青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程桿塔基礎的防凍脹措施

臧國華，洪四永，李敬華，張祿琦

(1.西北電力設計院，西安市710075;2.西安通信學院，西安市710016)

0 引言

格爾木—拉薩±400kV直流輸電線路工程(簡稱青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程)線路全長約1 100 km，海拔4 000m以上地區(qū)約940 km，穿越多年凍土區(qū)部分約632 km。這是目前世界上穿越多年凍土區(qū)最長的輸電線路。

在凍土地區(qū)，土體凍結(jié)時不論其垂直面還是橫剖面，都可以發(fā)現(xiàn)厚度不等的冰分凝集合體，使土顆粒之間相互隔離，產(chǎn)生位移，引起土體體積膨脹。如果這種膨脹受到基礎的約束時，受約束的土體就要對基礎產(chǎn)生作用，這種力稱為土的凍脹力。由于凍脹力的作用，凍土地區(qū)基礎經(jīng)常被拔起或傾斜，嚴重影響了輸電線路的正常運行［1-5］，因此，有必要采取措施減小或消除凍脹力對基礎的影響。

1 減小凍脹力的常規(guī)處理措施

1.1 減小基底法向凍脹力的措施

在日本、美國、丹麥和加拿大等國的地基設計規(guī)范中，規(guī)定了基礎的埋深不小于凍深或融深，這一規(guī)定的目的就是消除基礎底部的法向凍脹力［6-7］。我國的地基基礎規(guī)范目前還采用驗算基礎穩(wěn)定的方法，允許基礎底部留有殘余凍土層，這項規(guī)定僅適用于承受下壓荷載的永久受壓基礎，不適用于承受上拔荷載的受拉基礎或拉、壓可變的架空送電線路桿塔基礎。

我國輸電線路設計部門對桿塔基礎底部法向凍脹力的作用已有充分認識，并采用桿塔基礎埋深大于設計凍深(融深)的方法來消除基礎底部法向凍脹力。此外，我國規(guī)范中規(guī)定基礎在地下水位之上時可采用換填法［8-9］，用非凍脹性的粗顆粒土做墊層，但墊層的底面必須落在設計凍深線處。

1.2 減小基側(cè)法向凍脹力的措施

當直柱基礎位于平地且無特殊錨固要求時，基側(cè)凍脹力呈水平對稱，如圖1所示。因?qū)ΨQ等值荷載的作用效果等于0，所以對稱水平基側(cè)凍脹力對基礎的穩(wěn)定性不產(chǎn)生影響。如果采用斜柱基礎，由于基柱內(nèi)外側(cè)水平凍脹力的不平衡，容易引起基礎位移，因此凍土區(qū)應盡量避免使用斜柱基礎。

1.3 減小切向凍脹力的措施

對于如何減小作用于基礎上的切向凍脹力，國內(nèi)外工程界已進行了大量的試驗研究，總結(jié)出許多有效方法。由于架空送電線路分布地域廣闊、工程地質(zhì)條件復雜多變、分散性大，許多方法或因經(jīng)濟指標較高或方案復雜而無條件實施，能夠直接取用的非常有限。目前，適用于輸電線路地基與基礎的方法有以下3種:

圖1 換填非凍脹性材料Fig.1 Changing and filling of non-frost heaving material

(1)換填非凍脹性材料，即利用非凍脹性材料(如中砂、粗砂、礫石、卵石、爐渣等)置換基礎周邊一定范圍的凍脹性土體，避免切向凍脹力作用于基礎［9］。

工程實踐表明，該方法適用于基礎位于地下水位之上的情況，并且施工方法簡單、取材方便。

(2)采用梯形斜面基礎，即將基礎設計成圖2的形式。以往的實踐結(jié)果表明，其側(cè)面坡度比應不低于1∶7，這是克服切向凍脹力作用于桿塔基礎的可靠、經(jīng)濟方法，我國規(guī)范中也推薦了這種基礎形式［8］。

圖2 梯形斜面基礎Fig.2 Trapezoidal slant foundation

(3)設計深基礎，即利用深基礎在非凍土中的樁土間摩擦(或凍結(jié))阻力，平衡凍土區(qū)域內(nèi)作用于桿塔基礎上的切向凍脹力。深基礎一般用于軟弱強凍脹地基或多年凍土地基，基礎入土深度應滿足正常設計荷載和克服凍脹力驗算荷載所必須的設計深度，基礎施工時要保證基礎頂部不出現(xiàn)擴大頭，避免出現(xiàn)法向凍脹力的作用。一般采用鉆孔灌注樁基礎或打入樁基礎，因為這種方法經(jīng)濟費用較高，屬于隱蔽工程，不宜檢測質(zhì)量。

此外，文獻［10］研究了涂料法防凍脹措施，試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)油脂涂料處理后的最大切向凍脹力大幅減小，可以降低(2/3)～(5/6)。

2 基礎的防凍脹措施及工程應用

在青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程中，西北電力設計院共設計4個標段，其中位于凍土區(qū)的基礎共490基，根據(jù)地質(zhì)和水文條件，并結(jié)合常規(guī)防凍脹措施，本工程采取以下6種基礎防凍脹措施。

(1)處理方式1:基礎立柱四周抹5 mm厚潤滑劑(分3次進行)，基礎主柱周圍0.1m范圍內(nèi)采用渣油混粗砂填塞，用防滲土工材料包裹，填塞高度為基礎立柱底部至地表下0.4m處，外部用原土對整個基坑回填，如圖3所示。

圖3 防凍脹處理措施1Fig.3 No.1 anti-frost heaving measure

此方式適用于季節(jié)性凍土有水的塔位、融區(qū)季節(jié)性凍深小于立柱高度的塔位、多年凍土地區(qū)的無水塔位、塔基雖有水但持力層承載力較好的塔位。根據(jù)具體塔位地質(zhì)條件，本工程沒有采用此處理措施。

(2)處理方式2:基礎底板下地基土采用粗石料換填，換填寬度為底板寬度兩側(cè)加400 mm，換填厚度為400 mm，基礎側(cè)壁抹5 mm潤滑劑(分3次進行)，基礎側(cè)壁再用0.1m厚渣油混粗砂填塞，用防滲土工材料包裹，填塞高度為基礎立柱底部至地表下0.4m處，外部用原土對整個基坑回填，處理方式如圖4所示。

圖4 防凍脹處理措施2Fig.4 No.2 anti-frost heaving measure

此方式適用于多年凍土地區(qū)有水的塔位，或塔基持力層為不良凍土的塔位。根據(jù)具體塔位地質(zhì)條件，本工程沒有采用此處理措施。

(3)處理方式3:采用樁基時，澆制混凝土前在玻璃鋼外側(cè)抹5 mm厚潤滑劑(分3次進行)，固定于樁基側(cè)壁，處理方式如圖5所示。

圖5 防凍脹處理措施3Fig.5 No.3 anti-frost heaving measure

本方式適用于多年凍土地區(qū)有水的塔位及地質(zhì)條件較差的塔位。根據(jù)具體塔位地質(zhì)條件，本工程共62基塔位采用了這種處理方式。

(4)處理方式4:現(xiàn)澆開挖類基礎，采用玻璃鋼模板支模澆注，保證玻璃鋼模板對整個基礎的密封性，基礎底板下的地基土采用粗石料換填，換填寬度為底板寬度兩側(cè)加400 mm，換填厚度為400 mm，處理方式如圖6所示。

本處理方式適用于凍脹性和腐蝕性并存的塔位。根據(jù)具體塔位的地質(zhì)條件，本工程共6基塔位采用了這種處理方式。

圖6 防凍脹處理措施4Fig.6 No.4 anti-frost heaving measure

(5)處理方式5:現(xiàn)澆開挖類基礎，基礎立柱采用玻璃鋼模板支模澆注，基礎底板下的地基土采用粗石料換填，換填寬度為底板寬度兩側(cè)加400 mm，換填厚度為400 mm，處理方式如圖7所示。

圖7 防凍脹處理措施5Fig.7 No.5 anti-frost heaving measure

本方式適用于基側(cè)和基底均有腐蝕性的塔位。根據(jù)具體塔位的地質(zhì)條件，本工程共94基塔位采用了這種處理方式。

(6)處理方式6:現(xiàn)澆開挖類基礎，基礎立柱采用玻璃鋼模板支模澆注，處理方式如圖8所示。

圖8 防凍脹處理措施6Fig.8 No.6 anti-frost heaving measure

該方案適用于僅基側(cè)土有凍脹性且無腐蝕的塔位。根據(jù)具體塔位的地質(zhì)條件，本工程共119基塔位采用了這種處理方式。

由以上分析可知，青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程綜合采用了常規(guī)基礎防凍脹措施并進行了適當改進，根據(jù)塔位的具體情況具體對待，達到了經(jīng)濟、安全、適用的目的。對于裝配式基礎，基柱采用錐柱形式，同時綜合采用了涂抹潤滑劑、換填渣油混粗砂、防滲土工材料包裹的方法，最大程度地降低了基側(cè)切向凍脹力。對于有水塔位的基底換填，采用了基地換填法，有效降低了基底法向凍脹力;對于現(xiàn)澆開挖類基礎，為了防止水化熱對基礎周邊凍土的擾動，采用玻璃鋼模板進行澆筑，玻璃鋼模板外表面光滑平順、憎水，削弱了凍土切向凍脹力。此外，對于換填渣油混粗砂的高度，只換填到地表下0.4m處而不是換填到頂，防止了渣油污染青藏高原的地表環(huán)境，達到了環(huán)保的目的。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了以往工程及規(guī)范中關于基礎防凍脹措施的要求，結(jié)合青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程線路基礎的特點，提出了6種防凍脹措施，達到了安全、經(jīng)濟、環(huán)保的目的。根據(jù)青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程具體塔位防凍脹措施的應用情況，證明了該工程防凍脹措施合理有效，為類似地質(zhì)條件下的輸電線路工程提供了實踐經(jīng)驗。

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