高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計及其優(yōu)化

陶冶

摘要：高壓鐵塔是輸電線路的重要支撐設(shè)施，其基礎(chǔ)構(gòu)造與輸電線路的穩(wěn)定運行直接相關(guān)，因此從電力輸電安全角度來講，輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計研究具有重要作用。據(jù)此，本文結(jié)合影響高壓鐵塔基礎(chǔ)選型的因素，淺析高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計及其優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：輸電線路；鐵塔；基礎(chǔ)設(shè)計

中圖分類號：TM72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

0引言

我國輸電線路建設(shè)的升級增加了高壓鐵塔的承重荷載，從而影響了鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性。鐵塔基礎(chǔ)一般易受滑坡、水文地質(zhì)等非人為因素及施工工藝不良、設(shè)計方案欠合理等人為因素的影響，即可能造成鐵塔基礎(chǔ)沉降、位移或變形，甚至引起鐵塔倒塌。輸電線路工程中的人力消耗、材料、進度和造價等的占比較大。據(jù)此，在高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)工程中，應(yīng)針對不同的影響因素，選取相應(yīng)的鐵塔基礎(chǔ)型式。分別針對在軟土地基與巖石地基環(huán)境下，高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型的設(shè)計與優(yōu)化。

1軟弱地基環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)選型的優(yōu)化設(shè)計

輸電線路工程應(yīng)按既定的路徑敷設(shè)線路，因此鐵塔將不可避免地分布在地質(zhì)條件復(fù)雜的環(huán)境中，應(yīng)根據(jù)輸電線路鐵塔的受力特征，解析其基礎(chǔ)型式的經(jīng)濟性和安全性。根據(jù)實踐經(jīng)驗，影響高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型的因素包括：鐵塔所在位置所決定的土力學(xué)性質(zhì)；鐵塔與基礎(chǔ)的相互作用和受力變形特征。因此，在聯(lián)合式高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計中，應(yīng)明確鐵塔基礎(chǔ)的受力規(guī)律。

1.1基礎(chǔ)的受力規(guī)律

針對聯(lián)合式輸電線路鐵塔基礎(chǔ)，其主要特征是埋深淺，因此可通過整體澆制基礎(chǔ)來解決板式基礎(chǔ)上撥、基坑開挖難度大及基礎(chǔ)根開小等問題，且應(yīng)先確定高壓鐵塔基礎(chǔ)受力的規(guī)律，即利用ANSYS有限元軟件分析高壓鐵塔基礎(chǔ)的荷載，由此得到基礎(chǔ)底部邊緣所受上部荷載壓力的最大值，此時基礎(chǔ)底部所受拉應(yīng)力最大，究其原因是鐵塔基礎(chǔ)的主要制作材料一般為鋼筋混凝土，而其剛度與土壤的差別較大。據(jù)分析，土體位移點的最大值出現(xiàn)在基礎(chǔ)底部，且高壓鐵塔基礎(chǔ)底部中心點到土層的距離與其沉降位移量呈反比，但無論土層如何加深，應(yīng)力依然存在。據(jù)此，若將聯(lián)合式基礎(chǔ)應(yīng)用在軟弱土塔位中，則應(yīng)先準確計算出土層地基的承載力，并標明鐵塔基礎(chǔ)底部的尺寸；而若將其應(yīng)用在土層較硬的環(huán)境中，鐵塔基礎(chǔ)下部極易出現(xiàn)受壓、彎曲等問題，則在高壓鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)先詳細勘察線路敷設(shè)沿線的地質(zhì)情況，然后再據(jù)此確定配筋比例，以免配筋偏差破壞鐵塔基礎(chǔ)。

1.2目標函數(shù)

綜上分析，輸電線路沿線的地質(zhì)條件及鐵塔基礎(chǔ)所受的外力將會對鐵塔基礎(chǔ)的選型產(chǎn)生影響，而一旦將塔型和塔距確定，便可確定鐵塔基礎(chǔ)所受的承載力。其中，鐵塔基礎(chǔ)的尺寸和型式取決于其所在地土層的特性，而鐵塔基礎(chǔ)承載力的標準值則可通過土層參數(shù)加以確定，注意根據(jù)土層參數(shù)所得的基礎(chǔ)深度與寬度修正系數(shù)、底板上土的加權(quán)重度均值、地面下土的重度、基礎(chǔ)埋深與基礎(chǔ)的承載力特征值相關(guān)，即基礎(chǔ)承載力的特征值應(yīng)比由鐵塔基礎(chǔ)荷載所決定的基礎(chǔ)自重力大。據(jù)此可得，目標函數(shù) ，其中， 表示基礎(chǔ)承載力特征值的修整值； 表示基礎(chǔ)承載力的標準值； 表示基礎(chǔ)寬度的修正系數(shù)； 表示基礎(chǔ)深度的修正系數(shù)； 表示地面下土的重度； 表示底板上土加權(quán)重度的平均值； 表示基礎(chǔ)寬度； 表示基礎(chǔ)的埋深。根據(jù)這一目標函數(shù)可知，應(yīng)通過詳細勘察，準確確定鐵塔基礎(chǔ)的持力層所在，這是優(yōu)化高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計的重要條件。

1.3工程概況

在某輸電線路鐵塔基礎(chǔ)工程中，廣泛分布有軟土層，且通過對線路沿線的地質(zhì)情況進行勘察發(fā)現(xiàn)，其土層的物理指標如表1所示。

根據(jù)表1所示的土層物理指標，并結(jié)合前文所述的鐵塔基礎(chǔ)受力特征及據(jù)此所建立的目標函數(shù)，可確定將聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)應(yīng)用在本工程中具有可行性。另據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，該輸電線路鐵塔基礎(chǔ)的持力層應(yīng)選在第二層，即粉砂層，而據(jù)此便可確定鐵塔基礎(chǔ)的埋深和尺寸。

綜合上述內(nèi)容，與獨立式鐵塔基礎(chǔ)相比，聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)具有整體性好和穩(wěn)定性高的優(yōu)點，同時根據(jù)這一地區(qū)軟土層分布廣泛且線路為中等荷載的條件，最終確定選擇聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)。但在鐵塔基礎(chǔ)選型中，首先應(yīng)算出基礎(chǔ)的承載力及優(yōu)選控制數(shù)值，聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)的承載力一般應(yīng)小于設(shè)計值的4/5；其次，在軟土層上，聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)的埋深較淺，則這一做法既可提高基礎(chǔ)的排水效果，又可提高原地基表層原狀土硬殼層在整個工程中的作用。另外，在軟弱土層上，聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)易因內(nèi)、外在因素的影響而出現(xiàn)沉降量累積。其中，在內(nèi)在因素的影響下，鐵塔基礎(chǔ)易發(fā)生下列兩種變形：一是由鐵塔負載分布失衡引起的合理變形，其是一種合理的鐵塔形態(tài)位移，且其會在時間的推進中不斷趨于穩(wěn)定；二是鐵塔施工負載分布偏離設(shè)計分布所致的變形，一般從局部上來看，這種變形的危害較小，但從變形的累積效應(yīng)而言，其將會嚴重威脅鐵塔的安全。在外在因素的影響下，鐵塔易發(fā)生如下變形：一是基礎(chǔ)變形，即基礎(chǔ)土壤在鐵塔的重力壓實作用下發(fā)生沉降；二是由風(fēng)力因素、季節(jié)性地下水變化、周期性溫度變化和地基構(gòu)造不均等所致的地基沉降。據(jù)此，針對初次用到的鐵塔基礎(chǔ)，應(yīng)先分析和計算其變形情況，應(yīng)將其最大壓力側(cè)變形幅值控制在20mm以內(nèi)，以免地基沉降變形引發(fā)局部開裂等質(zhì)量問題。

2巖石地基環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)選型的優(yōu)化設(shè)計

某500kV線路沿線分布了大量存在嚴重風(fēng)化的裸露基巖，且這些巖石的類型包括凝灰?guī)r、石炭系砂巖、花崗巖和砂頁巖等。在真型試驗中，決定選取兩種巖石基礎(chǔ)為測量點，即Y40、Y40+2.5，其中Y40區(qū)為巖體風(fēng)化嚴重的砂頁巖結(jié)構(gòu)，且其表層覆有厚約50mm的基土，而Y40+2.5區(qū)分布有淺灰色的石炭系砂巖，且其表層夾雜了風(fēng)化沙礫。據(jù)此，該線路沿線以巖石地質(zhì)為主，具體為風(fēng)化嚴重的軟質(zhì)巖石，則選用Y型嵌固式鐵塔。一般而言，巖石嵌固基礎(chǔ)的穩(wěn)定性主要取決于上撥力，而利用巖石表面等垂直分量可抵消這一上撥力，其中在這些垂直分量中存有極限強度 。因此，在巖石地基環(huán)境下，高壓輸電線路鐵塔基礎(chǔ)的承重與尺寸設(shè)計應(yīng)突出對 （kN/m2）的控制。

通常而言，Y倒錐體側(cè)的表面積 ，則巖石極限抗剪力的垂直分量 ，由于鐵塔基礎(chǔ)的上撥力應(yīng)比巖石極限抗剪力的垂直分量小，則可得 。在上述函數(shù)式中， 表示基礎(chǔ)上撥的安全系數(shù)； 表示基礎(chǔ)設(shè)計上撥力，kN； 表示基礎(chǔ)的預(yù)埋深度，m； 表示Y型基礎(chǔ)底部的直徑，m。據(jù)此，便可設(shè)計出測試點Y40與Y40+2.5處的開挖尺寸，詳見表2。

參照表2所示參數(shù)開展鐵塔基礎(chǔ)施工，并在鐵塔基礎(chǔ)竣工后，用500t油壓千斤頂、應(yīng)變測量儀和靜載儀測量基礎(chǔ)。測量結(jié)果表明，測試點Y40和Y40+2.5在4200kN上撥力條件下的位移量很小，則可確定表2所示的設(shè)計參數(shù)滿足工程要求。

3結(jié)語

為了保證輸電線路的可靠運行，應(yīng)結(jié)合實際優(yōu)化鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計，并針對不同的地質(zhì)條件，制定針對性的處理方案和基礎(chǔ)設(shè)計方案。本文根據(jù)影響高壓輸電線路鐵路基礎(chǔ)選型的因素，淺析了聯(lián)合式基礎(chǔ)在軟土地基環(huán)境中的應(yīng)用，然后再簡要論述了Y型嵌固式在巖石地基環(huán)境中的應(yīng)用，注意無論采用何種型式，在設(shè)計中，都應(yīng)先開展線路沿線地質(zhì)勘察，并根據(jù)勘察結(jié)果分析鐵塔基礎(chǔ)的受力特征，最后再采用相關(guān)函數(shù)對其設(shè)計參數(shù)加以優(yōu)化，以保證鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定級輸電線路安全運行。

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