特高壓直流輸電線路黃河大跨越基礎選型及優化

張　發，張　劍，王世龍，何桂明

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南　250013；2.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東　臨沂　276000；3.國網山東省電力公司檢修公司，濟南　250118）

?

特高壓直流輸電線路黃河大跨越基礎選型及優化

張發1，張劍2，王世龍3，何桂明1

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013；2.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東臨沂276000；3.國網山東省電力公司檢修公司，濟南250118）

摘要：根據工程水文、地質情況，對黃河大跨越段基礎設計原則、方案比選、具體基礎選型及優化進行研究，特別對大跨越基礎優化措施進行了詳細對比分析。結果表明，參照實測各層土的側阻、端阻力可以適當減小樁長；建議塔位地基土的物理力學指標應參照相應塔位的試驗結果；根據本工程試樁情況，宜采用PPG后注漿方式減小樁底沉降。

關鍵詞：±800 kV；特高壓；直流；黃河大跨越；基礎

1　工程概況

1.1跨越方案

±800 kV山西—江蘇特高壓直流輸電線路工程黃河大跨越段采用“耐—直—直—耐”方式跨越黃河，跨越段塔型分別為JM-37、ZKT-100、ZKT-100、JM-57。

1.2水文情況

跨越處設計洪水位見表1。

表1　跨越斷面處設計水位　m

跨越處100年一遇主槽最大沖刷水深為8.41 m，灘地沖刷水深為7.63 m，對應的垂線平均流速主槽為2.12 m/s，灘地為1.25 m/s。

根據防洪評價初步報告，自控導工程向右1 200 m為主槽，其他為灘地。工程兩基直線塔可以認為位于主河槽內，兩基錨塔可以認為位于灘地內。

根據DL/T 5504—2015《特高壓架空輸電線路大跨越設計技術規定》規定，本工程大跨越段基礎均需考慮沖刷、水流壓力的影響。

1.3地質情況

工程沿線場地處于區域構造相對穩定地段，避開斷裂構造特別是全新活動斷裂帶。沿線地震動峰值加速度0.15 g，相應的地震基本烈度為7度；工程場地相對穩定，適宜進行項目建設。

沿線場地處于黃河主河槽中。塔位處地層主要為第四系全新統沖積層（Q4al）和第四系上更新統沖積層（Q3al），地層巖性為粉土、粉質粘土、粉砂、粉細砂。沿線地下水和地基土對混凝土結構及其中的鋼筋具有微腐蝕性。同時，地基土存在不同厚度的液化，液化等級為嚴重。

2　大跨越基礎設計原則

大跨越基礎方案選擇原則。在大跨越基礎方案選擇時，遵循下面的原則：結合工程地形、地質特點及運輸條件，綜合分析比較，選擇適宜的基礎型式；在安全、可靠的前提下，盡量做到經濟、環保，減少施工對環境的破壞；充分發揮每種基礎型式的特點，針對不同的地形、地質，選擇不同的基礎型式；對不良地基，提出特殊的基礎型式和處理措施。

大跨越基礎方案選擇要求。根據我國目前超高壓輸電線路桿塔基礎工程的設計和施工現狀，并結合本工程黃河大跨越段工程地質情況，在基礎方案選擇時應考慮以下方面：應盡可能采取合理的結構型式，減小基礎所受的水平力和彎矩，改善基礎受力狀態；應注重環境保護和可持續發展戰略；應注重施工的可操作性和質量的可控制性。

3　大跨越基礎選型

3.1大跨越基礎樁型選擇

黃河大跨越鐵塔基礎型式選擇應遵循安全可靠、經濟合理的原則。在選擇基礎型式時必須結合各塔型荷載情況，根據塔位工程地質、水文條件、施工可能性進行技術經濟綜合比較。

針對國內目前的技術條件［1］，主要有3種摩擦型樁：高強度預應力鋼筋混凝土管形樁（簡稱PHC樁）、H型鋼樁和鋼筋混凝土鉆孔灌注樁（簡稱灌注樁），各種樁基礎的比較如表2所示。

根據各樁型的優缺點，H鋼樁費用較高且使用經驗較少，PHC打入樁和灌注樁在國內均有比較成熟的經驗。由于堤內基礎需要考慮沖刷和地面淤積及地震液化的影響，基樁的懸臂均較大，而H鋼樁和PHC打入樁截面尺寸均較小，在懸臂較大的情況下，不能滿足安全、可靠的要求，若增大H鋼樁和PHC打入樁截面尺寸，則無法進行打入式施工。因此推薦采用具有豐富設計和施工經驗的鉆孔灌注樁基礎。

表2　樁型對比表

3.2大跨越基礎型式選擇

參考哈鄭線黃河大跨越基礎設計經驗，大跨越段基礎均采用斜主柱低承臺方案，將承臺埋到自然地面以下，通過承臺頂面的圓斷面鋼筋混凝土斜柱將塔腿位置抬高到2065年百年一遇洪水位以上。

高承臺灌注樁和斜主柱低承臺灌注樁基礎如圖1和圖2所示，與高承臺灌注樁基礎相比，斜主柱低承臺灌注樁基礎具有以下優點。

圖2　斜主柱低承臺灌注樁基礎

1）基礎的主柱與塔身主材同坡度，與鐵塔基礎作用力的合力方向幾乎完全一致，可有效減小塔腿對主柱、承臺和樁身的彎矩，力學性能優越；

2）承臺下移后，承臺上部只有一根主柱存在水流壓力（隨運行年限增加，河床及水位逐年抬升，其影響漸趨明顯），阻水面積和動水壓力減小，因動水壓力引起的樁身彎矩及承臺彎矩相應減小；

3）承臺下移后，基樁的反彎點下移，水平力的力臂明顯減小，樁端彎矩顯著減小，承臺所承受的總彎矩變小，由此引起的基樁的下壓力相應減小；

4）水平荷載和彎矩的減小，造成樁在計算地面處的水平位移也相應減小，從而可減小樁徑和樁重；

5）樁徑減小后，可減小承臺的面積、厚度和重量；

6）下壓力減小后，樁的長度可隨之減少；

7）基礎尺寸減小后，基礎自重、動水壓力和沖刷深度進一步減小，壅水高度和范圍也相應減小，形成良性循環。

經計算，將承臺移至自然地面以下，4樁方案時樁徑可由1.4 m減為1.1 m。基礎尺寸減小后，阻水寬度、壅水高度和壅水長度均相應減小，對行洪防汛有利，賠償費用有所減少。

基礎頂面需設置到100年一遇洪水水位以上，采用單樁懸臂長度過長，且上部不易做成斜柱，不考慮采用單樁。若采用兩樁承臺基礎，過長的立柱尺寸使承臺承受較大扭矩，故也不考慮采用兩樁承臺基礎。采用3樁則承臺受力復雜工程中較少采用。以直線跨越塔ZKT100（N1618）為例，相同計算原則下，對4樁、5樁、6樁方案（斜主柱低承臺灌注樁基礎方案）進行了計算，結果如表3所示。

表3　各基礎方案材料量及造價比較

由于樁懸臂長度大，水流壓力較大，樁直徑不能取值太小，增加樁的數量，其水流壓力相應增加，不能夠有效減小樁徑。當樁數由4根變為5根、6根時，樁徑可由1.1 m減為1.0 m，但基礎本體造價有所增加。

綜合考慮基礎本體造價、阻水寬度、壅水高度和壅水長度等因素，黃河大跨越段基礎均推薦選用斜主柱低承臺灌注樁基礎（4樁方案）。

4　大跨越基礎優化

4.1大跨越基礎優化措施

4.1.1平面布置優化

承受較大的水平力和上拔力是輸電線路鐵塔基礎區別于一般樓房建筑基礎的最大特點［2］。由于較大水平力使得承臺底下的每根樁受力不均勻，而目前的樁基設計方法，一般選取受力最大的那根樁的配筋和計算長度作為所有樁的配筋和設計長度，所以對多樁承臺基礎的設計優化，主要在于令承臺底的每根樁受力更加均勻。調整平面布置形式和采用斜立柱連接鐵塔和承臺，可以令承臺底下的每根樁受力更加均勻，減小樁長5～8 m。

根據選定的基礎型式，其布置有3種型式，如圖3～5所示。

圖3　傳統型

圖4　承臺旋轉擺放型

圖5　承臺旋轉擺放加斜立柱型

傳統型各樁受力最不均勻，順對角線的兩根樁外側受力最大、內側最小。單樁樁頂承受的最大軸向力為

式中：Nmax為單樁樁頂所承受的最大軸向力，kN；N0為作用于承臺頂面的豎向荷載標準值，kN；Qt為承臺和其上土自重標準值，kN；Mx、My分別為作用在承臺底面繞通過承臺形心x、y軸的彎矩，kN·m；X、Y分別為樁沿x、y軸方向的間距，m。

承臺旋轉擺放型內側的兩根樁受力最小，外側的兩根樁受力最大，單樁樁頂所承受的最大軸向力

或

承臺旋轉擺放加斜立柱型水平力和豎向力產生的彎矩相互抵消，使得各樁受力更均勻。單樁樁頂所承受的最大軸向力

采用承臺旋轉擺放加斜立柱結構形式可使水平力的力臂最小，水平力對承臺底產生的彎矩也最小，各樁的受力基本均勻，結果最經濟，工程大跨越段中均采用此種布置形式。

4.1.2樁徑優化

灌注樁的單樁承載力為

式中：Q為單樁承載力，kN；d為樁徑，m；f為極限摩阻力，kN/m2；l為樁長，m。

單樁混凝土體積V為

當樁徑d1小于樁徑d2，且樁長相同時，d1樁的承載力為d2樁的d1/ d2倍，但是，d1樁的混凝土體積僅為d2樁的（d1/d2）2倍，由此可見，單樁承載力僅與樁徑成正比關系，而體積卻與樁徑成平方關系，采用較小的樁徑可以獲得較優的經濟指標。

相對來說，樁徑小樁深大的樁基造價更低，材料量也省，因此，在滿足線路安全可靠的前提下應優先采用樁徑小的方案。

4.1.3水平連梁的布置

由于大跨越鐵塔基礎需要考慮液化和沖刷及水流壓力的影響，樁的直徑由水平荷載控制，通過連梁將4個基礎連在一起，可將水平力合理分配到4個基礎上，從而有效減小樁徑，并使4個基礎整體移動，減小塔腿的附加應力，增加線路安全性。

4.1.4樁側土側阻力、端阻力取值優化

巖土專業一般根據塔位所處的地貌單元，以及覆蓋層成因類型，結合現場工程地質勘測及室內試驗成果，并參照當地工程建設經驗及將來施工條件，綜合提供地基土的側阻力、端阻力等推薦值。通過樁上拔、下壓試驗得到各層土的側阻、端阻力實測值。各土層推薦值和實測值對比見表4、表5。從試驗結果分析，當樁體達到承載力極限值時，樁端阻力約占極限承載力的8.0%，樁端阻力沒有充分發揮。

從表4、表5可以看出，主要持力層范圍內粉土、粉砂層實驗實測值比經驗值小，粉砂、粉細砂土層試驗實測值均比按照經驗推薦值大。

表4　下壓側阻力推薦值和實測值

表5　上拔側阻力推薦值和實測值

4.2直線跨越塔基礎優化

工程兩基直線塔承臺均按旋轉45°布置。由上節論述可知，相對而言樁徑小樁深大的樁基造價更低，但樁徑過小設計地面處位移不容易滿足。兩基直線塔最大沖刷水深對應的樁懸臂長度達12 m，增設水平連梁可影響樁徑大小和上部立柱的尺寸。直線塔考慮增設連梁和不設連梁兩種方式的計算結果如表6所示。由表6可以看出，設置連梁可減小立柱彎矩約13%。同時設置連梁還便于攀爬機下部檢修平臺的安裝。

表6　設置連梁對比情況

分別采用推薦側阻力和實測側阻力樁基的計算結果如表7所示。由表7可以看出，采用試驗實測的側阻力可以減小樁長3.0 m。

表7　不同側阻力值對比情況

4.3錨塔基礎優化

錨塔也從承臺布置方向做了優化，承臺中心線均指向鐵塔中心。為了減小塔腿處位移和使4個基礎受力協調，本工程錨塔均設置連梁。北岸錨塔JM-37和南岸錨塔JM-57分別采用推薦側阻力和實測側阻力樁基的計算結果如表8所示。

表8　不同側阻力值對比情況

由表8和表9可以看出，采用試驗實測的側阻、端阻參數在同樣樁徑條件下錨塔樁長可以減小3.0 m。

5　結語

根據工程黃河大跨越段水文、地質情況，工程直線塔、錨塔基礎通過優化承臺布置方式、設置水平連梁、優化樁徑等措施確保大跨越基礎的安全性、經濟性。按照試驗實測各層土的側阻、端阻力可以適當減小樁長；本次優化是基于在南岸錨塔位置的試樁測試成果，建議其他塔位地基土的物理力學指標還應參照相應塔位的試驗結果；根據工程試樁情況，樁底沉降不易滿足設計要求，宜考慮采用PPG后注漿方式減小樁底沉降。

參考文獻

［1］JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］.

［2］DL/T 5219—2014架空輸電線路基礎設計技術規程［S］.

［3］GB 50010—2010混凝土結構設計規范［S］.

Towers Foundation Type Selection and Design Optimization of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

ZHANG Fa1，ZHANG Jian2，WANG Shilong3，HE Guiming1
（1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2. State Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Abstract:According to the engineering hydrology and geological conditions，the design principle，scheme selection，type selection and optimization of the tower foundation for the long-span crossing the Yellow River are studied，especially the detailed comparative analysis is done to the large span foundation optimization measures. Results show that the length of pile could be appropriately reduced refer to the side resistance and end resistance of each measured soil layer，the soil physical and mechanical indexes should be according to test results. Based on the test，a post-grouted PPG pile is recommended to reduce the pile settlement.

Key words:±800 kV；UHV；DC；long-span crossing the Yellow River；foundation

中圖分類號：TM754

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9904（2016）05-0019-05

收稿日期：2016-04-06

作者簡介：

張發（1978），男，工程師，從事輸電線路桿塔及基礎設計工作。