浅谈火电厂主厂房基础优化

李向东

（新疆华电高昌热电有限公司 新疆吐鲁番 838004 ）

【摘要】在电厂的建设过程中，土建投资占很大比重，土建工程对整个项目工期的影响也很大，因此土建结构设计非常重要，合理的设计不但能节省造价，更有利于保证工期。本文从建、构筑物地基基础、主厂房基础结构形式选择使全厂土建设计方案更加合理，土建投资更加经济。

【关键词】工程量 设计优化

引言：本火电工程位于新疆吐鲁番地区吐鲁番市属温带极干旱荒漠气候，年均气温14.4℃，年均降水量16.1mm，年均蒸发量为2707.3mm，年均无霜期251天。吐鲁番属典型的大陆性干旱荒漠气候。虽然年平均温度只有14.4℃，然而超过35℃的日数却在100天以上，即使38℃以上的酷热天气也有38日之多。多年测得的绝对最高气温为47.7℃(2006年8月)，而地表温度能达到83.3℃，是名副其实的“中国热极”。

1、地形地貌特征及不良地质作用

火电厂厂址地貌上属于山前洪积平原中部, 地貌单一，呈农田、荒地景观。自然地面海拔高程在-65～-72m之间，地势为西北高东南低, 坡度平缓，地面自然坡降1.5%左右，地形较为平坦开阔, 厂址区地理坐标为: 42°52'38"N， 89°09 '37"E。

厂址在勘探深度40m范围内的地层主要由角砾、粉砂、粉质黏土层组成。现分述如下：

①角砾（Q₄^pl）:青灰色、灰黄色，干～稍湿，稍密～中密状态，一般粒径2～20mm, 最大可见粒径约100mm,骨架颗粒含量在60～70%,分选性差,磨圆度较差,多呈次棱角状,颗粒排列较混乱，母岩成份以岩浆岩和沉积岩为主,中粗砂充填，层理较清晰，级配良好。人工开挖较困难,局部地段夹薄层粉砂。该层在厂区水平方向分布连续，垂直方向分布变化较大，层顶高程-71.9～-66.8m，层底高程-81.2～-70.6m，层厚1.8～9.7m。

②粉砂（Q₄^pl）:灰黄色，青灰色，干～稍湿，中密～密实，级配一般，局部地段夹0.3m～0.5m厚的粉土透镜体，该层在厂区分布连续稳定，层顶高程-81.2～-70.6m，层顶埋深1.8～9.7m，可见最大厚度31.7m，勘测深度40m未揭穿。

②₁角砾（Q₄^pl）：青灰色、灰黄色，稍湿，中密～密实状态，一般粒径2～20mm, 最大可见粒径约100mm,骨架颗粒含量在60～70%,分选性差,磨圆度较差,多呈次棱角状,颗粒排列较混乱，母岩成份以岩浆岩和沉积岩为主, 中粗砂充填，级配良好，局部地段夹薄层粉砂。该层在厂区呈透镜体分布，层顶埋深9.7～8.9m，层顶高程-78.6～-76.1m，层底高程-80.2～-77.4m，层厚1.3～1.6m。

②₂粉质黏土（Q₄^pl）：灰黄色，灰褐色，硬塑～坚硬状态，无摇振反应，切面光泽，韧性中等，局部含有少量小砾石。该层在厂区呈透镜体分布，层顶埋深7.5～27.0m，层顶高程-96.6～-77.4m，层底高程-98.9～-77.5m，层厚1.5～4.6m。

③粉质黏土（Q₄^pl）: 灰黄色，灰褐色，硬塑～坚硬状态，无摇振反应，切面光泽，韧性中等，局部含有少量小砾石。该层在仅在钻孔K03、KO7揭露，层顶高程-104.5～-103.4m，层顶埋深-36.0～-33.4m，可见最大厚度6.6m，勘测深度40m内未揭穿。

表1 岩土各层物理力学指标范围值

2、优化原则：

主要原则是：在满足现行国家及行业有关规程、规范及使用要求的前提下，做到技术先进、安全可靠、经济合理。

3、优化主要措施：

3 .1建、构筑物地基基础方案

3.1.1地基方案

根据本工程勘察报告，在勘探深度40m范围内的岩土地层主要由角砾、粉砂、粉质黏土层组成。从厂区地基土的强度、抗变形能力和分布规律来分析,本工程采用天然地基方案。对基础底面以下局部达不到设计要求的软弱夹层，进行承载力和变形验算，当不能满足要求时可考虑先清除软弱夹层，然后采用换填垫层等地基处理方法进行小范围处理，以满足地基承载力和变形的要求。全厂基础在满足工艺要求和冻深的规定前提下尽量浅埋，以减少基坑开挖及回填的土方量。

3.1.2基础优化

本工程大部分基础采用的是钢筋混凝土独立基础，基础混凝土量及钢筋用量的设计优化将主要从以下2个方面进行：1）根据总平面的布置情况选择合理的基础型式，2）基础设计优化。基础的设计优化可分为两个步骤，首先通过优化方法确定基底尺寸．然后对基础高度和钢筋用量进行精细化设计。

3.1.2.1 基础的平面尺寸优化、高度和钢筋用量优化

根据《建筑地基基础设计规范（GB 50007-2011）》第8.2.7条的规定，单独基础应计算柱与基础交接处以及基础变阶础的受冲切承载力、受剪切承载力及基础底板抗弯计算，由此确定基础的外形尺寸及配筋。由于火力发电厂内建、构筑物的荷重较大，柱截面和基础高度通常较大，因此优化基础的混凝土及钢筋用量成为关键问题，下面以汽机房位置基础为例，参考类似工程荷载，优化基础高度，进行基础配筋计算，使基础高度和基础配筋达到一个经济、合理的平衡点。

基础外形一的基础台阶高度是按以往工程的通常做法设计，即基础顶部的两个台阶按1：1的比例设计，最底部的台阶宽度与高度的比值按照计算确定，基础外形一如图3.1.2-1。

图3.1.2-1 基础外形一简图

基础计算数据

基础尺寸(单位mm):见图3.1.2-1 基础外形一简图，

柱:矩形柱, A=1000mm, B=1500mm

设计值：N=18646.00kN, Mx=524.00kN.m, Vx=319.00kN, My=2486.00kN.m, Vy=85.00kN

标准值：Nk=13811.85kN, Mxk=388.15kN.m, Vxk=236.30kN, Myk=1841.48kN.m, Vyk=62.96kN

混凝土强度等级：C30

纵筋最小配筋: 0.15%

修正后的地基承载力特征值：680kPa

基础埋深：-6.50m

地基承载力验算:

pk=459.30 < fa=680.00kPa, 满足

pkmax=552.31 < 1.2*fa=816.00kPa, 满足

基础抗剪验算:

根据《建筑地基基础设计规范》第8.2.7-2条, 需要进行抗剪验算

抗剪验算公式 V<=0.7*β_hs*ft*Ac 《建筑地基基础设计规范》第8.2.9条

抗剪满足.

基础抗冲切验算:

抗冲切验算公式 F_l<=0.7*β_hp*ft*Aq 《建筑地基基础设计规范》第8.2.8条

抗冲切满足.

基础受弯计算:

弯矩计算公式 M=1/6*l_a²*(2b+b')*pmax [l_a=计算截面处底板悬挑长度]

底板配筋: （C30，钢筋级别：HRB400）

X向实配 E18@120(2121mm²/m,0.157%) >= As=2025mm²/m

Y向实配 E18@120(2121mm²/m,0.157%) >= As=2025mm²/m

下面选用C40混凝土， HRB400进行计算。详见基础外形二如图3.1.2-2，按照此基础外形进行配筋计算，结果如下：

图3.1.2-2 基础外形二简图

柱截断及内力同基础外形一

混凝土强度等级：C40

基底反力计算：

设计值：N=18646.00kN, Mx=524.00kN.m, Vx=319.00kN, My=2486.00kN.m, Vy=85.00kN

标准值：Nk=13811.85kN, Mxk=388.15kN.m, Vxk=236.30kN, Myk=1841.48kN.m, Vyk=62.96kN

地基承载力验算:

pk=459.30 < fa=680.00kPa, 满足

pkmax=552.31 < 1.2*fa=816.00kPa, 满足

基础抗剪验算:

根据《建筑地基地基设计规范》第8.2.7-2条, 需要进行抗剪验算

抗剪验算公式 V<=0.7*β_hs*ft*Ac 《建筑地基地基设计规范》第8.2.9条

抗剪满足.

基础抗冲切验算:

抗冲切验算公式 F_l<=0.7*β_hp*ft*Aq 《建筑地基地基设计规范》第8.2.8条

抗冲切满足.

基础受弯计算:

弯矩计算公式 M=1/6*l_a²*(2b+b')*pmax [l_a=计算截面处底板悬挑长度]

底板配筋: （C40，钢筋级别：HRB400）

X向实配 E18@120(2121mm²/m,0.177%) >= As=2012mm²/m

Y向实配 E18@140(1818mm²/m,0.151%) >= As=1800mm²/m

将基础优化前、后的混凝土用量与钢筋用量进行对比，见下表：

表3.1.2-1 单个基础造价对比表

根据上表的比较，基础设计采用C40混凝土、HRB400钢筋是经济合理的，与采用C30混凝土、HRB400钢筋的基础相比，单个基础体积减小13.3%，综合造价每个基础可节省0.08万元，造价降低3.4%。对于2x350MW机组汽机房位置基础42个，总计可节省3.36万元。对于全厂基础，节省数量可观。

3.1.2.2 基础构造的设计优化

根据《建筑地基基础设计规范》GB 50007的要求采用合理的构造措施，可以减少钢筋用量，具体措施如下：

1） 当柱下钢筋混凝土独立基础的边长大于等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取边长的0.9倍，并宜交错布置（图3.1.2-3）。

2） 现浇柱的基础，其插筋的数量、直径及钢筋种类应与柱内纵向受力钢筋相同。插筋的下端宜做成直钩放在基础底板钢筋网上。当符合下列条件之一时，可仅将四角的插筋伸至底板钢筋网上，其余插筋锚固在基础顶面下l_a或l_aE（有抗震设防要求时）处（图3.1.2-4）。

a）柱为轴心受压或小偏心受压，基础高度大于等于1200mm；

b）柱为大偏心受压，基础高度大于等于1400mm。

图3.1.2-3 扩展基础底板钢筋交错布置示意

图3.1.2-4 现浇柱的基础中插筋构造示意

结论：本文通过分析钢筋混凝土基础的受力特点，在规范要求的基础上进行了一系列的公式推导和试算，最终得到了优化基础尺寸的有效方法。此外，在设计当中严格控制基础台阶的宽高比，合理选择基础混凝土及钢筋材料，可以达到优化基础造价的目的。采用上述的优化方法，对基础底面尺寸和基础高度同时进行优化，基础体积可以减小13.5%，综合造价降低5.5%，并严格按照规范中构造确定钢筋的锚固和搭接长度，节省钢筋用量。通过以上措施，精心设计，可以达到有效降低全厂建、构筑物基础的工程量的目的。

参考文献：《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）