第5條，穩(wěn)定持力層按樁端以下完整巖石層厚度不小于3d和5m的較大值考慮。樁長(zhǎng)為5m～39.9m。具體布樁形式見圖1。

圖1 環(huán)基布樁圖

按照上述布樁形式，相當(dāng)于每個(gè)支柱下有9根樁，1.0m～1.5m直徑的樁均可滿足豎向承載力要求；對(duì)于水平荷載，按照現(xiàn)行《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94－2008)中5.7.3條計(jì)算，1.2m直徑樁和1.5m直徑樁的群樁效應(yīng)綜合系數(shù)分別為2.24和1.88，群樁水平承載力分別為8467.2kN和11167.2kN，按照冷卻塔整體計(jì)算得到的殼體支撐柱底最大水平向荷載為9724kN。因此，按照上述布樁形式采用直徑為1.5m的樁可滿足受力要求。

對(duì)于淋水支柱基礎(chǔ)，其豎向荷載較小且僅承受地震作用下的水平力。根據(jù)地基實(shí)際情況，對(duì)于坐落在巖層上的基礎(chǔ)采用天然地基，并對(duì)下部5m范圍內(nèi)存在的巖溶進(jìn)行開挖換填處理，樁端以下5m范圍內(nèi)巖溶進(jìn)行灌漿處理；對(duì)于巖層距地面小于5m的基礎(chǔ)采用毛石混凝土換填；對(duì)巖石埋深較大的位置采用一柱一樁方案，直徑0.8m的灌注樁可滿足受力要求，樁端應(yīng)穿過溶洞進(jìn)入穩(wěn)定地層，以?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r為樁端持力層。

3.2.2 樁基+天然地基方案

該方案對(duì)環(huán)基可直接坐落于巖層的位置采用天然地基，并對(duì)下部5m深度范圍內(nèi)存在的巖溶進(jìn)行灌漿處理；對(duì)于GK21、GK23等巖層距環(huán)基底部小于5m的部分，采用毛石混凝土換填處理；對(duì)巖石埋深較大的位置采用樁基礎(chǔ)，樁端應(yīng)穿過溶洞進(jìn)入穩(wěn)定地層，以?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r為樁端持力層。樁長(zhǎng)為5m～39.9m。具體布樁形式同圖1。

淋水裝置區(qū)域地基處理方案同方案一。

3.2.3 換填毛石混凝土處理方案

冷卻塔下基巖至環(huán)基底部最大埋深為22.6m。該方案考慮將冷卻塔內(nèi)地基全部開挖至?層中等風(fēng)化燧石灰?guī)r，對(duì)下部巖石層5m厚度以內(nèi)的巖溶開挖后用毛石混凝土換填，其下巖溶采用灌漿處理。鉆孔探明及開挖發(fā)現(xiàn)的巖溶全部處理完畢后，采用毛石混凝土回填至冷卻塔基底。該方案可對(duì)冷卻塔下巖溶發(fā)育情況全面掌握，處理方式可靠，但土方量大。

淋水裝置區(qū)域柱基礎(chǔ)也采用毛石混凝土換填。

3.2.4 換填漿砌毛石處理方案

該方案與方案三類似，僅在基地?fù)Q填時(shí)采用漿砌毛石代替毛石混凝土。穩(wěn)定巖石層厚度以下巖溶處理同方案三。該方案可較方案三減少換填體積。

3.3 地基處理方案對(duì)比

按照上述四種方案，對(duì)冷卻塔整個(gè)地基處理費(fèi)用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，計(jì)算中考慮以下內(nèi)容：

(1)經(jīng)濟(jì)分析中除地基處理費(fèi)用，還包括環(huán)板基礎(chǔ)、淋水裝置基礎(chǔ)等基礎(chǔ)費(fèi)用，并考慮樁基檢測(cè)和基坑支護(hù)等費(fèi)用。方案三、四換填后基地承載力較高，可減小環(huán)基尺寸，計(jì)算中考慮基礎(chǔ)減小對(duì)造價(jià)的影響。

(2)在巖溶發(fā)育地區(qū)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)充盈系數(shù)變化可能很大，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)情況及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在造價(jià)計(jì)算中按實(shí)際計(jì)算的1.6倍估算考慮。

(3)冷卻塔大開挖方案中，下部基巖表層起伏較大，為使施工作業(yè)設(shè)備能夠通行和運(yùn)轉(zhuǎn)，開挖工程量中需要考慮巖石坡度的削整。由于坡度變化較大，且開挖后巖石表面巖溶處理的不確定性，最終造價(jià)按照實(shí)際工程量增加20000m3巖石開挖和10000m3的毛石回填估算。

通過技經(jīng)專業(yè)計(jì)算，由低到高分別是方案四、方案二、方案一、方案三。各方案所需費(fèi)用差別不大，最高與最低的方案四與方案三差價(jià)為四種方案平均造價(jià)的9.3%。各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表6。

表6 冷卻塔環(huán)基地基處理方案對(duì)比

4 結(jié)論

通過上對(duì)比，方案二與方案一造價(jià)相近，但處理后地基分別坐落在巖石和樁基上，且兩種地基分段間隔，同時(shí)兩者剛度差別較大，造成地基不均勻，按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)規(guī)范要求,“同一結(jié)構(gòu)單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基”，因此不推薦方案二。其他三種方案均能使冷卻塔地基處理相對(duì)比較均勻，比較這三種方案：方案三和方案四較方案一施工難度小，表層巖溶能全部發(fā)現(xiàn)并得到有效處理，但方案三工程投資是這四種方案中最高的，而且由于基底巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，工程量計(jì)算難度大，可能存在較大誤差；方案四投資最小，但需要回填高度較大的漿砌毛石，需更嚴(yán)格的控制施工質(zhì)量；方案一的工程量較省，其處理費(fèi)用略低于四種方案的平均造價(jià)，同時(shí)也是勘測(cè)報(bào)告推薦的方案，雖然地下巖溶使得樁基施工難度大，但參考同類地基處理施工經(jīng)驗(yàn)，巖溶處理的風(fēng)險(xiǎn)是可控的。通過上述方案對(duì)比，考慮該冷卻塔地基處理采用方案一。

[1]吳珊瑚．石灰?guī)r地區(qū)樁基設(shè)計(jì)與施工[J]．西江大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(2)．

[2]GB 50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[3]陳朝，等．實(shí)例分析地基剛度對(duì)冷卻塔環(huán)基內(nèi)力計(jì)算的影響[J]．特種結(jié)構(gòu)，2012，(2)．

[4]李毅男，等．石灰?guī)r地區(qū)冷卻塔地基處理[J]．煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(7)．