輸電線路淺海地區基礎選型研究

王智飛，劉 泉

（國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

輸電線路路徑會受到廠區(站區)地理位置的影響，線路在海中立塔的情況也時有發生。基礎工程是輸電線路工程體系的重要組成部分，選擇適合的基礎型式，對保障線路安全運行至關重要。

海陽核電500 kV線路工程為海陽核電廠1期2×1 250 MW機組接入系統送出工程，同時也是海陽核電廠第一備用電源，因此，保證該線路的安全運行至關重要。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，其所經海域距岸邊漁船碼頭200～300 m，上覆層為淤泥及細砂，海底為基巖，在該區域建設的鐵塔基礎受海水的腐蝕較強，同時受海潮波浪的影響，且在其周圍常有小型漁船活動，鐵塔基礎工作環境惡劣，工程實施具有一定難度。

1 基礎主要設計參數

1.1 水文氣象條件

線路所經海域設計基準風速為31 m/s(基準高度為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 地質條件

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

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

(3)粉質粘土，呈可塑狀態，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)泥質砂巖，全風化呈硬土狀，原巖組織結構完全破壞；地基土承載力特征值fak=260 kPa，層厚為8.50～13.50 m。

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

(6)砂巖，中等風化、細粒結構、層狀構造；地基土承載力特征值fak=800 kPa。

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

1.3 設計荷載

設計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。計算考慮正常的地面高程和百年一遇潮水作用下塔基發生局部沖刷時的最低地面高程2種情況與各相應荷載工況的組合，最大基礎作用力如表1所示。

表1 基礎作用力設計值kN

2 基礎方案設計

根據工程地質情況，提出以下3種基礎設計方案。基礎施工方式為，施工前根據地基處理范圍設置圍堰，施工完成后向圍堰內回填土，作為永久性圍堰，以防御船只沖撞并方便運行維護。

2.1 方案1：方臺階式基礎+地基處理

該方案主要通過振沖碎石樁對9.00 m深度內的軟弱地基土進行處理。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用經驗。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范圍內的土層，使基礎底面嵌入處理層1.00 m深。臺階式獨立基礎表面刷防腐涂料，以抵抗海水侵蝕。

基礎上拔荷載由基礎自重及上覆土抵抗，由于基礎主柱懸臂較大，為提高其抗彎能力及減小基礎柱頂位移，基礎主柱采用變截面圓臺結構。經估算，需處理地基范圍為35.00 m×35.00 m，基礎底板寬為11.00 m×11.00 m， 基礎高度為8.50 m。

由表2可知，基礎下壓、上拔承載力均滿足要求，擬定的基礎型式基本合理。

表2 方案1基礎計算成果

2.2 方案2：復合沉井式基礎

該方案的基礎上部為重力式基礎，下部為薄壁鋼筋混凝土沉井。開挖基坑時，沉井作為坑壁支護結構，使開挖工作得以順利進行，施工完畢后沉井成為基礎本體的一部分。

該方案的整個筒身高為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，直至達到指定標高。沉井自重下沉系數見式(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平均值。

f按式(2)計算:

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，應保持不間斷開挖，以防止井筒出現偏位或傾斜。

沉井就位后，在井筒內部回填碎石土，并用混凝土封閉頂面，然后在沉井上建設臺階式基礎，該方案如圖1所示。

2.3 方案3：群樁式高樁承臺基礎

群樁式高樁承臺為海岸碼頭和橋墩基礎的常見結構，由基樁和上部承臺組成。設計時需對樁徑、樁長、樁數、承臺尺寸和布置高程進行比較選擇分析。為節省材料、減小波浪水流對承臺的作用，承臺的尺寸需按照滿足樁身凈距和上部構造要求的最小尺寸確定。

圖1 復合沉井式基礎

經優化設計采用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，樁尖進入中風化砂巖層。承臺厚度為2.00 m，寬度為11.60 m，承臺柱頂高程為4.50 m，露出常年水位2.00 m，以方便上部結構施工。承臺樁基礎布置如圖2所示。

由于基礎圍堰在樁基礎施工完成后回填，且圍堰內土并非原狀土體，其對樁基礎承載力的有利影響有限，因此計算時不考慮圍堰土體對承臺樁基礎的作用，按照高樁承臺基礎計算程序進行。該程序的編制基于m法。由群樁基礎單樁偏心荷載下壓穩定計算：

單樁或群樁非整體破壞時基樁上拔承載力：

式(3)和(4)中：qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端側阻力標準值；Ψsi，Ψp為大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數；u為樁表面周長；λi為抗拔系數。

承臺樁水平位移根據《建筑樁基技術規范》附錄C.0.3計算，其中樁水平變形系數α為：

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

圖2 承臺樁基礎布置

通過計算，承臺樁基礎由水平變形位移控制，單樁承載力滿足要求且有一定裕度，計算結果如表3所示。

表3 方案3基礎計算成果

由表3可知，計算樁身內力、應力，樁基在水平面處水平位移均滿足要求，該基礎方案合理。

3 基礎型式選擇

根據以上3種基礎型式的設計方案，從基礎結構特點、施工條件及經驗、適用的自然條件、基礎總造價等方面進行比較(見表4)，選用群樁式高樁承臺基礎為海陽核電500 kV送出工程淺海基礎。

表4 3種基礎方案綜合比較

由于海水對樁身具有腐蝕性，基樁外設鋼護筒，鋼護筒壁厚由海水對鋼結構的腐蝕速率和鋼護筒施工2個因素確定。選取鋼護筒上段4.00 m長壁厚δ=14.00 mm，下段壁厚δ=16.00 mm，并保證鋼護筒下端部進入風化巖石基面以下不小于1.00 m；鋼護筒上段與承臺底部鋼筋焊接澆筑后伸入承臺，如圖3所示。

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

圖3 承臺表面及鋼護筒外防腐示意

1 DL/T5214—2005水電水利工程振沖法地基處理技術規范[S].

2 何廣訥．振沖碎石樁復合地基[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[J]．建筑施工，2005(11).

4 方孝伍．500 kV線路海中鐵塔基礎設計[J]．電力勘測設計，2010(6).

5 JGJ94—2008建筑樁基技術規范[S].