輸電線路基礎形式選擇及優化

閆芳芳，張 斌，王 婼

（1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原030001；2.北京恒華華偉業科技股份有限公司，山西太原030001）

1 引言

輸電線路途徑地質條件比較復雜，基礎方案選擇的優劣直接影響基礎的安全和工程量指標，因此對各種基礎型式的受力特點及優缺點進行分析和比較至關重要。

2 輸電線路工程常見桿塔基礎形式

2.1 臺階式基礎

線路途經溝谷、低洼地帶，地下水位較高地段為了方便施工，選用混凝土臺階式基礎。該基礎雖混凝土耗量較鋼筋砼板式基礎高，但耗鋼量較小；有地下水時，使用砼臺階式基礎可避免在水中編排鋼筋，排水過程中可快速澆注混凝土，施工方便。同等埋深下，混凝土體積大，浮自重較鋼筋砼板式基礎重，容易滿足基礎上拔要求，與底板配筋的鋼筋砼板式基礎相比，可以適當淺埋。

2.2 板式直柱基礎

該基礎型式是國內傳統的基礎形式之一。其特點是開挖方便、可進行淺埋，在較易出線流沙或者地下水位較高的地基中應用居多，能避免基坑坍塌的危險，還可降低深挖水坑的工作難度。底板寬度與高度不受剛性角的限制，寬高比可增至2.5倍。且混凝土耗量較臺階式基礎小，自重輕，可減小對地基的下壓力。由于它底板配有鋼筋，柔性較大，抗變形能力強，不易斷裂，總體抗地基變形能力強。但底板面積較大，基坑土石方量稍高。

2.3 板式斜柱基礎

該基礎型式是國內外通用的基礎型式之一，是板式基礎的特殊型式。其主要特點是：基礎立柱坡度與塔腿主材坡度一致，塔腿主材（角鋼或鋼管）直接插入底板，可減少基礎柱頂水平力，降低立柱正截面強度，縮小立柱斷面。底板雙向配筋，底板較薄，臺階寬高比可擴大至2.5，底板面積較大，適宜基礎淺埋和加大上拔土體而增加基礎抗拔能力。與鋼筋混凝土板式基礎相比，由于省去了塔腳板和地腳螺栓，其鋼材的綜合指標降低了25%左右，造價低15%。從經濟角度看宜優先采用此種基礎型式，但基坑開挖土石方量較大，對塔位基面有一定破壞。該基礎型式主要適用于不能掏挖成型的粉土、砂土、碎石坡積土及地下水水位較淺地段上的各類型主材鐵塔，四腿基柱可不等高布置。

2.4 巖石嵌固基礎

該基礎型式適用于強風化巖石地區，將所需的基坑直接挖在巖石地基中，將鋼筋骨架放入基坑當中，直接在基坑澆筑桿塔基礎，使混凝土與巖石粘結成一體，充分利用了巖石本身的抗剪強度，來達到牢固的作用。采用該基礎型式對降低工程造價和縮短施工工期有重要意義。

2.5 掏挖式基礎

該基礎充分利用了原狀土抗拔力大或巖石自身的力學性能好的優勢，提高基礎的抗拔、抗傾覆承載能力。從而節省基礎混凝土和鋼材的耗量，基坑土方量也大幅降低，施工過程省去了支模、拆模、回填等工作。

該基礎方便加高主柱并配合長短腿使用，達到就地開挖基礎，實現山區零降基面的目標。在基巖地段該基礎可加長主柱直接穿過覆蓋層，擴大了巖石基礎的使用范圍。

此類基礎主要用于普通土（無地下水）和巖石地基上的直線塔采用掏挖式基礎。

2.6 人工挖孔基礎

這種基礎能利用側壁摩阻力承受上拔荷載，并且深度修正可提高地基的地耐力、增強基礎的下壓穩定性，可減小塔基發生淺表性垮塌的機率。另外樁基礎露頭高度可以靈活調節（露頭可以達到3～4m），減少了基面開方量與護坡量，從而最大限度的減少了對地表植被和周圍環境的破壞和污染。這種基礎主要用在坡度較陡、場地狹窄、采用其他基礎開方量很大的山區塔位，施工時要做好混凝土護壁以保證施工安全。

2.7 灌注樁基礎

鉆孔灌注樁是一種深基礎型式，以其適應性強、成本適中、后期質量穩定、承載力大等優點廣泛地應用輸電線路工程中。對于線路無法避讓的水域或是洪水漫堤沖刷深度較大的塔位鉆孔灌注樁是最好的選擇。鉆孔灌注樁有單樁、雙樁承臺、多樁承臺和四樁連梁等多種形式，在實際設計上要根據地質情況和基礎作用力做方案比較，以取得經濟性和安全合理性的最佳結合。灌注樁基礎不需要大開挖，施工時處理好泥漿就不會對環境和農田造成影響。

3 基礎優化

基礎優化包括基礎材料選擇、基礎尺寸優化、鐵塔與基礎連接方式的優化以及基礎作用力優化。

3.1 嵌固基礎配筋優化

嵌固基礎的配筋方式主要有以下兩種：（1）地腳螺栓按常規設置，基礎配主筋、箍筋；（2）地腳螺栓直接通到基礎底部，僅對地腳螺栓進行構造配置箍筋。

兩種基礎型式尺寸相同、混凝土量相同，且配筋均能夠滿足結構的要求，區別在于其制造、施工工藝以及材料的單價，按照基礎鋼筋單價2500元/噸、地腳螺栓單價5000元/噸計算，以某500kV直線塔為例，兩者的指標分析見下表：

基礎 基礎鋼材（kg） 造價（萬元）優點缺點地腳螺栓鋼筋嵌固式基礎① 1360 3163 1.47施工工藝簡單；單價底。主柱需配筋。嵌固式基礎② 4080 110.2 2.07 主柱不需配筋。單價高；地螺過長，生產運輸難。

由以上分析可知：嵌固式基礎①施工工藝簡單，生產運輸方便，節省造價30%左右

3.2 基礎尺寸優化

現以一直線塔采用板式斜柱基礎為例，進行基礎結構何尺寸優化：

地質條件：粉土；γ＝16kN/m3；α＝20°；fk＝130kPa

采用的方法是：起始變量首先以臺階寬高比達到2.5開始，先以100mm為模數依次增加基礎主柱高度，通過減小臺階寬度從而減小底板寬度，直至底板寬高比為2.0為止，優化過程中主柱寬度應盡量小。

經計算結果可見：方案1～方案11隨基礎逐步增大基礎埋深，降低底板寬度，混凝土耗量和鋼材耗量基本為線形遞減，由于基礎作用力較大，基礎底板寬度再減小時混凝土臺階抗拉受控，基礎底面尺寸無法減小繼續優化。優化基礎幾何尺寸時，在立柱寬度滿足構造要求的前提下，調整底板寬度和基礎埋深。由上表可以得出，通過基礎埋深、主柱寬度、底板寬度和厚度的優化，可有效降低基礎的造價指標。

3.3 基礎作用力優化

線路中耐張塔的使用數量比直線塔少，但其基礎作用力大，基礎工程量高，對基礎工程量單公里指標的影響較大。

轉角塔主要承受導線和地線的張力，因此基礎作用力的大小直接與轉角度數有關系。在鐵塔設計時轉角塔按角度進行塔型劃分。但基礎設計采用鐵塔設計相同的轉角劃分會導致一定程度的浪費。比如II型轉角塔，20度基礎作用力較30度減少10%左右，若按30度的基礎作用力設計，明顯是不合適的。因此在轉角塔基礎設計時，將按其實際使用角度計算基礎作用力并按該作用力設計基礎，轉角塔基礎量節省3%～8%。

基礎幾何尺寸優化（單腿量）

4 結束語

從混凝土用量看，原狀土基礎比大開挖基礎用量小。

從環保及適應地形的角度看，原狀土基礎可以很好的適應地形，做到零基面施工；而板式基礎無法很好的適應山區地形，且土石方量巨大，不環保經濟。

從施工難度來看，板式基礎開方量大，在巖石地段開鑿基坑施工難度大；巖石嵌固基礎及人工挖孔樁基礎在風化程度高的巖石地基段，施工難度較小，但在巖石完整性好的地段，施工難度同樣較大。