平原地區1 000 kV交流特高壓輸電線路基礎優化設計研究

黃勇祥，蘇仁恒，楊國軍，李 霖，周文化

（1.中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001；3.國網山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000；4.國網山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 262510；5.國網湖南省電力公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

1 000 kV特高壓交流輸電線路是目前世界上電壓等級最高的交流輸電線路，基礎安全是輸電線路安全運行的基本保障。根據1 000 kV榆橫—濰坊交流輸電線路工程山東境內沖積平原地區的地質水文特點，對基礎型式選取、構造措施等進行優化設計研究，從而減少材料耗量、降低造價。

1 基礎型式選擇

1000 kV榆橫—濰坊交流輸電線路工程部分位于山東境內沖積平原地區，巖性主要由第四系全新統沖、洪積形成的黏性土、粉土及砂土構成，地下水埋藏較淺，基本在1～4m。針對此類水文地質條件以及1 000 kV桿塔基礎作用力特點，基礎主要型式可采用板式基礎和灌注樁基礎。

1.1 常用計算模型

1.1.1 板式基礎計算

板式基礎采用土重計算法模型，土重法模型適用于回填抗拔土體狀態下的非松散砂類土和黏性土。DL/T 5219—2014第4.3節提供了針對非松散砂類土和黏性土的相關參數值。土重法上拔穩定計算方法只適用于大開挖施工的土類地基［1］。

1.1.2 樁基礎計算

下壓承載力計算。樁基礎下壓承載力按照JGJ 94—2008 中 5.3.6 節規定計算［1，5］：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值；Qsk、Qpk分別為總極限側阻力標準值、總極限端阻力標準值；lsi為樁周第i層土的厚度；Ap為樁端面積；qsik為樁側第i層土極限側阻力標準值；qpk為樁徑為800mm的極限端阻力標準值；ψsi、ψp分別為大直徑樁側阻、端阻尺寸效應系數；u為樁身周長。

單樁豎向承載力特征值

樁基礎上拔承載力按照DL/T 5219—2014中9.5節規定計算：

單樁或群樁呈非整體壞時，基樁的抗拔極限承載力標準值

式中：Tuk為單樁或基樁抗拔極限承載力標準值；Gp為單樁（土）或基樁（土）自重；ui為樁身周長，對于等直徑樁取u=πd，對于擴底樁按表1取值；li為第i層土的厚度；λi為抗拔系數，可按 DL/T 5219—2014 中表9.5.2-2取值。

表1 擴底樁破壞表面周長

水平承載力與位移計算。水平承載力與位移計算按照普通灌注樁進行，具體計算方法參見DL/T 5219—2014中 9.6節。

本體計算。本體計算按照普通灌注樁進行，具體計算方法參見DL/T 5219—2014中9.7節。

1.2 基礎型式選取

為選取合適的基礎形式，選取本工程典型沖洪積平原地質、有地下水、典型雙回路直線塔和轉角塔進行基礎選型計算比較，計算地質參數、荷載水平及計算結果如表2～4。

表2 地質計算參數

表3 典型雙回路塔基礎作用力 kN

計算結果表明，在基礎作用力相對較小時，單根灌注樁基礎的混凝土量最小，而且其成樁工藝決定基本無開挖土方量，對環境破壞少，其經濟指標最優；板式基礎的工程量優于群樁基礎，但由于其土方量較大，使其經濟性差于單樁基礎。對于基礎作用力較大的1 000 kV雙回路轉角塔，單樁基礎的樁徑已需達到2.6m以上，施工較困難，工程量也大幅上升，相對群樁基礎已不再具備明顯優勢；板式基礎的底板寬度達到9m以上，埋深達到5m以上，基坑開挖量巨大，而且還需輔以降排水措施保證基坑安全，額外增加造價，基礎的開挖回填也需嚴格控制以免造成基坑坍塌、基礎偏移等事故，因此此時采用群樁基礎是最為經濟的。

因此，對本工程有地下水的粉土、黏性土、砂土平原地區桿塔，基礎作用力較小時采用灌注樁單樁基礎，基礎作用力較大的桿塔采用鉆孔灌注樁群樁基礎。

表4 各基礎型式經濟技術指標比較

2 板式基礎優化

本工程大部分地區地下水位較淺，對于地下水位較深的平原地區桿塔，基礎作用力較小直線型桿塔選用大開挖的板式基礎最為經濟。板式基礎的優化主要從基礎主柱寬度、基礎埋深、基礎底板寬及底板厚度等方面進行。

2.1 基礎主柱寬度優化

基礎主柱的大小一方面取決于基礎主柱外負荷的大小，另一方面需滿足構造要求。在滿足地腳螺栓邊距、塔腳底板邊距或插入角鋼最小柱寬等構造要求下，綜合考慮主柱水平承載力、柱頂位移以及鋼筋凈距等因素，盡量采用較小的斷面尺寸以節約混凝土。

2.2 基礎埋深優化

影響基礎埋深的主要因素有：基礎作用力的大小、地基持力層的承載力大小、地下水深度、基礎的穩定及底板的強度和施工工藝的要求。

對板式基礎來說，在臨界深度范圍內，基礎埋置越深，越能充分發揮土體抵抗基礎上拔力的效力。因此，基礎設計應根據具體地質條件及施工環境，適當加大基礎埋深，以減小基礎底板尺寸，降低混凝土用量。

2.3 基礎底板尺寸優化

基礎底板的優化包括底板寬度、底板厚度和底板形狀的優化，基礎底板的寬度同基礎的埋深、基礎的作用力和地基承載力有關。

當底板寬度確定后，底板厚度由3方面決定：基礎的沖切強度；寬厚比B1/H1≤2.5；底板混凝土同鋼筋的比價。

底板變截面設計。為充分發揮底板每個斷面的強度，底板采用變截面設計如圖1所示。

圖1 變截面底板基礎型式

圖1中陰影部分為采用變截面設計后節省的混凝土量，經計算采用這種底板型式，混凝土量能夠比臺階式節約混凝土量10%～30%。

底板厚度優化。由于1 000 kV同塔雙回輸電線路鐵塔基礎作用力較大，基礎底板鋼筋不受最小配筋率控制。通過計算，在基礎設計時，底板厚度保證最小寬厚比和底板沖切強度下，底板越薄，混凝土量越少，基礎綜合造價越低，考慮到1 000 kV鐵塔基礎作用力較大，底板厚度按不小于300mm控制。

3 樁基礎布置優化

由于1 000 kV同塔雙回輸電線路鐵塔基礎作用力較大，在本工程沖洪積平原區域的部分塔位采用多樁承臺結構的灌注樁基礎。計算時，一般選擇受力最大的樁基作為埋深和配筋的依據［3-4］。對灌注樁基礎優化時，主要調整承臺及立柱的布置，盡量使各樁基受力趨于均勻，如圖2所示。

對于常規的A型樁基，各樁受力相對最不均勻，外側樁受力最大，內側樁最小。立柱為雙向偏心受拉控制。

對于B型樁基，承臺和樁基旋轉45°（立柱不轉），外側兩樁受力最大，內側兩樁受力最小。立柱為單向偏心受拉控制。

對于C型樁基，承臺45°擺放同時立柱偏心。樁基通過立柱偏心抵消大部分水平力產生的彎矩，各樁受力更加均勻；立柱基本為單向偏心受拉控制。

D型樁基是在C型基礎上進一步立柱偏心，基礎合力對承臺底產生的彎矩接近為零，各樁基本均勻受力。立柱基本為軸向受拉控制。

圖2 群樁基礎不同的布置方式

本工程典型雙回路轉角塔灌注樁基礎不同布置方案下的技術經濟指標對比如表5所示。計算比較時，方案C中的立柱偏心量為0.2m，方案D偏心量為方案C中的兩倍（0.4m）。

計算結果可知：承臺45°擺放后（B型），灌注樁樁長較常規樁基（A型）減少1.0～2.0m。立柱偏心進一步減小樁基長度或樁徑，當立柱偏心取最大偏心量的一半時 （C型），基礎混凝土量較A型降低了10%；且由于偏心抵消部分水平力產生的彎矩，各樁受力更加均勻，樁鋼筋量顯著下降；D型基礎相對C型基礎的材料量降低并不多，且立柱偏心過大會增加施工難度，一味增大立柱偏心是沒有必要的。

表5 不同樁基方案計算結果比較

因此，對于平地的灌注樁基礎，推薦采用承臺45°擺放加立柱偏心的基礎型式，偏心量根據桿塔作用力的大小來優化取值。

4 鋼筋選擇及布置優化

4.1 高強度鋼筋的應用

特高壓交流輸電線路工程的基礎負荷較大，繼續按照以往工程采用HRB335級鋼筋，勢必加大基礎用鋼量。目前HRB335級和HRB400級鋼筋的市場價格已相差不大，采用HRB400鋼筋可以有效降低基礎用鋼量，進而降低工程造價。

現以本工程特高壓工程中Ⅱ型直線塔和Ⅱ型轉角塔為例，對HRB335級與HRB400級鋼筋進行經濟比較，對比結果如表6所示。

表6 基礎材料量和造價比較

由表6的對比情況可知，采用HRB400級鋼筋后，基礎用鋼量節省7%～10%，在考慮綜合造價之后，綜合造價節省4%左右，近年建設的多條特高壓交直流線路工程中，也大量采用了HRB400鋼筋，取得了很好的經濟效益。

4.2 鋼筋布置優化

特高壓交流輸電線路工程的基礎鋼筋用量增多，基礎設計時即使采用大直徑鋼筋，鋼筋數量仍然較多，鋼筋籠致密，以至于影響混凝土澆筑質量。解決這一問題通常有兩種方法：一是通過加大主柱寬度來滿足要求，但同時也帶來混凝土量的增加，二是采用鋼筋并筋設置，在不增加混凝土用量的前提下，增大鋼筋凈距，如圖3所示。

圖3 基礎并筋示意

按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》允許構件鋼筋采用并筋的配置型式。但對并筋也做了以下原則限制：直徑28mm及以下的鋼筋并筋數量不應超過3根；直徑32mm的鋼筋并筋數量宜為2根；直徑36mm及以上鋼筋不應采用并筋。并筋應按單根等效鋼筋進行計算，等效鋼筋的等效直徑應按照截面面積相等的原則換算確定，GB 50010—2010也給出的并筋后等效直徑值如表7所示［6］。

表7 并筋等效直徑取值

并筋對減小主柱直徑或增大鋼筋凈距效果較明顯，另外施工時允許采用綁扎方式進行并筋，可操作性強。因此建議對鋼筋凈距控制基礎設計情況，可采用并筋設置，避免基礎尺寸過大，浪費混凝土材料。

5 基礎構造優化

5.1 地腳螺栓偏心

特高壓輸電線路鐵塔基礎作用力大，且水平向作用力對基礎截面尺寸和基礎材料量影響較為顯著，針對基礎受力特點，采用地腳螺栓偏心布置的方式，下壓力或上拔力產生的彎矩抵消部分水平力產生的彎矩，改善了立柱及基底受力性能。地腳螺栓2種連接方式如圖4～5所示。

圖4 地腳螺栓中心連接

圖5 地腳螺栓偏心連接

地腳螺栓偏心連接如圖5所示，地腳螺栓群中心沿鐵塔對角線方向偏離基礎的中心點，相當于垂直作用力在基礎柱頂施加一個反向彎矩，在一定程度上抵消水平作用力對基礎的影響。對灌注樁基礎而言，水平力一般起到控制基礎尺寸及配筋率的作用，采用偏心連接，可有效減少基礎尺寸，降低配筋率。

以1 000 kV榆橫—濰坊交流工程的雙回路Ⅱ型直線塔為例（基礎作用力見表3），對地腳螺栓偏心布置方式的合理性和經濟性進行計算［2～4］。

表8 地腳螺栓偏心基礎工程量

由表8可知，該塔型基礎在考慮地腳螺栓偏心布置后，能夠節省基礎混凝土用量5.5%，節省基礎鋼筋用量12.8%，工程造價也大大降低。全線所有塔型的基礎在考慮地腳螺栓偏心布置后，取得了較好的經濟效益。

5.2 圓形保護帽

傳統地腳螺栓保護帽一般為方形，其對角線方向與鐵塔對角線方向相同，因此，采用地腳螺栓偏心連接時，地腳螺栓群及塔腳法蘭、保護帽均沿鐵塔對角線方向偏移，能夠偏移的極限距離一般受到地腳螺栓錨固端與主柱主筋間距、保護帽與主柱邊緣間距等因素的控制。

為降低基礎混凝土量，設計時一般會盡可能減小基礎主柱尺寸，因此，采用傳統方形保護帽時，地腳螺栓群實際能夠偏移的距離較小，不能充分發揮地腳螺栓群偏心的優勢。如要增大地螺偏心值，則需加大基礎主柱尺寸，造成基礎混凝土量的增加。

對此，基礎設計中采取如圖6所示圓形地腳螺栓保護帽，使塔腳板與主柱邊緣的間距變大，在保持原有主柱尺寸不變的前提下，增大地腳螺栓群的可偏移量，降低基礎材料量，具有良好的經濟與社會效益。

圖6 圓形保護帽

6 結語

根據榆橫—濰坊1 000 kV交流線路工程的實際地形地貌及水文地質條件，因地制宜、經濟合理地選擇基礎型式，進行基礎設計優化，降低了工程量，取得了良好的經濟效益，增加了線路的安全性，減少對周邊環境的改變，更好地實現安全、經濟、環保的目的，優化方法及優化成果可供后續特高壓工程設計時參考。