魯固特高壓直流黃河大跨越基礎設計

張麗娟，姚元璽

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

魯固特高壓直流工程跨越黃河線路長度3.702 km，跨越斷面處兩岸大堤寬約3.3 km，主河槽距離左岸較近，寬約600 m，左岸灘地寬約700 m，右岸灘地寬度約2 000 m，右岸灘地較左岸灘地開闊。左岸灘地直線跨越塔位于黃河主河槽人工約束石頭堤防外側，右岸灘地須立兩基直線跨越塔。

大跨越桿塔產生的基礎作用力較大，地質條件差，設計洪水位較高，水文沖刷深度大，基礎設計需特殊考慮。結合黃河跨越段的地質情況、水文特點、跨越塔基礎受力特點，對跨越塔的基礎型式、布置方案進行優化設計，介紹了基礎計算的外部荷載組合以及結構計算方法，保障大跨越基礎設計安全可靠、經濟環保，減少了施工對環境的破壞，施工的可操作性和質量的可控制性強。

1 地質水文條件

1.1 水文條件

線路黃河跨越處設防水位為17.85 m，50 年河床淤積抬高后，設防水位為21.98 m。根據工程防洪評估報告，設防流量洪水條件下，灘地三基跨越塔位最大沖刷水深分別為11.46 m、14.49 m、14.49 m，對應的最大沖刷深度分別為7.28 m、11.01 m、9.11 m。

黃河下游河道由西南流向東北，由于河道緯度的差異，導致平均氣溫下段比上段低3～4 ℃，下段封河早、開河晚、冰層厚；上段封河晚、開河早、冰層薄。封河時下端封河早，易形成冰塞阻塞河道，壅高水位，漫灘受災。灘地流冰要素參考主槽一般年份流冰要素確定，冰塊尺寸為50 m×50 m，最大冰厚0.4 m，最大冰速按1.0～2.5 m／s 考慮。

對于灘地塔位，須考慮洪水期漂浮物的影響，伴隨洪水漂浮物主要為樹木、農作物、房梁、柴草等。樹木一般長20 m 左右、樹干直徑0.3～0.4 m，房梁一般長5 m、直徑0.4 m 左右，農作物、高稈作物一般長3 m 左右。

1.2 地質條件

跨越段塔位地處黃河漫灘，巖性主要有黏土、粉土和砂土。地層上部粉土為褐黃色，稍密，濕或很濕，局部夾粉質黏土及粉細砂薄層；粉質黏土為褐黃色，軟塑狀態為主，局部可塑狀態；粉細砂為灰黃色，松散，飽和，夾粉質黏土薄層。地層下部粉土為灰黃色，稍密或中密，很濕，局部夾粉細砂和粉質黏土薄層；粉質黏土為灰黃色，可塑或硬塑狀態，局部軟塑狀態；粉細砂為褐黃色，中密或密實，飽和。

勘探深度內地下水類型第四系孔隙潛水，主要賦存于粉土、砂土地層中，勘測期間地下水穩定水位埋深為0～3.6 m，塔基處常年最高水位埋深接近自然地表。

塔位處場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類，參照GB 18306—2015《中國地震動參數區劃圖》，場地地震基本烈度為7 度，地震動反應譜特征周期為0.65 s，同時場地分布有全新世（Q4）粉土、砂土，應進行場地土地震液化判別［1］。按照標準貫入試驗成果，擬建場地屬中等或嚴重液化場地，最大液化深度20 m。

2 基礎設計要點

2.1 基礎型式

大跨越桿塔基礎負荷大，沖刷深，黃河冰凌及漂浮物沖擊力大，且基礎懸臂高度較大，水平荷載將對基礎產生明顯的附加彎矩，因此跨越塔基礎須在滿足豎向承載力的同時具有足夠的抗彎和抗傾覆能力。在眾多鐵塔基礎型式中，樁基滿足此要求。由于樁基有特殊的施工工藝，其埋置深度不受限制，而且有承載能力高、穩定性能好、基礎沉降小且均勻、便于機械化施工、適應性強等優點，國內外多條大跨越輸電線路中河道內立塔都采用了不同組合方式的樁基，并且有長期的運行經驗。本工程灘地內跨越塔的樁基礎型式選擇鉆孔灌注樁，因跨河塔基礎作用力大，單樁基礎已難以滿足，推薦采用群樁承臺鉆孔灌注樁基礎，并在承臺之間設置連梁，可有效提高樁基礎的水平荷載承載能力，改善上部鐵塔結構受力。

對跨越塔ZKT-139 基礎按四樁、九樁方案對比計算，本體造價按混凝土1 000 元／m3、鋼材5 000 元／t測算，結果見表1。

表1 直線跨越塔基礎材料量及造價比較

通過表1 可知，采用四樁承臺方案的本體費用較低，因此跨越直線塔基礎推薦采用四樁高承臺灌注樁基礎。

2.2 基礎布置

多樁承臺結構的灌注樁基礎中所有樁的配筋和設計長度均相同，由于一般選取內力最大樁的鋼筋配置和樁長作為計算依據，因此灌注樁基礎優化的關鍵是調整承臺及立柱的布置方式，盡量使各樁基受力趨于均勻，樁基及承臺布置如圖1—圖3 所示。

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。

B 型樁基，承臺和樁基旋轉45°（立柱不旋轉），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。

C 型樁基，承臺45°擺放同時立柱偏心。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1 A 型承臺布置

圖2 B 型承臺布置

圖3 C 型承臺布置

承臺45° 擺放后（B 型），灌注樁樁長較常規樁基（A 型）減少。立柱偏心可進一步減小樁基長度或樁徑，且由于偏心抵消了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。

通過比較，對于大跨越直線塔灌注樁基礎，推薦采用承臺45° 擺放加立柱偏心的布置型式，偏心量根據作用力的大小來優化取值。

2.3 基礎結構計算

2.3.1 荷載組合條件

當基礎設置在堤外（迎水面）灘地時，應考慮流水壓力、水流沖刷、漂流物等作用，荷載組合工況包括：1）最大風荷載和相應的沖刷深度（宜取最大沖刷深度的50%～70%），荷載組合系數為1.0；2）最大沖刷深度和50%設計風荷載，荷載組合系數為1.0；3）最大沖刷深度和50%設計風荷載并同時考慮漂流物及水流的作用，所有荷載組合系數均取0.75[2]。

經計算比較，工況1）對大跨越基礎內力起控制作用。

2.3.2 基礎抗震計算

本黃河跨越段屬中等或嚴重液化場地，最大液化深度20 m，采用灌注樁基礎穿透液化土層，同時樁深入非液化土的長度由計算確定，且對于碎石土、礫、粗、中砂，堅硬黏土和密實粉土，樁端深入深度不應小于3～5 倍樁徑，對其他非巖石土不宜小于1.5 m［3］。

鉆孔灌注樁基礎需同時滿足常規計算方法和地基液化后計算方法的要求，其中地震工況下大跨越桿塔基礎作用力計算條件及結果如下所述。

地震工況下桿塔基礎作用力的計算條件為：跨越塔場地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。

桿塔地震作用采用振型分解反應譜法計算，進而和其他外荷載產生的影響進行荷載效應組合［4］，公式為

式中：γG為永久荷載分項系數，對結構受力有利時取1.0，不利時取1.2，驗算結構抗傾或抗滑移時取0.9；γEh、γEV分別為水平、豎向地震作用分項系數，應按表2 規定確定；SGE為永久荷載代表值的效應；SEhk為水平地震作用標準值的效應；SEVK為豎向地震作用標準值的效應；γEQ為導線、地線張力可變荷載的分項綜合系數，取0.5；SEQK為導線、地線張力可變荷載代表值的效應；SWK為風荷載標準值的效應；ΨWE為地震基本組合中風荷載組合系數，可取0.3。

表2 地震作用分項系數

振型分解反應譜法得到的大跨越直線塔的地震工況下與常規工況下基礎作用力對比如表3 所示。

表3 不同工況下大跨越直線塔基礎作用力對比 kN

2.3.3 基礎連梁設計

由于灘地處大跨越塔基礎水平作用力較大，且受洪水位影響基礎露出地面高度較高，因此水平位移是樁水平承載力的重要指標，在4 個基礎承臺之間設置連梁，可顯著降低樁頂的水平位移計算值。由于承臺之間跨度較大，如果采用鋼筋混凝土連梁則其截面計算尺寸太大，或者須在連梁跨中位置設置支撐樁來降低梁的截面尺寸，因此推薦連梁采用抗彎剛度較大的鋼管結構，相對于混凝土結構，一方面節省材料用量，另一方面與鐵塔攀爬機連接構造相對簡單，施工方便，施工周期短。連梁形成了基礎的整體性，對基礎水平力具有傳遞作用，單個基礎計算時，水平力取基礎作用力中水平力的一半。連梁與基礎承臺之間的連接屬于固定連接，會產生梁端彎矩，但由于大跨越基礎線剛度及轉角剛度較大，相比之下連梁的彎曲剛度較小，連梁端部的計算彎矩值相對較小，最終選取連梁鋼管材質為Q345，管徑為630 mm，壁厚12 mm。長度16.064 m，錨入承臺4.5 m，并在鋼管端部灌注C35 混凝土。

跨越塔位于高樁承臺之上，桿塔與現有地面之間的距離較大，為方便施工及運維上下鐵塔，跨越塔基礎需設置爬梯，承臺預埋錨栓與爬梯角鋼相連，人員攀爬時，將活動爬梯掛在固定爬梯上。

2.4 基礎檢測

按照JGJ 106—2003 《建筑基樁檢測技術規范》的檢驗方法［5］對承臺樁采用聲波透射法進行樁身完整性檢測，并抽檢每個塔腿基礎的兩根樁進行大應變檢測。檢測結果表明，樁身質量優良，完整性好，承載能力滿足設計要求。

3 結語

黃河跨越段水文、地質情況復雜，跨越塔基礎采用受力性能良好的高樁承臺基礎；優化承臺布置，改善樁基受力，采用承臺45° 擺放+立柱偏心的布置型式；針對水文沖刷深度大的特點選取最不利基礎荷載組合，精確進行抗震計算，優化連梁設計，確保大跨越基礎的安全性、經濟性。