輸電線路鐵塔基礎選型設計及其優化對策研究

朱寧

（江蘇中孚電力工程設計有限公司，江蘇 南京 210000）

國內各地輸電線路鐵塔建設過程中，均是通過基礎把荷載傳送至地基內，因此地基與基礎如果發生質量問題，則會對整體輸電線路運行安全、穩定性造成嚴重的影響，甚至引起人員傷殘問題，不利于和諧社會的建設、發展。遠距離輸送是輸電線路的典型特征，所通過路徑的自然環境對地基條件的復雜性、不穩定性起到了決定性作用。既往有大量實踐表明，差異化的工程水文土質、滑坡、施工工藝不合理、設計偏差等，均可能成為鐵塔基礎出現形變、移位或不均勻沉降等誘因，嚴重時造成鐵塔坍塌，引起十分惡劣的電力事故。通常而言，如果地質、水文條件等因素存在差異，通常會結合作用原理的不同，選擇使用適宜的鐵塔基礎類型，采用適宜的方法進行優化，這是鐵塔實現安全、穩定運行的重要基礎。

1 項目案例

某區域正好處于一條即將建設輸電線路的既定路徑內，為了能使輸電線路運行的安全性、穩定性得到更大保障，應積極做好鐵塔基礎的施工工作。而維持及鞏固鐵塔基礎穩定性是實踐中應重點考慮的問題。施工前期設計應充分調查分析工程所在地的土層指標進行規范測定，具體實測結果被統計在表1內（砂質淤泥質粉土、粉砂分別簡稱為土質I、II）。參照鐵塔基礎的選型要求，本項目的鐵塔基礎型式是聯合式，綜合分析表1內的數據信息，能夠確定基礎的受力層次是第二層，據此便能進行分析測算，進而掌握鐵塔基礎的各項基礎數據。

表1 土層物理指標統計情況

2 分析影響鐵塔基礎設計情況的主要因素

在建造輸電線路過程中，對路徑提出的要求較嚴格，這也就預示著鐵塔基礎經常被建設在地質條件復雜的環境內，因而應結合基礎受力屬性，科學分析基礎設計型式的穩定性、經濟性。從宏觀上分析，影響鐵塔基礎設計效果的因素主要有兩個：一是自身所處方位決定了土力學性質，輸電線路路徑、位置是事先確定好的；二是鐵塔和基礎兩者的互為作用及受力變形特征。

2.1 鐵塔基礎受力的內在規律

埋深相對較淺顯是聯合式輸電線路鐵塔基礎的主要特征，通過對本基礎進行全面的澆制，能夠較好地應對其基礎根開偏小、基坑挖掘難度較大與板式基礎頻繁上拔等現實問題，在軟弱土塔位表現出極高的適用性。首先，需要科學分析鐵塔基礎的受力規律，為確保分析結果的科學性，利用ANSYS有限元軟件分析鐵塔基礎上各種類型的荷載，測得基礎底部邊界承受的上部荷載壓力的最大值，此時，基礎底部承受的拉應力也會達到最大值，分析以上現象的成因，主要是由于鐵塔基礎通常是鋼筋砼，以上這種材料和土壤之間在剛度上存在顯著差異。其次，結合系統化分析結果能夠獲知，基礎底部為土體的最大位移點，如果土層和基礎底部中心距離越遠，其形成的沉降位移量也會降低，而伴隨土層深度值的增加，應力并不會完全消除。最后，結合以上分析所得，將聯合式基礎用于軟弱土塔位，先要精確測算出土層的實際地基承載力，確定基礎底部的具體尺寸。如果聯合式基礎建設在土質偏硬的地質環境下，進而軟弱土層相比較，其受力狀態出現明顯改變，基礎下方可能會出現不同程度彎曲、受壓等狀況。綜合以上做出的分析，可以認定在鐵塔基礎設計選型前，要對輸電線路沿線地質條件全面勘測，結合實際受力狀況確定配筋比例，以防現實操作中配筋偏差使鐵塔基礎形成嚴重損害。

2.2 設定目標函數

綜合如上闡釋內容，不難發現，影響鐵塔基礎設計選型的主要有兩大因素，一是地質條件，二是外力作用。如果實踐中確定了塔型及塔距，此時，其基礎的承載力大小也相應確定下來。土層自身的參數特征是影響基礎型式及尺寸的主要因素，土層參數對基礎承載力的標準值還起到了決定性作用。產生影響的因素主要包括地質條件與外力。而由土層參數決定的基礎寬度與深度修正系數、基礎地下土的自重、底板上土層持有的加權平均重度、基礎實際埋深等均影響著基礎承載力特征值的大小，其理應高于基礎自重力，鐵塔基礎荷載對基礎自重力起到了決定性作用。據此，可以確定如下的目標函數：

式中，fa、fak分別是修正后的基礎承載能力特征值、標準值；ηb、ηd分別是為基礎寬度、埋設對應的修正系數；r是埋土的總重量；B是基礎寬度；rs是埋土的加權平均重量；ht代表的基礎埋深。

從中不難發現，對鐵塔基礎設計參數形成影響的因素較多。因此在設計工作正式開展前，一定要精確測定有關指標具體值，確保塔位的地質勘測工作順利推進，掌握基礎的持力層，這樣才能進一步提升鐵塔基礎型式和尺寸設計的科學性。

3 設計優化方法

分析聯合式鐵塔基礎用于本項目建設階段的原因，最主要是因為和其他類型的鐵塔基礎相比，其在穩定性、安全性兩大方面更占優勢。外加工程所在地區土質相對較為松軟，限制條件相對較嚴格苛刻，所以最后決定使用聯合式鐵塔基礎型式。首先，正式設計基礎設計前，要精準地測算出基礎投用階段自身所需承載的載荷，本工程選定的鐵塔基礎的承載力通常低于實際設計數值的80%，這是基礎自身實現最穩定的基礎條件。其次，聯合式鐵塔基礎的埋深相對較淺顯，并且是由澆筑建設而成，因此，這種基礎型式應用階段能為排水創造便利條件，并且能使土層頂層的硬質層將自身的固定功能充分發揮出來，但因為下層的土質狀態較為松軟，所以基礎下沉、位移等不良情況的發生率相應增加，若以上的改變是相對合理的，那么當沉降量與位移量抵達一定限值時，就可以自動調整到最優狀態。但是，如果能確定是因為施工操作偏差引起的變形問題，則很可能對鐵塔整體安穩性形成極大的不良影響。最后，工程所在地的水文地質、氣候等客觀條件等均可能會影響鐵塔基礎的狀態，可能對其沉降、位移過程起到誘導作用，因此在基礎具體設計時，應著重分析變形參數，將最大壓力側變形幅值控制在20mm以下。

4 結語

在設計與選擇鐵塔基礎型式時，應明確前期選址是影響最后設計效果的主要因素，在控制基礎建設成本的基礎上，也要扎實推進工程場地的前期選址工作。盡量選擇地勢平整、地質條件較好的區段，規避斷層等土質偏差的地段。面對鐵塔項目建設中遇到的各種不良地質狀況，則要盡早采用科學、合理的方法處理，并依照不同的工程水文、地質條件，比較篩選出適用型的鐵塔基礎設計方案，最大限度地優化基礎建設質量。