馬駿驤

（中國電力工程顧問集團(tuán) 華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063）

隨著國力的提升和科技的發(fā)展，國內(nèi)火力發(fā)電廠技術(shù)也日益進(jìn)步與成熟，單臺機(jī)組裝機(jī)容量從300 MW 到600 MW，再到1 000 MW，乃至即將問世的1 350 MW。鍋爐作為火力發(fā)電廠最重要的設(shè)備之一，也經(jīng)歷了從小到大，從落后到先進(jìn)的發(fā)展過程。對于大容量火電煤粉鍋爐，常用的爐型包括塔式鍋爐與П型鍋爐兩種。

從工藝角度對兩種爐型的對比分析已多有研究[1]，但在工程前期進(jìn)行鍋爐選型決策時，決策者不僅關(guān)心鍋爐設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，也需同時考慮不同爐型對應(yīng)的地基基礎(chǔ)方案及造價的差別。尤其是在軟土地基條件下，地基處理的工程費(fèi)用往往較大。本文以在軟土地基條件下的某電廠項目為例，對此進(jìn)行對比分析，以供參考。

1 項目背景

1.1 項目概況

項目總裝機(jī)容量4 × 1 000 MW，分兩期建設(shè)。一期工程2 × 1 000 MW 機(jī)組分別于2007 年12 月、2008 年4 月投運(yùn)，采用П型鍋爐；二期工程2 × 1 000 MW 機(jī)組分別于2015年9 月、2016 年1 月投運(yùn)，采用塔式鍋爐。

1.2 項目地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場勘察資料，地層大致劃分為：

①填土：上部部分為雜色粉質(zhì)黏土夾碎石，往下為黃色吹填砂，松散。

②粉質(zhì)黏土：褐黃色～黃色，軟塑～可塑，很濕，含少量鐵錳質(zhì)、貝殼及腐殖質(zhì)，局部夾黏土，部分缺失。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色～黃灰色，流塑，飽和，含云母及腐殖質(zhì)，局部夾粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂，呈千層餅狀。

④1 粉砂：灰色，松散，飽和，含云母及少量粉質(zhì)黏土，為一透鏡體。

④2 粉質(zhì)黏土與粉土互層：灰色，軟塑～流塑，很濕；粉土為灰色，稍密，很濕，含云母，夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂，局部為粉土。

⑤粉砂：灰色，稍密～中密，局部上部為松散，飽和，含云母及腐殖質(zhì)，夾薄層粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂。

⑥1 粉質(zhì)黏土：灰色，軟塑～可塑，很濕，含少量云母、貝殼及腐殖質(zhì)，局部夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉土及粉砂，局部缺失。

⑥2 粉質(zhì)黏土夾粉砂：灰色，軟塑～可塑，很濕，粉砂為灰色，稍密～中密，飽和，局部為粉砂夾粉質(zhì)黏土，含云母及腐殖質(zhì)，局部缺失。

⑦1 粉砂：灰色，中密～密實(shí)，飽和，含云母，含少量粉質(zhì)黏土、貝殼及腐殖質(zhì)，含細(xì)砂。

⑦2 粉細(xì)砂：灰色，密實(shí)，飽和，含云母，含少量粉質(zhì)黏土、貝殼及腐殖質(zhì)，含粉砂。

⑧中粗砂：灰色，密實(shí)，飽和，含云母，含少量粉質(zhì)黏土及腐殖質(zhì)，含粉砂、細(xì)砂、礫砂。

⑨細(xì)砂：灰色～青灰色，密實(shí)，飽和，含少量粉質(zhì)黏土、云母及腐殖質(zhì)。

1.3 項目其他設(shè)計條件

基本風(fēng)壓：0.40 kN·m-2(50 年一 遇)；0.45 kN·m-2(100 年一遇)；地面粗糙度：B 類；抗震設(shè)防烈度：7 度；抗震設(shè)計分組：第一組。

2 一、二期工程П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎(chǔ)對比

2.1 一期工程П型鍋爐地基基礎(chǔ)方案

一期工程П型鍋爐鋼架柱網(wǎng)平面尺寸為69.6 m × 77.4 m，柱網(wǎng)布置圖如圖1 所示。

由圖1 中可見，П型鍋爐鋼架占地面積較大，立柱較多且分散。

根據(jù)地質(zhì)情況及試樁結(jié)果，鍋爐爐架基礎(chǔ)下地基處理采用C80 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁型采用PHC-AB600(110)型，樁尖采用開口鋼板樁靴，長300 mm，以⑦2 土作為樁端持力層。樁頂標(biāo)高為-4.400 m，樁長平均約49 m。

結(jié)合柱底反力的分布，該工程П型鍋爐鋼架基礎(chǔ)采用柱下條形基礎(chǔ)，各方向條形基礎(chǔ)交錯，形成中部挖空形式的筏板基礎(chǔ)。

該工程樁位布置圖如圖2 所示，基礎(chǔ)布置圖如圖3 所示。

圖 1 П型鍋爐鋼架柱網(wǎng)布置圖Fig. 1 Column layout of П-type boiler furnace frame

經(jīng)統(tǒng)計，該工程單臺鍋爐本體樁數(shù)678 根；基礎(chǔ)厚度3.4 m，基礎(chǔ)混凝土用量14 335 m3。

2.2 二期工程塔式鍋爐地基基礎(chǔ)方案

二期工程塔式鍋爐鋼架柱距平面尺寸為52.76 m × 53.94 m，柱網(wǎng)及基礎(chǔ)布置圖如圖4 所示。樁位布置圖如圖5 所示。

根據(jù)地質(zhì)情況及試樁結(jié)果，鍋爐鋼架基礎(chǔ)下地基處理采用C80 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，樁型采用PHC-AB600(110)型，樁尖采用開口鋼板樁靴，長300 mm，以⑦2 土作為樁端持力層。

結(jié)合柱底反力的分布，該工程塔式鍋爐鋼架主體部分立柱下采用筏板基礎(chǔ)，周邊立柱下采用獨(dú)立承臺，承臺之間設(shè)連梁。中部筏板區(qū)域樁頂標(biāo)高為-5.700 m，樁長46 m；周邊承臺區(qū)域樁頂標(biāo)高為-3.900 m，樁長48 m。

經(jīng)統(tǒng)計，該工程單臺鍋爐本體樁數(shù)367 根；筏板基礎(chǔ)厚度4 m，承臺厚度2.2 ～2.5 m 不等，基礎(chǔ)混凝土用量8 697 m3。

圖 2 П型鍋爐鋼架樁位布置圖Fig. 2 Pile layout of П-type boiler furnace frame

2.3 地基基礎(chǔ)對比

該項目兩期工程的鍋爐地基基礎(chǔ)對比如表1所示。

由表1 中可見，就該項目兩期工程而言，塔式鍋爐樁數(shù)與基礎(chǔ)混凝土量均較П型鍋爐節(jié)省近三分之一，在工程量方面具有較明顯的優(yōu)勢。需要說明的是，由于二期工程建設(shè)時間晚于一期工程，在設(shè)計中吸取了一期工程及其他類似工程的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化。

本文選取的工程案例為同一電廠的兩期工程，機(jī)組容量相同，地質(zhì)條件相同，計算風(fēng)荷載及抗震設(shè)防烈度均相同，其對比結(jié)果具有一定的參考意義。

圖 3 П型鍋爐鋼架基礎(chǔ)布置圖Fig. 3 Foundation layout of П-type boiler furnace frame

3 П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎(chǔ)差異分析

П型鍋爐為各火力發(fā)電機(jī)組常用爐型，塔式鍋爐是針對1 000 MW 發(fā)電機(jī)組推出的爐型。塔式鍋爐推出之初，主要應(yīng)用在東部沿海地區(qū)。這些工程地基土條件較差，軟弱土層厚，持力層深，這在一定程度上造成了塔式鍋爐對地基基礎(chǔ)要求更高、地基基礎(chǔ)工程量更大的錯覺。

從感官上，塔式鍋爐的高度遠(yuǎn)大于П型鍋爐，給人較強(qiáng)的視覺沖擊，自重顯得更重[2]。經(jīng)對比，兩種爐型總重相當(dāng)，1 000 MW 容量機(jī)組兩種爐型重量均為約30 000 t。

早期塔式鍋爐的爐體承重立柱為4 根，如圖6所示。這4 根柱承受的豎向荷載非常大，按倒樓蓋法計算，群樁筏板僅4 個支座點(diǎn)，無論筏板受彎還是受沖切均處于不利的受力狀態(tài)，基礎(chǔ)筏板往往需要很厚且配筋較大[3-4]。這也是早期工程塔式鍋爐地基基礎(chǔ)工程量較大的原因之一。

經(jīng)過數(shù)年的改進(jìn)，后期塔式鍋爐的爐體承重立柱增至本文所分析工程的4 大8 小共12 根，大大改善了基礎(chǔ)筏板的受力狀態(tài)，筏板厚度得以減小，整體地基基礎(chǔ)工程量也得以降低。以本文所提及的改進(jìn)前、后兩個塔式鍋爐工程為例，樁閥基礎(chǔ)厚度減小約5%，配筋減少約20%。

圖 4 塔式鍋爐鋼架柱網(wǎng)及基礎(chǔ)布置圖Fig. 4 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame

從基礎(chǔ)布置來看：П型鍋爐由于主受力立柱較多且分散，本文工程案例中為保證基礎(chǔ)受力的整體性，將各柱下基礎(chǔ)連通，形成局部挖空的筏板形式，部分樁基承載力未得到充分發(fā)揮，造成樁數(shù)偏多、基礎(chǔ)量偏大；塔式鍋爐主受力柱較少且集中，本文工程案例中將中部主受力柱區(qū)域設(shè)計為厚筏板基礎(chǔ)，周邊小柱采用樁基獨(dú)立承臺并與中部筏板用基礎(chǔ)梁連接，樁基承載力得到更充分地發(fā)揮，故樁數(shù)和基礎(chǔ)量均得到有效控制。

綜合上述分析，塔式鍋爐與П型鍋爐總重相當(dāng)；П型鍋爐高度較低，占地面積較大，荷載分布較分散；塔式鍋爐平面布置緊湊，占地面積小，主要荷載集中于中間部位。若不考慮設(shè)計優(yōu)化的因素，兩種爐型在同一軟土地質(zhì)條件下，地基基礎(chǔ)工程量相當(dāng)，塔式鍋爐樁數(shù)與基礎(chǔ)混凝土量均較П型鍋爐節(jié)省近三分之一，工程量具有較明顯的優(yōu)勢。塔式鍋爐的布置特點(diǎn)更利于基礎(chǔ)的設(shè)計優(yōu)化，以獲得地基基礎(chǔ)的良好經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論和建議

(1)塔式鍋爐上部結(jié)構(gòu)高度高，容易給人以重量更重、基礎(chǔ)工程量龐大的錯覺。

(2)通過對比某軟土地基條件下同一電廠兩期工程的實(shí)際工程量發(fā)現(xiàn)，塔式鍋爐樁基及基礎(chǔ)工程量不大于П型鍋爐?？梢哉J(rèn)為，排除設(shè)計優(yōu)化的因素，兩者地基基礎(chǔ)工程量相當(dāng)，塔式鍋爐樁數(shù)與基礎(chǔ)混凝土量均較П型鍋爐節(jié)省近三分之一，工程量具有較明顯的優(yōu)勢。

圖 5 塔式鍋爐鋼架樁位布置圖Fig. 5 Pile layout of tower-type boiler furnace frame

表 1 П型鍋爐與塔式鍋爐地基基礎(chǔ)對比Tab. 1 Comparison of the foundation between П-type boiler and tower-type boiler

(3)對于非軟土地基條件下，兩種爐型基礎(chǔ)工程量的差異有待進(jìn)一步對比分析。若工程場地天然地基能夠在鍋爐占地面積范圍內(nèi)滿足承載力和變形要求，可以預(yù)見塔式鍋爐因占地面積較小而獲得基礎(chǔ)工程量的節(jié)省優(yōu)勢。

圖 6 早期塔式鍋爐鋼架柱網(wǎng)及基礎(chǔ)布置圖Fig. 6 Column and foundation layout of tower-type boiler furnace frame in the early stage

(4)隨著工程經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富和積累，設(shè)計人員可對鍋爐基礎(chǔ)進(jìn)行更精細(xì)化設(shè)計，優(yōu)化方案，節(jié)省工程造價。