220kV輸電線路基礎(chǔ)選型及直柱全掏挖基礎(chǔ)優(yōu)化

王旭江

(山西意迪光華電力勘測設(shè)計有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

為了全面促進線路工程建設(shè)與自然生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，做好基礎(chǔ)選型和優(yōu)化設(shè)計就成為了設(shè)計人員面臨的重要課題。根據(jù)統(tǒng)計:輸電線路基礎(chǔ)工程本體造價費用約占總體的15%～20%，此外，輸電線路各個塔位的微地形相當復雜，工程建設(shè)會加劇自然環(huán)境的破壞，選擇合適的基礎(chǔ)型式并進行優(yōu)化設(shè)計對于滿足國網(wǎng)公司“兩型三新”的設(shè)計要求至關(guān)重要。

結(jié)合220kV輸電線路常用的基礎(chǔ)型式，對比分析各項技術(shù)經(jīng)濟指標，得出輸電線路基礎(chǔ)選型的基本原則，并對直柱全掏挖基礎(chǔ)的優(yōu)化應用作詳細分析。

1 基礎(chǔ)選型

1.1 各類基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟比較

根據(jù)沿線地形、地貌和地質(zhì)、水文情況，目前220kV輸電線路工程主要采用的基礎(chǔ)型式，大致可分為回填土基礎(chǔ)和原狀土基礎(chǔ)，回填土基礎(chǔ)主要有臺階式基礎(chǔ)、板式直柱基礎(chǔ)、板式斜柱基礎(chǔ)等;原狀土基礎(chǔ)主要有掏挖基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)等。根據(jù)臨縣變～興縣變220kVⅡ回送電線路工程實例，對2CG-ZMC2直線塔和2CGJC2轉(zhuǎn)角塔的各種基礎(chǔ)型式進行技術(shù)經(jīng)濟比較(見表1，表2)。

從各類基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟統(tǒng)計表中分析:在同等條件下，直線塔直柱全掏挖基礎(chǔ)比臺階式基礎(chǔ)、板式直柱基礎(chǔ)、板式斜柱基礎(chǔ)節(jié)省造價約36%，16%，12%;轉(zhuǎn)角塔節(jié)省造價約45%，44%，31%;經(jīng)濟效益顯著。尤其對于交通運輸條件不便，周邊環(huán)境植被茂密地區(qū)，承受作用力較大的轉(zhuǎn)角塔，采用該基礎(chǔ)型式充分體現(xiàn)了資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的理念。

表1 地基土為粘土和粉質(zhì)粘土可塑條件的直線塔單腿量與造價

表2 地基土為粘土和粉質(zhì)粘土可塑條件的轉(zhuǎn)角塔單腿量與造價

1.2 基礎(chǔ)選型的原則

1)充分考慮地形、地質(zhì)條件、交通運輸條件、目前已成熟的施工技術(shù)條件分析選擇合適的基礎(chǔ)型式;

2)在滿足設(shè)計、施工、運行安全的前提下，盡可能使基礎(chǔ)型式安全經(jīng)濟、注重環(huán)保;

3)線路通過軟弱地基、腐蝕性土等不良地質(zhì)地段時，應選擇特殊的基礎(chǔ)型式和防護措施并加以論證。

2 直柱全掏挖基礎(chǔ)的優(yōu)化分析

在設(shè)計基礎(chǔ)時，根據(jù)線路經(jīng)過區(qū)域的地質(zhì)條件和鐵塔基礎(chǔ)作用力，通過比較分析選擇合適的基礎(chǔ)型式，在基礎(chǔ)型式確定的基礎(chǔ)上，再進行基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計，充分利用原狀土和回填土的抗拔性能，優(yōu)化基礎(chǔ)的主柱埋深和柱截面尺寸，是使得工程造價控制在典設(shè)造價指標范圍以內(nèi)的主要手段之一。

控制基礎(chǔ)工程的本體造價就是減少鋼筋和混凝土的用量，優(yōu)化基礎(chǔ)尺寸，我們主要討論220kV線路中直柱全掏挖基礎(chǔ)的優(yōu)化，通過控制基底展開角，利用基礎(chǔ)埋深，合理選擇柱截面的尺寸，使得柱截面尺寸滿足受力安全合理和施工操作空間可行的要求，在不斷調(diào)試優(yōu)化計算的過程中，選擇最優(yōu)的平衡點，使得綜合費用最低。當然，基礎(chǔ)本體造價中鋼筋和混凝土用量是一對矛盾體，一方減少的同時另一方必然增加。

2.1 適用情況

1)適用于在施工中掏挖和澆筑混凝土時無水滲入基坑的粘性土中;2)適用于植被良好的地區(qū)，配合高低腿鐵塔，實現(xiàn)零降基面，保護生態(tài)環(huán)境;3)在線路通過不良地質(zhì)段，不適合采用該基礎(chǔ)。

2.2 直柱全掏挖基礎(chǔ)的設(shè)計原理和受力分析

通過鐵塔設(shè)計得出基礎(chǔ)所承受的作用力，根據(jù)工程地質(zhì)條件及基本參數(shù)，計算容許上拔承載力［FT］是否大于基礎(chǔ)所承受的上拔力，計算基底彎矩，得出地基壓力最大值Pmax是否在容許下壓承載力［ppr］范圍之內(nèi)，通過薄弱截面的選取，計算彎矩，驗算強度，得出配筋。在直柱全掏挖基礎(chǔ)的設(shè)計中，上拔穩(wěn)定計算和下壓穩(wěn)定計算充分利用了未擾動土體的自然特性，不僅具有良好的抗拔性能，而且具有較大的橫向承載力。但在計算上拔深度時應扣除表面非原狀土層的厚度，當?shù)孛嬗兄餐粱蚋翆訒r，一般扣除0.3 m，水稻田扣除0.5 m。

2.3 構(gòu)造要求

按照《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的要求，該基型在設(shè)計中應滿足以下構(gòu)造要求:

1)現(xiàn)場澆制的混凝土基礎(chǔ)，其混凝土強度等級一般不宜低于C15，保護層厚度不得小于40 mm;2)為保證鋼筋骨架的整體剛度，鋼筋接頭宜采用焊接接頭。一級鋼搭接長度ld≥30d，二級鋼搭接長度ld≥35d，縱向受力鋼筋的直徑不宜小于12 mm，凈距不應小于50 mm;3)為滿足人工掏挖的施工操作和確保施工中人身安全的要求，掏挖基礎(chǔ)的尺寸以基柱的直徑不小于0.8 m為宜;4)基底展開角θ0宜選擇45°，既滿足了剛性角的要求，也不會削弱土體的抗拔力。

2.4 直柱全掏挖基礎(chǔ)柱截面優(yōu)化設(shè)計

直柱全掏挖基礎(chǔ)柱截面的選擇在滿足構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)基柱嵌固深度確定選擇彈性或者剛性基柱的截面彎矩進行計算，復核截面強度，合理的主柱截面與埋深對工程造價控制至關(guān)重要?，F(xiàn)通過2CG-JC2轉(zhuǎn)角塔一組工程實例數(shù)據(jù)，對最優(yōu)柱截面進行計算分析，通過表3可繪制出柱截面與混凝土用量，柱截面與鋼筋用量的曲線見圖1，圖2。

表3 材料用量匯總表(一)

圖1 柱截面與混凝土用量關(guān)系曲線

圖2 柱截面與鋼筋用量關(guān)系曲線

2.5 直柱全掏挖基礎(chǔ)埋深優(yōu)化設(shè)計

對于直柱全掏挖基礎(chǔ)而言，基礎(chǔ)埋置越深，越能充分發(fā)揮原狀土抵抗上拔力的效果，在山區(qū)線路中，塔基地形高低起伏較大，甚至部分塔位邊坡陡峭，基礎(chǔ)埋入原狀土越深，塔基邊坡發(fā)生垮塌危及線路安全的事故率就會大大降低。

影響基礎(chǔ)埋深的主要因素包括:1)鐵塔基礎(chǔ)作用力;2)地基承載力的大小;3)地下水的埋置深度;4)基礎(chǔ)底板的強度;5)基礎(chǔ)施工工藝的要求。

現(xiàn)通過2CG-JC2轉(zhuǎn)角塔一組工程實例數(shù)據(jù)，對最優(yōu)埋深進行計算分析。

表4 材料用量匯總表(二)

通過表4可繪制出基礎(chǔ)埋深與混凝土用量，基礎(chǔ)埋深與鋼筋用量的曲線見圖3，圖4。

圖3 基礎(chǔ)埋深與混凝土用量關(guān)系曲線

圖4 基礎(chǔ)埋深與鋼筋用量關(guān)系曲線

2.6 綜合分析及實際應用

通過對直柱全掏挖基礎(chǔ)的柱截面和埋深優(yōu)化分析比較:

1)當柱截面逐漸增大時，混凝土量先減少，后增加;鋼筋用量呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢;兩者綜合平衡考慮，取柱截面1.0 m為最優(yōu)截面。2)當埋深逐漸加大時，混凝土用量逐漸減少，鋼筋用量逐漸遞增，兩者綜合平衡考慮，取基礎(chǔ)埋深3.2 m為最優(yōu)埋深。3)在運用基礎(chǔ)軟件計算中，通過反復試算尋找最優(yōu)平衡點，基礎(chǔ)埋深(H)=(4.4～4.6)柱截面直徑(B)時，基礎(chǔ)工程的本體造價最優(yōu)。

3 結(jié)語

220kV電壓等級的線路越來越普及，對于普通大開挖基礎(chǔ)造成的環(huán)境保護問題越來越突出，線路工程中本體造價指標居高不下也成為業(yè)主首要解決的問題，通過對不同基礎(chǔ)型式的技術(shù)經(jīng)濟比較，主推采用直柱全掏挖基礎(chǔ)，優(yōu)化了基礎(chǔ)主柱截面直徑和基礎(chǔ)埋深，減少了大面積的土石方開挖，綜合效益得到了顯著的提升，并指明了優(yōu)化設(shè)計的過程。

［1］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊［Z］.第2版.長春:國家電力公司東北電力設(shè)計院，2002.

［2］DL/T 5219-2005，架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］.