輸電線路淺海地區(qū)基礎(chǔ)選型研究

王智飛，劉 泉

（國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095）

輸電線路路徑會(huì)受到廠區(qū)(站區(qū))地理位置的影響，線路在海中立塔的情況也時(shí)有發(fā)生?；A(chǔ)工程是輸電線路工程體系的重要組成部分，選擇適合的基礎(chǔ)型式，對(duì)保障線路安全運(yùn)行至關(guān)重要。

海陽核電500 kV線路工程為海陽核電廠1期2×1 250 MW機(jī)組接入系統(tǒng)送出工程，同時(shí)也是海陽核電廠第一備用電源，因此，保證該線路的安全運(yùn)行至關(guān)重要。該線路出線段村莊密集，已無線路走廊通道，需在海中立2基鐵塔，其所經(jīng)海域距岸邊漁船碼頭200～300 m，上覆層為淤泥及細(xì)砂，海底為基巖，在該區(qū)域建設(shè)的鐵塔基礎(chǔ)受海水的腐蝕較強(qiáng)，同時(shí)受海潮波浪的影響，且在其周圍常有小型漁船活動(dòng)，鐵塔基礎(chǔ)工作環(huán)境惡劣，工程實(shí)施具有一定難度。

1 基礎(chǔ)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 水文氣象條件

線路所經(jīng)海域設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為31 m/s(基準(zhǔn)高度為10 m)，地面粗糙度為A類。受潮位影響塔位自然地面高程為-0.80 m，常年潮水位為2.46 m，百年一遇高潮位淹沒水深為4.36 m。塔位受潮流、波浪共同作用引起的沖刷深度為3.12 m。

1.2 地質(zhì)條件

(1)粉細(xì)砂，松散、飽和、級(jí)配不良；地基土承載力特征值fak=70 kPa，層厚為0～3.80 m。

(2)粉質(zhì)粘土混粉細(xì)砂，呈軟塑狀態(tài)、飽和；地基土承載力特征值fak=70 kPa，層厚為3.80～6.30 m。

(3)粉質(zhì)粘土，呈可塑狀態(tài)，局部混碎石，碎石粒徑一般為0.50～1.50 cm；地基土承載力特征值fak=120 kPa，層厚為6.30～8.50 m。

(4)泥質(zhì)砂巖，全風(fēng)化呈硬土狀，原巖組織結(jié)構(gòu)完全破壞；地基土承載力特征值fak=260 kPa，層厚為8.50～13.50 m。

(5)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化呈碎塊狀；地基土承載力特征值fak=350 kPa，層厚為13.50～15.00 m。

(6)砂巖，中等風(fēng)化、細(xì)粒結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造；地基土承載力特征值fak=800 kPa。

根據(jù)GB18306—2001《中國地震動(dòng)峰值參數(shù)區(qū)劃圖》，線路沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g(相應(yīng)地震基本烈度為6度)，不考慮地震液化的影響。

1.3 設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載主要考慮鐵塔正常荷載、涌潮荷載等，波浪力及水流力作為基本可變荷載參與荷載組合。計(jì)算考慮正常的地面高程和百年一遇潮水作用下塔基發(fā)生局部沖刷時(shí)的最低地面高程2種情況與各相應(yīng)荷載工況的組合，最大基礎(chǔ)作用力如表1所示。

表1 基礎(chǔ)作用力設(shè)計(jì)值kN

2 基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)情況，提出以下3種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案?；A(chǔ)施工方式為，施工前根據(jù)地基處理范圍設(shè)置圍堰，施工完成后向圍堰內(nèi)回填土，作為永久性圍堰，以防御船只沖撞并方便運(yùn)行維護(hù)。

2.1 方案1：方臺(tái)階式基礎(chǔ)+地基處理

該方案主要通過振沖碎石樁對(duì)9.00 m深度內(nèi)的軟弱地基土進(jìn)行處理。振沖法適用于碎石土、砂土、粉土、人工填土等地基加固處理，在水電水利工程中有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。振沖碎石樁樁徑為1.00 m，中心間距為1.50 m，處理后地基承載力特征值不低于120 kPa。處理后清除表層1.00 m范圍內(nèi)的土層，使基礎(chǔ)底面嵌入處理層1.00 m深。臺(tái)階式獨(dú)立基礎(chǔ)表面刷防腐涂料，以抵抗海水侵蝕。

基礎(chǔ)上拔荷載由基礎(chǔ)自重及上覆土抵抗，由于基礎(chǔ)主柱懸臂較大，為提高其抗彎能力及減小基礎(chǔ)柱頂位移，基礎(chǔ)主柱采用變截面圓臺(tái)結(jié)構(gòu)。經(jīng)估算，需處理地基范圍為35.00 m×35.00 m，基礎(chǔ)底板寬為11.00 m×11.00 m， 基礎(chǔ)高度為8.50 m。

由表2可知，基礎(chǔ)下壓、上拔承載力均滿足要求，擬定的基礎(chǔ)型式基本合理。

表2 方案1基礎(chǔ)計(jì)算成果

2.2 方案2：復(fù)合沉井式基礎(chǔ)

該方案的基礎(chǔ)上部為重力式基礎(chǔ)，下部為薄壁鋼筋混凝土沉井。開挖基坑時(shí)，沉井作為坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，使開挖工作得以順利進(jìn)行，施工完畢后沉井成為基礎(chǔ)本體的一部分。

該方案的整個(gè)筒身高為9.00 m，穿透淤泥層，作用于基巖上。筒身每組裝一段后，開始下沉，如此往復(fù)，直至達(dá)到指定標(biāo)高。沉井自重下沉系數(shù)見式(1)：

式(1)中：Q為井自重重力；F為沉井下沉過程所有最大浮力；h為最大下沉深度；l為沉井外壁周長；f為單位摩阻力，取土層單位摩阻力加權(quán)平均值。

f按式(2)計(jì)算:

式(2)中：fi為第i層土單位摩阻力，kPa；hi為第i層土層厚度，m；n為沿沉井下沉深度不同類別的土層。

沉井尺寸為15.00×15.00 m，混凝土容重為25.00 kN/m3，由各土層摩阻力可得f=(15×3.80+18.00×2.50+30.00×2.70)/(3.80+2.50+2.70)=20.30 kN/m2。代入(1)式計(jì)算可得K=0.97，由此可知，沉井自重基本能滿足下沉要求。為保證其順利下沉，可沿井外壁周圍灌水，以減少阻力，加快下沉速度。井筒在下沉過程中，應(yīng)保持不間斷開挖，以防止井筒出現(xiàn)偏位或傾斜。

沉井就位后，在井筒內(nèi)部回填碎石土，并用混凝土封閉頂面，然后在沉井上建設(shè)臺(tái)階式基礎(chǔ)，該方案如圖1所示。

2.3 方案3：群樁式高樁承臺(tái)基礎(chǔ)

群樁式高樁承臺(tái)為海岸碼頭和橋墩基礎(chǔ)的常見結(jié)構(gòu)，由基樁和上部承臺(tái)組成。設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)樁徑、樁長、樁數(shù)、承臺(tái)尺寸和布置高程進(jìn)行比較選擇分析。為節(jié)省材料、減小波浪水流對(duì)承臺(tái)的作用，承臺(tái)的尺寸需按照滿足樁身凈距和上部構(gòu)造要求的最小尺寸確定。

圖1 復(fù)合沉井式基礎(chǔ)

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用9根基樁，樁徑為1.40 m，單根樁長為16.00 m，樁基入土深度為15.20 m，樁尖進(jìn)入中風(fēng)化砂巖層。承臺(tái)厚度為2.00 m，寬度為11.60 m，承臺(tái)柱頂高程為4.50 m，露出常年水位2.00 m，以方便上部結(jié)構(gòu)施工。承臺(tái)樁基礎(chǔ)布置如圖2所示。

由于基礎(chǔ)圍堰在樁基礎(chǔ)施工完成后回填，且圍堰內(nèi)土并非原狀土體，其對(duì)樁基礎(chǔ)承載力的有利影響有限，因此計(jì)算時(shí)不考慮圍堰土體對(duì)承臺(tái)樁基礎(chǔ)的作用，按照高樁承臺(tái)基礎(chǔ)計(jì)算程序進(jìn)行。該程序的編制基于m法。由群樁基礎(chǔ)單樁偏心荷載下壓穩(wěn)定計(jì)算：

單樁或群樁非整體破壞時(shí)基樁上拔承載力：

式(3)和(4)中：qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為極限端側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Ψsi，Ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；u為樁表面周長；λi為抗拔系數(shù)。

承臺(tái)樁水平位移根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》附錄C.0.3計(jì)算，其中樁水平變形系數(shù)α為：

式(5)中：m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b0為樁身的計(jì)算寬度；EI為樁身抗彎剛度。

圖2 承臺(tái)樁基礎(chǔ)布置

通過計(jì)算，承臺(tái)樁基礎(chǔ)由水平變形位移控制，單樁承載力滿足要求且有一定裕度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 方案3基礎(chǔ)計(jì)算成果

由表3可知，計(jì)算樁身內(nèi)力、應(yīng)力，樁基在水平面處水平位移均滿足要求，該基礎(chǔ)方案合理。

3 基礎(chǔ)型式選擇

根據(jù)以上3種基礎(chǔ)型式的設(shè)計(jì)方案，從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工條件及經(jīng)驗(yàn)、適用的自然條件、基礎(chǔ)總造價(jià)等方面進(jìn)行比較(見表4)，選用群樁式高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為海陽核電500 kV送出工程淺?；A(chǔ)。

表4 3種基礎(chǔ)方案綜合比較

由于海水對(duì)樁身具有腐蝕性，基樁外設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒壁厚由海水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率和鋼護(hù)筒施工2個(gè)因素確定。選取鋼護(hù)筒上段4.00 m長壁厚δ=14.00 mm，下段壁厚δ=16.00 mm，并保證鋼護(hù)筒下端部進(jìn)入風(fēng)化巖石基面以下不小于1.00 m；鋼護(hù)筒上段與承臺(tái)底部鋼筋焊接澆筑后伸入承臺(tái)，如圖3所示。

由于鋼護(hù)筒長徑比和徑厚比均比較大，采用打樁方式直接將鋼護(hù)筒打入基巖難度大，施工時(shí)先使用鉆孔機(jī)械成孔至鋼護(hù)筒規(guī)定的基巖底部，后將鋼護(hù)筒落入樁孔。灌注樁采用反循環(huán)工藝成孔或清孔，每根樁的混凝土一次澆成。施工順序依次為：鉆孔—落入鋼護(hù)筒—鉆樁孔至設(shè)計(jì)深度-澆筑樁身混凝土—鑿樁頭并回灌至設(shè)計(jì)樁長—焊接鋼護(hù)筒外壁鋼筋爪—鋼爪焊接處噴鋅并外刷防腐劑—鋪設(shè)混凝土墊層—綁扎承臺(tái)鋼筋、澆筑承臺(tái)混凝土—承臺(tái)外刷防腐劑—回填夯實(shí)圍堰。

圖3 承臺(tái)表面及鋼護(hù)筒外防腐示意

1 DL/T5214—2005水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

2 何廣訥．振沖碎石樁復(fù)合地基[M]．北京：人民交通出版社，2001.

3 潘 琳，呂 平，趙鐵軍，等．海工鋼筋混凝土的腐蝕與防護(hù)[J]．建筑施工，2005(11).

4 方孝伍．500 kV線路海中鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2010(6).

5 JGJ94—2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].