特高壓直流輸電線路抗地震液化措施設計

蔣　銳，馬玉龍，鄭帥帥，黃　興，劉翔云

（1.西南電力設計院，成都　610021；2.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

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特高壓直流輸電線路抗地震液化措施設計

蔣銳1，馬玉龍2，鄭帥帥2，黃興1，劉翔云1

（1.西南電力設計院，成都610021；2.國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

摘要：以內蒙古錫盟—江蘇泰州±800 kV特高壓直流輸電線路工程中某兩基相鄰塔位作為案例，對特高壓直流輸電線路抗地震液化措施的設計方法進行對比分析。對輸電線路地震液化機理及抗地震液化措施進行總結，對案例在地震作用下的基礎作用力采用振型分解反應譜法和時程分析法進行詳細計算，結合地質條件和實際基礎荷載進行技術多方案抗液化措施的經濟性比較，推薦類似情況的特高壓直流工程采用樁基礎作為抗地震液化措施。

關鍵詞：特高壓；直流輸電；地震液化；樁基礎

0　引言

實際情況中，輸電線路常常由于路徑通道限制導致無法避讓地震液化區域，若不采取措施則會發生地震液化沉陷，對輸電線路工程安全性有較大影響，尤其對特高壓直流輸電線路的影響巨大。因此GB 50795—2013《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》中12.0.9條規定：對位于地震烈度7度及以上的地區，且場地為飽和沙土和飽和粉土時，應考慮地基液化的可能性，并應采取必要的穩定地基或基礎的抗震措施。由于特高壓直流輸電線路工程輸送距離遠，塔位分布廣，塔位地質情況差別較大，因此在不同液化等級場地，抗液化措施經濟性差別比較大。針對以上情況，選擇內蒙古錫盟—江蘇泰州±800 kV特高壓直流輸電線路工程設計包12段（山東喬莊鄉北—口埠鎮東北）某兩基塔位，對不同的抗震液化處理措施進行綜合分析。

1　輸電線路地震液化機理及抗液化措施

由于飽和砂土的空隙全部被水充填，在地震作用下，這種趨于緊密的作用將導致孔隙水壓力驟然上升，而在地震過程的短暫時間內，驟然上升的孔隙水壓力來不及消散，使得原來由砂粒通過其接觸點所傳遞的有效壓力減小，當有效壓力完全消失時，砂層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣的狀態，即砂土液化現象。飽和粉土由于黏粒含量少，液性指數低，因而內聚力小，在地震力作用下也會發生液化。地震液化的危害主要有4種形式，即地基失效、側向擴展及流滑、上浮、噴砂冒水。

通常抗液化措施按照處理原理可分為兩大類。一類是對地基進行防止液化處理，此法能有效地改變地基性質，使其完全失去發生液化的條件，目前常用的措施有挖換法、加密法、排水法等；另一類是減緩液化危害處理，不去改變地基性質，允許發生液化，僅對基礎采取措施，確保地基在發生液化時，不危害上部結構，主要采用樁基礎法。

1.1挖換法

挖換法適用于表層處理，當可液化土層或軟弱土層厚度不大，且距地面較淺時，可將其全部或部分挖除，回填人工壓密的材料，如粗砂、礫石、碎石、礦渣、灰土、黏性土或其他性能穩定無侵蝕性的材料。

1.2加密法

直接振密法。使用振動器在飽和砂土中產生彈性波，砂土受震后，原有的顆粒重新排列，達到密實。工藝簡單、但噪音比較大［1］。

沉管砂石樁法。采用振動或沖擊的方法在砂土地基中預沉樁管成孔，達到設計深度后向樁管中倒入粗粒料，逐段振密或搗實粗粒料成樁。工藝簡單、施工速度較快，是一種較理想的方法。但是，當地基中含有硬土層或大直徑的礫石時，應用將受到限制。

振沖碎石樁法。采用振沖器，在振動水沖的聯合作用下使振沖器下沉至預定深度。清孔后逐段填入碎石等粗粒料，每段填料均用振沖器振擠密實，達到要求的密實度后，施工下一填料段，直至地表。當砂土地基中含有較多粘粒或含有有機物質時要慎重使用該法。

強夯法。利用重錘由高處自由落下時產生的沖擊波來使砂土地基密實。該法施工方便、速度快、費用低。當地基土含有較多的粘粒，滲透系數很小時不宜采用。

1.3排水法

用抽水方法降低地下水位，減小砂土地基的飽和度，在地震時孔隙水壓力上升較小，土體無法液化。或者通過在地基中設置礫石排水樁，加大排水作用，使地震時土體產生的超孔隙水壓力迅速消散，從而抑制其液化。各種排水法均較復雜，通常需要將周圍地下水補給源阻隔，還需頻繁進行抽水工作，花費巨大。

1.4樁基礎法

樁身穿過液化土層，打入可靠的非液化土層，以樁尖支撐作用和樁體對樁周土的限制來抑制土體液化變形。施工方便、處理效果安全可靠。

2　抗液化措施案例分析

2.1地質條件及場地液化判斷

選取內蒙古錫盟—江蘇泰州±800 kV特高壓直流輸電線路工程包12段中某兩相鄰塔位，分別為1基直線塔和1基耐張塔，地形平坦，地質情況為粘性土、粉土和砂土交替沉積，地下水位0 m。其中，粉質粘土：黃褐色、褐黃色，多呈可塑狀，局部為軟塑狀，一般厚度為1.0～4.0 m；粉土：黃褐色、灰黃色，呈中密狀，多夾有粉質粘土薄層，一般厚度為1.5～3.5 m；粉（細）砂：灰黃色、灰色，多呈中密狀，局部松散、稍密，厚度一般2～6 m。根據《中國地震動參數區劃圖》，地震動峰值加速度為0.10 g，對應地震基本烈度為7度［2］。根據原位測試、室內試驗、相關規范得到的地基土主要物理力學性質指標見表1，根據《建筑抗震設計規范》進行地基液化等級判斷見表2。

表1　地基土主要物理力學性質指標

表2　地基液化等級判斷

2.2地震作用下基礎作用力計算

結合本塔位液化等級和前述措施的描述，可以看出沉管砂石樁法和樁基礎法是較為適合，因此選取這兩種方法進行對比分析。其中直線塔擬采用方案A“大板基礎+砂石樁方案”和方案B“單樁鉆孔灌注樁方案”進行對比，耐張塔擬采用方案A“大板基礎+砂石樁方案”和方案B“4樁承臺鉆孔灌注樁方案”進行對比。其中樁基考慮進入非液化層3 d，砂石樁考慮大板基礎底板外緣外伸5 m范圍內均布置，如圖1、圖2所示。

圖1　直線塔兩種方案示意

圖2　耐張塔兩種方案示意

地震情況下基礎作用力計算邊界條件為：直線塔采用Z27103A，呼高75 m，耐張塔采用J27102，呼高57 m，左轉27°，場地50年超越概率10%（設防地震）的地表水平地震動峰值加速度為0.10g，對應地震基本烈度為7度，設計地震分組為2組，Ⅲ類場地類別，阻尼比0.03。

先采用反應譜法進行計算，然后分別作用唐山地震波、汶川地震波和一組人工合成波采用時程分析法計算，特高壓直流線路鐵塔和基礎均按乙類構筑物（重點設防類）考慮［3］，采用通用有限元軟件ANSYS進行計算。采用振型分解反應譜法計算，只取前3個振型。時程分析法采用先對桿塔考慮地震波的影響，然后和其他外荷載產生的影響進行荷載效應組合的方式，采用GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設計規范中的11.2.1、11.2.3條內容規定公式

式中：γEh、γEV為水平、豎向地震作用分項系數，應按表3取值；γEQ為導、地線張力可變荷載的分項綜合系數，取0.5；ψwE為地震基本組合中的風荷載組合系數，取0.3［4-5］。

表3　地震作用分項系數

表4　綜合分析振型分解反應譜法和時程分析法結果

綜合時程分析法和陣型分解反應譜法得到本次計算的基礎作用力，常規工況下和地震工況下的基礎作用力對比結果見表4。結果可以看出，計算的直線塔在地震作用下的基礎作用力約為常規情況下的31%～41%，耐張塔在地震作用下的基礎作用力約為常規情況下的59%～69%。

2.3不同抗液化措施技術經濟性分析

根據上述地質情況和基礎作用力對直線塔和耐張塔進行方案A、B的計算［6-8］，考慮其抗震結構措施，得到綜合技術經濟比較結果如表5所示。

表5　不同地基液化處理方案技術經濟性比較

從計算結果可以看出，本案例塔位地震液化深度等，達到11 m以上，液化等級中等到嚴重，直線塔采用“大板基礎+碎石樁方案”進行地基處理費用大于鉆孔灌注樁方案約44%，耐張塔采用“大板基礎+碎石樁方案”進行地基處理遠費用大于鉆孔灌注樁方案約12%。同時考慮到“大板基礎+碎石樁方案”施工工藝比較復雜，施工工期長，施工成本更高，環境破壞大，因此這兩基塔位均推薦采用鉆孔灌注樁基礎方案。

3　結語

特高壓直流線路長，塔位分布范圍廣，在工程設計時需根據塔位實際情況，結合施工機械、施工場地、環境保護、經濟性等因素合理選擇抗液化措施。

本案例中直線塔在地震作用下的基礎作用力約為常規情況下的31%～41%，耐張塔約為59%～69%。但由于地震下基礎荷載與地震烈度、各塔型質量大小、鐵塔質量分布方式、鐵塔自振周期、場地類別、地震分組等都有密切關系，建議針對工程特點采用振型分解反應譜法和時程分析法進行綜合計算。

對于類似于本案例中粘性土、粉土和砂土交替沉積的地質情況，當地震液化深度深，達到11 m以上，液化等級中等到嚴重的塔位，采用灌注樁基礎比采用“大板基礎+碎石樁方案”的抗

液化措施造價均更少。

由于“大板基礎+碎石樁方案”施工工藝比較復雜，施工工期長，施工成本更高，環境破壞大，因此建議特高壓直流工程盡量不大規模采用這種抗液化措施。

參考文獻

［1］王余慶，孫建生.擠密樁法在加固可液化地基中的應用［J］.巖土工程報，1989，11（2）：18-25.

［2］GB 50260—2013電力設施抗震設計規范［S］.

［3］GB 50223—2008建筑工程抗震設防分類標準［S］.

［4］GB 50011—2010建筑抗震設計規［S］.

［5］GB 50790—2013±800 kV直流架空輸電線路設計規范［S］.

［6］DL/T 5219—2014架空輸電線路基礎設計技術規程［S］.

［7］DL/T 5024—2005電力工程地基處理技術規程［S］.

［8］JGJ 94—2008建筑樁基技術規范［S］.

Design on Earthquake Liquefaction Resistance Measures of UHV DC Transmission Line

JIANG Rui1，MA Yulong2，ZHENG Shuaishuai2，HUANG Xing1，LIU Xiangyun1
（1. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:Taking two adjacent tower sites of No.12 segment of±800 UHV DC transmission line project from Ximeng to Taizhou as a design case，a detailed comparative analysis is conducted for design methods of earthquake liquefaction resistance measures of conventional UHV DC transmission line. The earthquake liquefaction mechanism and earthquake liquefaction resistance measures of transmission lines are summarized. The force on foundation under the action of earthquake is calculated detailedly by using vibration mode decomposition response spectrum method and time history analysis method for the selected case.According to the economical comparison of diverse technical liquefaction resistance measures considered with specified geological conditions and the actual load of foundation，the pile foundation is recommended as an earthquake liquefaction measure in similar UHV DC transmission line projects.

Key words:UHV；DC transmission；earthquake liquefaction；pile foundation

中圖分類號：TM726

文獻標志碼：A

文章編號：1007－9904（2016）05－0053－04

收稿日期：2016-03-12

作者簡介：

蔣銳（1984），男，工程師，從事輸電線路結構設計工作。