山區(qū)輸電線路轉(zhuǎn)角塔壓力型錨索承臺基礎(chǔ)研究

麻 堅(jiān)，袁建國，應(yīng) 健，肖志鵬，呂 慶，王真理

（1.金華電力設(shè)計(jì)院，浙江 金華 321016；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017；3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

輸電塔是輸電線路穿越山地丘陵等復(fù)雜環(huán)境的關(guān)鍵電力設(shè)備，其基礎(chǔ)型式是否合理關(guān)系到輸電工程建設(shè)成本，而且一旦出現(xiàn)問題，將對電網(wǎng)安全構(gòu)成威脅，甚至誘發(fā)重大事故。 因此，輸電塔基礎(chǔ)的選型和設(shè)計(jì)是高壓輸電線路設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容[1-2]。

長距離輸電線路在山區(qū)不可避免地會遇到復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，使得鐵塔基礎(chǔ)依存的地基性狀差異極大。 地形條件、地質(zhì)環(huán)境、地基承載力和鐵塔所受荷載是基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素[3-4]。 輸電線路中的轉(zhuǎn)角塔，受力不對稱，其上拔工況是鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的控制性荷載[5]。 尤其，對于大角度轉(zhuǎn)角塔，荷載大，對基礎(chǔ)的抗拔承載力要求高。 我國東南沿海山區(qū)存在大量的覆蓋層厚、下覆基巖工程性狀好的復(fù)合地層。 對于這類“上土下巖”的二元結(jié)構(gòu)復(fù)合地層，目前一般的鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，如板式基礎(chǔ)[6]，通過增加基礎(chǔ)埋深，利用基礎(chǔ)的覆土和自重來提供抗拔力。 對于上拔荷載高的大角度轉(zhuǎn)角塔，需深挖深埋才能滿足抗拔設(shè)計(jì)要求，不僅將大大增加土石方開挖量，破壞生態(tài)環(huán)境，而且需擴(kuò)大承臺尺寸，增加混凝土、鋼材等材料用量和運(yùn)輸成本，提高基礎(chǔ)造價(jià)。 而普通巖石錨桿基礎(chǔ)[7-8]一般用于下覆基巖較淺的情況，對于覆蓋層較厚的地層，由于錨桿長度限制，為了使錨桿錨固到下覆基巖層，需增加基礎(chǔ)埋深，造價(jià)高、不經(jīng)濟(jì)。 此外，普通巖石錨桿基礎(chǔ)多為傳統(tǒng)的全長粘結(jié)型錨桿，受到錨桿材料強(qiáng)度、直徑以及錨桿、巖體與砂漿粘結(jié)力影響，其抗拔承載力有限，需要布置較多數(shù)量的錨桿才能滿足較大上拔與水平荷載的大角度轉(zhuǎn)角塔的受力需求。

針對上述覆蓋層較厚的“上土下巖”復(fù)合地層，本文提出了一種適用于山區(qū)輸電線路轉(zhuǎn)角塔的壓力型錨索承臺基礎(chǔ)。 采用高強(qiáng)度鋼絞線（抗拉強(qiáng)度1 860 MPa）作為錨索材料。 通過錨固板擠壓受力使得內(nèi)錨固端處于受壓狀態(tài)，獲得較高單根錨索的抗拔承載力。 由于錨索為柔性材料，可以由鉆孔穿過厚覆蓋層錨入基巖，充分利用下覆基巖的錨固性能，提供穩(wěn)定、可靠的抗拔力，因此更適合具有厚覆蓋土的地層條件。 此外，通過傾斜方式對稱布置，可滿足基礎(chǔ)的豎向抗拔承載力和側(cè)向抗滑穩(wěn)定性。 而基礎(chǔ)承臺僅需滿足下壓承載力要求即可，大大縮小承臺尺寸和埋深，減少基礎(chǔ)土石方開挖量，縮短工期，降低鋼砼材料用量和運(yùn)輸需求，不僅有利于保護(hù)環(huán)境，而且降低了基礎(chǔ)造價(jià)。

1 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)

1.1 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)型式

壓力型錨索承臺基礎(chǔ)由錨索和承臺兩部分組成，如圖1 所示。 錨索采用高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線。 錨固段采用壓力型內(nèi)錨結(jié)構(gòu)代替全長粘結(jié)的拉力型錨桿。 錨索可傾斜對稱布置，穿過覆蓋層錨入基巖，能有效提高基礎(chǔ)的抗拔和抗水平承載力。 錨索傾斜對稱布置不僅可以提供抗水平承載力，而且還能解決內(nèi)錨段的群錨效應(yīng)問題。 承臺采用板式基礎(chǔ)，由下壓荷載和地基承載力控制其埋深和尺寸，相比于常規(guī)的板式基礎(chǔ)，由于無需考慮上拔工況，可大大縮小基礎(chǔ)底板尺寸和所需埋深，減少基礎(chǔ)開挖量及對環(huán)境的破壞，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

圖1 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

采用壓力型錨索來代替拉力型錨索的目的在于：拉力型錨索的內(nèi)錨固段由于采用全長粘結(jié)的錨固方式和傳力機(jī)制，在上拔荷載作用下，注漿體在錨索受拉變形較大部位會出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而造成錨固段的拉剪漸進(jìn)破壞。 而壓力型錨索通過在錨索根部設(shè)置承壓板，通過無粘結(jié)鋼絞線將外部上拔荷載傳遞到承壓板，并通過承壓板擠壓錨孔底部的注漿體和圍巖，保證整個(gè)錨索受力過程中，灌漿體處于受壓狀態(tài)（見圖2）。 由于砂石注漿材料的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高，因此壓力型錨索能充分發(fā)揮注漿體抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢。 此外，壓應(yīng)力狀態(tài)下注漿體不易開裂，具有更好的防腐性和耐久性。

目前，壓力型錨索在各類錨固工程中已有廣泛應(yīng)用[9-12]。 總體而言，錨索的破壞機(jī)理主要是錨索材料被拉斷和錨索從錨孔中被拉出2 種。 采用壓力型錨索形式，可充分發(fā)揮錨索材料強(qiáng)度高、下覆基巖完整以及錨固性能好的特點(diǎn)，從而大幅提高抗拔力。 此外，對于上拔荷載特別大的情況，為提高錨索的極限抗拔承載力，避免應(yīng)力集中問題，可根據(jù)承載力需要采用具有多級承壓板的壓力分散型錨索，如圖3 所示。 通過在不同深度設(shè)置錨固承壓板，將外錨頭荷載分散作用在不同深度的注漿體和圍巖中。

圖2 壓力型錨索結(jié)構(gòu)

圖3 多級壓力分散型錨索結(jié)構(gòu)

1.2 壓力型錨索承臺技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢

對于覆蓋層厚、下覆基巖工程性狀好的山區(qū)復(fù)合地層及上拔荷載較大的輸電線路轉(zhuǎn)角塔的基礎(chǔ)，采用壓力型錨索承臺基礎(chǔ)將克服現(xiàn)有常規(guī)輸電塔基礎(chǔ)的不足，其技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢有：

（1）基礎(chǔ)受力合理、安全可靠。 基礎(chǔ)下部采用錨索代替錨桿，采用高強(qiáng)度鋼絞線替代鋼筋，抗拔承載力大且可靠性高；壓力型錨索承臺基礎(chǔ)上拔和下壓工況受力分別考慮，上拔工況由錨索承擔(dān)，下壓工況由承臺承擔(dān)，受力明確、分工合理；采用壓力型內(nèi)錨結(jié)構(gòu)，將外部拉力作用傳遞到完整基巖中，可提供安全、穩(wěn)定、可靠的抗拔承載力；錨孔注漿體處于受壓狀態(tài)，將充分發(fā)揮注漿體抗壓強(qiáng)度優(yōu)勢，有效避免因應(yīng)力集中造成的錨索漸進(jìn)破壞。

（2）適應(yīng)機(jī)械化施工要求，有效減少人力需求。 預(yù)應(yīng)力錨索孔的鉆造、注漿、張拉均可利用各種機(jī)械設(shè)備自動或半自動完成，所需人工相對較少，可滿足機(jī)械化施工的要求，降低勞動強(qiáng)度，提高施工效率。

（3）造價(jià)低、工期短、環(huán)境效益顯著。 由于承臺僅需考慮下壓荷載作用，大大縮小了承臺的尺寸和埋深，經(jīng)濟(jì)性好。 施工上由于避免了較大規(guī)模的土方開挖和基坑支護(hù)，可大大縮短工期。 施工過程中，機(jī)械化程度高，施工速度快，施工工作面小，基礎(chǔ)開挖和維護(hù)工程量小，可有效降低對場地基巖面、林木植被的破壞，減少施工過程中的碳排放量以及對環(huán)境的影響，環(huán)保效益突出。

（4）適用性好。 針對塔基上部覆蓋土厚的特點(diǎn)，通過鉆造深孔，可將輸電塔所需的抗拔力傳遞至穩(wěn)定地層；對于土層厚度不同的地層條件，可通過調(diào)整錨索長度靈活設(shè)計(jì)，具有極高的場地適用性；對于不同規(guī)模的鐵塔，錨索噸位可根據(jù)所需抗拔力靈活設(shè)計(jì)，采用壓力分散性內(nèi)錨結(jié)構(gòu)，可改善錨索的受力條件，進(jìn)一步提供更大的錨固力；錨索施工工藝簡單，錨索直徑小，相關(guān)施工機(jī)械便于運(yùn)輸，適合于山頂、山坡等大型機(jī)械不便使用的山區(qū)。

2 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 承臺的設(shè)計(jì)計(jì)算

承臺主要承受輸電塔下壓荷載，由地基承載力要求確定其底板尺寸。 由于輸電線路轉(zhuǎn)角塔主要考慮上拔工況，下壓荷載較小，為方便施工，減少土方開挖，承臺基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)埋深一般控制在2 m以內(nèi)，承載力驗(yàn)算按照規(guī)范推薦的方法計(jì)算[13-15]，不再贅述。

2.2 壓力型錨索的抗拔力計(jì)算

傾斜布置的錨索主要軸向抗拉，利用軸向拉力的豎向分量承受上拔荷載，水平分量承受水平荷載。 因此，確定錨索軸向抗拉承載力是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 如圖4 所示，錨索的傾斜角（豎向夾角）α和軸向抗拉承載力Nt可分別由下式確定：

式中：T 為單根錨索需承擔(dān)的上拔力；Nx，Ny分別為單根錨索需承擔(dān)的水平抗力。

圖4 壓力型錨索承臺平面布置

由于壓力型錨索在上拔荷載作用下不會出現(xiàn)錨索及套管沿與注漿體交界面被拔出的破壞模式，因此其抗拉承載力主要由錨索材料的極限抗拉強(qiáng)度、錨固承壓板處的注漿體抗壓強(qiáng)度、注漿體與鉆孔壁之間的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度綜合確定，計(jì)算方法主要按照《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》[16]《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[17]的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。 簡述如下：

（1）錨索截面積應(yīng)滿足錨索鋼絞線抗拉強(qiáng)度要求：

式中：fptk為鋼絞線的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Kt為錨索的抗拉安全系數(shù)，對永久錨索取1.8；As為錨索的總面積，與鋼絞線根數(shù)n 及其直徑d 有關(guān)。

（2）錨固承壓板面積應(yīng)滿足注漿體抗壓強(qiáng)度要求：

式中：Kp為注漿體局部抗壓安全系數(shù)，取2.0；Ap為錨固承壓板與注漿體橫截面的凈接觸面積；Am為注漿體的橫截面面積；η 為有側(cè)限注漿體的強(qiáng)度增大系數(shù)；fck為注漿體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）錨索的最小錨固段長度按下式計(jì)算，取其中的較大值：

式中：K 為錨固體的抗拔安全系數(shù)；fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；D 為錨固段的錨孔直徑；Ψ 為錨固長度對粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)；fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；d 為鋼絞線的直徑；ξ 為界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)。

2.3 壓力型錨索的技術(shù)要求

（1）錨索可根據(jù)荷載情況選用4～7 股d=9.5～12.7 mm 組成的高強(qiáng)度鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)fptk=1 860 MPa。

（2）錨索的鉆孔直徑可相應(yīng)取D=90～150 mm。

（3）注漿材料選用M35～M40 水泥砂漿。

（4）根據(jù)基礎(chǔ)所受水平荷載與上拔荷載的比例，錨索采取對稱傾斜布置，豎向傾角采用15°～25°。

（5）注漿前應(yīng)仔細(xì)清孔，注漿管與錨索同時(shí)放入孔內(nèi)，采取隨注隨拔、自下而上連續(xù)注漿的方式，必要時(shí)二次注漿，提高錨索的抗拔承載力。

（6）錨索與承臺連接處的承臺配筋應(yīng)局部加強(qiáng)。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

針對工程中15 mm 冰區(qū)Ⅱ型轉(zhuǎn)角塔、20 mm冰區(qū)Ⅱ型轉(zhuǎn)角塔，對厚土山區(qū)塔位分別采用壓力型錨索承臺基礎(chǔ)和常規(guī)單根挖孔樁基礎(chǔ)的工程量進(jìn)行對比分析。 對比分析時(shí)覆蓋層厚度假定為5 m，對比結(jié)果如表1 所示。 表中結(jié)果表明，在相同地質(zhì)、地形條件下，采用壓力型錨索承臺基礎(chǔ)可減少混凝土量約20%～25%，基礎(chǔ)鋼材量約略有增加，綜合造價(jià)較常規(guī)挖孔基礎(chǔ)可節(jié)省10%～15%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

因此，對工程中覆蓋層較厚、下伏基巖性狀較好的山地塔位，尤其是上拔荷載相對較大的轉(zhuǎn)角塔，推薦采用壓力型錨索承臺基礎(chǔ)這一新型基礎(chǔ)型式。

表1 不同基礎(chǔ)型式材料用量對比（單個(gè)基礎(chǔ)）

4 結(jié)語

壓力型錨索承臺基礎(chǔ)是一種新型的輸電塔基礎(chǔ)型式，對山區(qū)上覆土層較厚的“上土下巖”復(fù)合地層有較大的技術(shù)優(yōu)勢，特別是針對上拔荷載較大的輸電線路轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)技術(shù)優(yōu)勢顯著。 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)，受力合理，不僅能夠充分利用下覆完整基巖的錨固承載力，提供安全、穩(wěn)定、可靠的抗拔作用，而且可有效減小承臺尺寸和埋深，減少基礎(chǔ)的土石方開挖量和材料用量，縮短工期，降低造價(jià)。 從而減少常規(guī)的鐵塔基礎(chǔ)需因大規(guī)模開挖施工對山區(qū)環(huán)境植被造成的破壞，緩解深埋基礎(chǔ)對大型施工機(jī)械的需求。 壓力型錨索承臺基礎(chǔ)施工工藝簡單，可采用輕型化、小型化設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。