500kV線路海中鐵塔基礎設計

方孝伍

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

500kV線路海中鐵塔基礎設計

方孝伍

(福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

莆田LNG電廠500kV線路送出工程需在海中立塔，鐵塔基礎采用高樁墩臺結構型式，樁基采用斜鋼管樁。對結構進行有限元整體分析，得到每一根樁的內力和位移，為工程的設計提供依據。

海中基礎；高樁墩臺；鋼管樁；有限元；水平荷載。

1 工程概況

莆田LNG電廠～莆田500 kVI、II回線路工程是國家重點工程莆田LNG電廠的配套送出工程，也是福建電網接受新能源發電的里程碑工程，同時也是國內首條500 kV同塔雙回海上大跨越輸電線路。該線路起于莆田LNG電廠，至莆田500 kV變電站。線路沿線經濟發達、村莊密集、土地資源十分寶貴，輸電線路采用架空跨越的方式穿過湄洲灣，需在海中立一基鐵塔。

工程區域瀕臨臺灣海峽，臺風盛行，受臺風暴潮的影響，潮位波動范圍大，波浪破壞力大，海水腐蝕能力極強；基礎位置附近有較大船只通過，需考慮可靠的防撞防護措施保證基礎安全。鐵塔基礎工作環境惡劣，施工條件復雜，工程實施難度很大。

2 設計基礎資料

2.1 水文氣象條件

工程海域受臺灣海峽兩側山脈和季風環流的影響，具有典型的亞熱帶海洋性季風氣候特征。多年平均氣溫20.3℃，設計基準風速40.6 m/s，臺風影響時極大風速值估算為55.1 m/s。

海區的潮汐為正規半日潮型，設計高潮位3.70 m，設計低潮位-2.98 m，重現期為100年的年極值高潮位5.12 m，極值低潮位-3.83 m。臺風暴潮對湄洲灣的危害嚴重，在重現期潮位推算所用的年極值潮位中已包括風暴潮影響值，故風暴潮的影響不另考慮。

百年一遇高潮位下累積頻率1%的波高H1%為2.52 m。百年一遇高潮位下50年一遇H1%靜水面以上的波峰面高度：

η0=0.66×2.52=1.66 m(η0按《海港水文規范》8.3.2.1計算)

最大漲潮流速0.65 m/s，最大落潮流速0.45 m/s。

2.2 地形及地質條件

湄洲灣岸線曲折，主要由基巖海岸組成，局部出現淤泥質、砂質海岸，基礎位于海灣中部，灘涂、淺海地貌，地基土層主要由海積土層以及花崗巖及其風化層組成，自上而下描述如下：

①淤泥，灰黑色，海積，流塑，飽和，主要成分為粘土礦物，含少量粉細砂，含腐殖質、有機質、貝殼等，稍有腥臭味，韌性中等，干強度中等，無搖振反應。一般厚度4 m～5 m。

②粉質粘土混卵石，灰色、灰黃等色，海積，稍密，飽和，粘性土以軟塑為主，局部可塑，很濕～飽和，含粘粒、砂團等及有機質；卵石磨圓較差，分選差，級配差，主要成分中風化花崗巖碎塊，粒徑多為2 cm～10 cm，少量超過10 cm。本層成分分布不均勻，多數地段以粘性土為主，局部以卵、碎石為主。層厚一般3.1 m～5.3 m。重型動力觸探試驗表明，最大擊數約19擊/10 cm，一般8～14擊/10 cm。

③砂質粘性土，殘積，土黃色，含15%～25%中粗砂，混中風化孤石、底部見原巖結構，粘性差，遇水易軟化，易沖刷，土呈稍濕、硬塑狀態，厚度變化大，局部缺失。本基鉆探未揭露。

④全風化花崗巖，褐黃色，呈可～硬塑粘性土狀，主要成分為長石風化而成的粘性土、少量石英，原巖結構依稀可辨。一般厚度1 m～5 m。

⑤強風化花崗巖(砂土狀)，褐黃色，散體狀結構，長石已全部風化成土狀，含約10%～20%石英顆粒，原巖結構可辨，手搓即成砂土狀。本層一般厚度20 m～40 m。

⑥強風化花崗巖(碎塊狀)，褐黃色、淺灰色，斑雜狀、碎裂狀結構，塊狀構造，長石部分風化，原巖結構完整，解理裂隙發育，球狀風化嚴重。一般厚度4 m～7 m。

⑦中風化花崗巖，淺灰、灰白等雜色。中粒結構為主，塊狀構造，主要成分石英、長石、云母等，裂隙較發育。厚度大于10 m。

根據《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2001)，本工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10 g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組屬第一組，地震動反應譜設計特征周期為0.35 s。

3 基礎結構型式、樁型選擇及結構計算

3.1 結構型式

高樁墩式承臺(高樁墩臺)結構型式特點是利用打入地基一定深度的樁，將作用在基礎上的荷載傳至地基中，墩臺高出水面，不受波浪力及浮托力，根據工程海域的地質條件，基礎采用此種結構型式。

3.2 樁型方案比選

3.2.1 沖(鉆)孔灌注樁

鉆(沖)孔灌注樁樁徑、樁長可根據設計需要確定，采用一定護壁成孔措施，灌注樁可用于各種復雜的地質，適用范圍廣。其水上施工技術成熟，無需大型起重設備，施工用鋼護筒既作為施工期的工作平臺支撐又可兼作樁基防腐之用。其缺點是：為提高基礎剛度及抵抗水平力的能力，滿足水平位移的要求，只能通過增加樁數、放大樁徑來滿足水平承載及變形要求；施工時需搭設施工平臺，工期長。

3.2.2 預應力管樁

預應力管樁具有單樁承載力高、單位承載力價格便宜、施工速度快等優點，目前廣泛橋梁及房屋建筑工程等，但由于本工程地質條件的限制，樁的入土深度較淺，不能滿足承載能力要求。

3.2.3 鋼管樁

鋼管樁具有自重輕、抗彎能力強、施工過程穩定性好等優點，而且可以設計成斜樁，大大增強了抵抗水平荷載的能力，水上鋼管樁的施工采用打樁船，沉樁速度快，可利用工程樁搭設墩臺澆筑平臺，工期短。本工程采用鋼管樁樁基型式。

4 基礎結構計算

4.1 基礎作用力

⑴永久作用：鐵塔平臺自重力

⑵可變作用：鐵塔根部作用力、波浪力、水流力

⑶偶然作用：地震作用

4.2 樁土相互作用分析模型

墩臺結構樁基泥面以下考慮樁、土的相互作用，采用m法設置土體彈簧，模擬樁、土間相互作用。在樁水平(兩個方向)和樁底分別用彈簧約束

水平彈簧(地基反力系數)剛度的計算：

式中：K為地基的反力系數(kN/m)；m為土的水平地基抗力系數隨深度增長的比例系數(kN/m4)A為土的作用面積(m2)A=2DΔZ；D為樁的外徑(m)；ΔZ為計算土的作用范圍(m)；z為計算點的深度(m)。

樁的軸向反力系數即樁在單位軸向力作用下的樁頂軸向位移按下式計算：

樁底彈簧軸向反力系數：

式中：K為樁軸向反力系數，即樁在單位軸向力作用下的樁頂軸向位移(m/kN)；k為樁底軸向彈簧反力系數，即單位軸向力作用下彈簧的軸向位移(m/kN)；L0為樁在泥面以上長度(m)；L為實際模型中樁長度(m)；Ep為樁材料的彈性模量(kPa)；AP為樁身橫截面面積(m2)；C為樁入土部分的單位沉降所需的軸向力，其沉降值包括土中樁身的壓縮變形與樁端下土的沉降變形兩部分(kN/m)；Qud為單樁垂直極限承載力標準值(kN)。

4.3 結構計算模型

本結構承臺頂標高10.2 m，平面尺寸40.2 m×40.2 m，高度3 m，中間部分挖空，采用聯系梁連接作為架爬梯的平臺。墩臺為空間剛性梁單元，樁基為線彈性空間梁單元。將墩臺與樁基相連的節點作為主節點，樁基與墩臺相連的節點為從節點，各單元通過節點互相連接；從節點在整體坐標系下的位移和轉角用剛性墩臺主節點在整體坐標系下的位移和轉角表示。在樁水平(兩個方向)和樁底分別用彈簧約束模擬樁、土間相互作用。結構計算模型見圖1。

圖1 高樁墩臺結構計算模型

4.4 計算結果及分析

在不同風向的風荷載作用下，共計算了承載能力極限狀態下8種工況的樁基的內力和位移，最大壓樁力見圖2，水平位移見圖3。

圖2 不同工況下壓樁力(+表示壓力；-表示拉力)

圖3 不同工況下水平位移

由圖2、3可知，不同工況下的鋼管樁的最大壓力為5133 kN，最大上拔力為605 kN；最大水平位移為9.56 mm。

施工完成后對其中5根基樁進行高應變檢測，單樁豎向極限承載力最小值為14580 kN，樁側阻力7820 kN。因此，高墩樁臺結構在上部荷載作用下產生的最大、最小壓樁力均小于樁的實際承載能力。不同工況下的水平位移均小于10 mm，滿足規范要求。

5 結語

實踐表明，跨海輸電線路鐵塔基礎采用鋼管樁高樁墩臺結構是可靠的，該結構已經受了臺風“鳳凰”的考驗，工程的建成為沿海輸電線路路徑的選擇多了一條可行的途徑。

[1] JTJ 254-98，港口工程樁基規范[S].

[2] JTJ 291-98，高樁碼頭設計與施工規范[S].

[3] 胡人禮.橋梁樁基設計[M].北京：人民鐵道出版社，1987.

Design of Iron Tower Foundation in Sea in 500kV Transmission Line

FANG Xiao-wu
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)

The transmission line of Putian LNG power station lay a tower in the sea, the type of tower foundation is highlevel platform, the support system is oblique steel pipe. Through analysis of the whole structure, calculate the inner force and the displacement, in order to supply basis for engineering design.

foundation in sea; high-level platform; steel pipe; FEM; horizontal load.

TM75

B

1671-9913(2010)06-0065-04

2010-07-12

方孝伍(1978-)，男，碩士，工程師，從事電力土建設計工作。