粘土層鐵塔基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王茂成，趙永春，劉樹華，楊忠波，郭松宇

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長(zhǎng)島宏園建筑安裝工程有限責(zé)任公司，山東 長(zhǎng)島 265800）

粘土層鐵塔基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

王茂成1，趙永春2，劉樹華1，楊忠波3，郭松宇1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺(tái)供電公司，山東 煙臺(tái) 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長(zhǎng)島宏園建筑安裝工程有限責(zé)任公司，山東 長(zhǎng)島 265800）

目前，粘土層35～220 kV直線塔基礎(chǔ)大多為柔性板式基礎(chǔ)和原狀土掏挖基礎(chǔ)。按照國家電網(wǎng)公司機(jī)械化施工的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要求，對(duì)110～220 kV直線塔在平原粘土層地質(zhì)條件下的剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。根據(jù)基礎(chǔ)作用力大小不同，原狀土掏挖基礎(chǔ)單位造價(jià)較臺(tái)階基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)節(jié)省，具體節(jié)省造價(jià)在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)呈正態(tài)分布；當(dāng)基礎(chǔ)上拔力小于臨界點(diǎn)時(shí)，宜選用剛性臺(tái)階基礎(chǔ)；當(dāng)基礎(chǔ)上拔力大于臨界點(diǎn)時(shí)，宜選用柔性板式基礎(chǔ)。

粘土層；剛性臺(tái)階基礎(chǔ)；柔性板式基礎(chǔ)；原狀掏挖基礎(chǔ)；臨界點(diǎn)

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司和各省電力公司在架空輸電線路可行性研究及初設(shè)審查階段，要求平原粘土層35～220 kV直線塔基礎(chǔ)為清一色的柔性板式基礎(chǔ)和原狀土掏挖基礎(chǔ)。2016年3月，為持續(xù)提升智能電網(wǎng)工程建設(shè)能力，提升施工技術(shù)水平，推進(jìn)施工企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，國家電網(wǎng)公司提出了推進(jìn)施工技術(shù)裝備創(chuàng)新和全過程機(jī)械化施工的工作要求。要求努力改變以人工為主的傳統(tǒng)施工方式，按照“先進(jìn)性、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”的原則，加強(qiáng)施工技術(shù)和裝備創(chuàng)新。要求全過程統(tǒng)籌兼顧，各專業(yè)協(xié)同配合，系統(tǒng)開展設(shè)計(jì)方法、技術(shù)裝備、施工工藝創(chuàng)新。在設(shè)計(jì)方面，形成滿足機(jī)械化施工的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；在施工裝備方面，形成系列化裝備及標(biāo)準(zhǔn)配置方案；在現(xiàn)場(chǎng)施工方面，形成全過程機(jī)械化施工的標(biāo)準(zhǔn)工藝。全面推進(jìn)物料運(yùn)輸、基礎(chǔ)開挖、混凝土澆筑、組塔架線、接地敷設(shè)等全過程機(jī)械化施工。

目前，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面，土層旋挖鉆機(jī)成孔原狀掏挖基礎(chǔ)［1-11］和錨桿鉆機(jī)巖層擴(kuò)底錨桿基礎(chǔ)［12-15］已得到全面推廣，效果顯著。然而，一些不便使用旋挖鉆機(jī)的直線塔位和轉(zhuǎn)角塔位以及地質(zhì)承載力較差的塔位，若選擇人工掏挖基礎(chǔ)，需要采取護(hù)壁裝置措施防止塌方傷人，工藝復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。以往采用的剛性臺(tái)階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)中，柔性板式基礎(chǔ)需要提前做基礎(chǔ)墊層，臺(tái)階與底板需人工配筋，工序繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，而剛性臺(tái)階基礎(chǔ)不需墊層和底板配筋，機(jī)械化施工程度相對(duì)較高。因此，有必要進(jìn)一步開展剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，得出既經(jīng)濟(jì)又便于機(jī)械化施工的最優(yōu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

1 粘土層鐵塔基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型

為貼近工程實(shí)際，基礎(chǔ)上拔力T以100～850 kN（公差50 kN）為基準(zhǔn)值，從2011年版國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)直線塔塔型中選擇了典型基礎(chǔ)作用力的塔型［16-17］，作為剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)（旋挖鉆機(jī)成孔）技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的模版。其中，1H2-SSZ3（39 m）模塊直線塔塔型的基礎(chǔ)作用力基本涵蓋了110 kV雙回轉(zhuǎn)角塔1D3-SJ3模塊和220kV雙回雙分裂直線塔塔型2E3-SZCK模塊的基礎(chǔ)作用力，不再單獨(dú)列舉110 kV雙回轉(zhuǎn)角塔1D3-SJ3及以下模塊和220 kV雙回雙分裂直線塔2E3-SZCK及以下模塊。水平作用力 Tx、Ty，下壓力 N、Nx、Ny以及基礎(chǔ)根開尺寸詳見文獻(xiàn)［16-17］，基礎(chǔ)作用力如圖1及表1所示。

圖1 基礎(chǔ)作用力

表1 典型通用設(shè)計(jì)塔型的基礎(chǔ)作用力

塔型模塊 直線塔型 呼稱高/m 基礎(chǔ)上拔力T/kN 1F3 SZ3 18 357.11 1F3 SZ3 36 403.73 1F3 SZK 33 462.94 1F3 SZK 42 503.02 1F3 SZK 51 540.14 1H1 SSZ1 36 592.88 1H2 SSZ1 21 646.90 1H2 SSZ1 33 703.60 1H2 SSZ2 33 755.70 1H2 SSZ3 30 807.30 1H2 SSZ3 840.90 39

2 計(jì)算條件

2.1 粘土層地質(zhì)條件及基礎(chǔ)原材料

為便于分析，假定塔位位于平原，地質(zhì)均按可塑粘土、承載力取值150 kPa、無地下水考慮?；A(chǔ)原材料：主筋采用HRB335（螺紋鋼），箍筋采用HPB300（圓鋼），基礎(chǔ)采用C25級(jí)混凝土，保護(hù)帽采用C15級(jí)，水泥采用42.5 MPa硅酸鹽水泥。根據(jù)以往施工和概算審查經(jīng)驗(yàn)，人力運(yùn)輸按平均運(yùn)距0.3 km，汽車運(yùn)輸按平均運(yùn)距10 km。

2.2 剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)埋深

對(duì)于220～500 kV線路雙回雙分裂及以上直線塔，隨著基礎(chǔ)埋深的增大，基礎(chǔ)材料量變化總的趨勢(shì)為先減少后增加，究其原因是：當(dāng)基礎(chǔ)埋深較淺時(shí)，此時(shí)上拔起控制作用，增大埋深可以有效地抵抗上拔，從而減小基礎(chǔ)底板的尺寸，降低基礎(chǔ)材料量；而當(dāng)基礎(chǔ)埋深較大時(shí)，此時(shí)上拔不再起控制作用，下壓成為控制因素，這時(shí)增大埋深反而會(huì)加大底板的下壓，從而引起基礎(chǔ)底板尺寸的增加，從而又導(dǎo)致了基礎(chǔ)材料量的上升。當(dāng)?shù)鼗休d力取120 kPa時(shí)，基礎(chǔ)埋深在3.5 m左右時(shí)基礎(chǔ)材料量最省，3.5 m之前基礎(chǔ)材料量隨著埋深的增加而降低，3.5 m之后則相反。當(dāng)?shù)鼗休d力取180 kPa時(shí)，基礎(chǔ)混凝土量隨著埋深的增加總體呈下降趨勢(shì)，埋深在4 m左右時(shí)基礎(chǔ)材料量最省。針對(duì)每種作用力和地質(zhì)條件一般都可選出最佳埋深。

對(duì)于110 kV線路1A3和1D3等模塊單/雙回單導(dǎo)線直線塔的基礎(chǔ)，因基礎(chǔ)作用力較小，基礎(chǔ)埋深在2.2～2.6 m左右時(shí)基礎(chǔ)材料量最省。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)架空輸電線路鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件（TLSD_TFD V3.0），對(duì)每種基礎(chǔ)按經(jīng)濟(jì)最優(yōu)設(shè)計(jì)，分別對(duì)16種剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)的施工圖設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)坑深、底板寬度、體積和鋼材匯總?cè)绫?所示。表2中的柔性板式基礎(chǔ)體積未含墊層體積（預(yù)算已考慮），基礎(chǔ)鋼材包括地腳螺栓重量。

表2 3種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 3種基礎(chǔ)單位造價(jià)及經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)，分別對(duì)16種剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)編制單位造價(jià)預(yù)算，匯總?cè)绫?所示。

由表3可知，無論基礎(chǔ)作用力大小，原狀掏挖基礎(chǔ)單位造價(jià)總是低于剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)，較臺(tái)階基礎(chǔ)節(jié)省24%～52%，較板式基礎(chǔ)節(jié)省32%～48%，呈正態(tài)分布；對(duì)于1F3-SZ2（21 m）塔型對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)作用力（T=303.75kN，Tx=29.53kN，Ty=23.11 kN），剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)的單位造價(jià)基本相同。當(dāng)基礎(chǔ)上拔力小于約300 kN時(shí)，剛性臺(tái)階基礎(chǔ)的單位造價(jià)低于柔性板式基礎(chǔ)；110 kV單回線路直線塔基礎(chǔ)費(fèi)用可節(jié)省10%以上，110 kV雙回單導(dǎo)線直線塔基礎(chǔ)費(fèi)用可節(jié)省4.7%～9.6%。當(dāng)基礎(chǔ)上拔力大于約300 kN時(shí)，柔性板式基礎(chǔ)的單位造價(jià)低于剛性臺(tái)階基礎(chǔ)，110 kV同塔四回單導(dǎo)線線路直線塔基礎(chǔ)費(fèi)用可節(jié)省7.8%～17.5%；當(dāng)基礎(chǔ)上拔力為350～400 kN時(shí)，板式基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)并不明顯，即110 kV雙回雙分裂導(dǎo)線線路基礎(chǔ)費(fèi)用，與柔性板式基礎(chǔ)相差不大。顯然，并非柔性板式基礎(chǔ)的單位造價(jià)總是低于剛性臺(tái)階基礎(chǔ)，這為以后基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)。剛性臺(tái)階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)單位造價(jià)對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)上拔力的臨界點(diǎn)是在一定的條件下得出的；當(dāng)工地運(yùn)輸?shù)葪l件發(fā)生變化，基礎(chǔ)上拔力臨界點(diǎn)也將略微改變；若人力運(yùn)輸按0.1 km考慮或不發(fā)生人力運(yùn)輸，臺(tái)階基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性更為明顯。3種基礎(chǔ)單位造價(jià)曲線如圖2所示，基礎(chǔ)主柱、底板寬度與厚度的設(shè)計(jì)尺寸選擇是基礎(chǔ)單位造價(jià)曲線不光滑的原因。

山東省的鐵塔設(shè)計(jì)條件基本在海拔1 000 m及以下，覆冰厚10 mm，基本設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s，2011年版國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)110 kV直線塔型模塊大多選擇 1A3、1B2、1C2、1D3、1F3 和 1H2 模塊，220 kV直 線 塔 型 模 塊 大 多 選 擇 2A1、2B2、2D1、2E3、2F3、2K1模塊。根據(jù)鐵塔基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)論，可以進(jìn)一步梳理出分別適于剛性臺(tái)階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)的2011年版國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)直線塔模塊塔型，如表4和表5所示。

表4 適用于剛性臺(tái)階基礎(chǔ)的直線塔型

表5 適用于柔性板式基礎(chǔ)的直線塔型

圖2 3種基礎(chǔ)單位造價(jià)曲線

由表4可知，除1D3-SZK、1F3-SZ3和1F3-SZK雙回直線塔外，110 kV單/雙回直線塔和220 kV單回直線塔均宜采用剛性臺(tái)階基礎(chǔ)；由表5可知，除2E3-SZ1和2F3-SZ1雙回直線塔外，110 kV四回直線塔和220 kV雙回直線塔均宜采用柔性板式基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)上拔力臨界點(diǎn)附近±20 kN的偏差對(duì)基礎(chǔ)造價(jià)影響很小，尤其臺(tái)階基礎(chǔ)具有不需設(shè)基礎(chǔ)墊層和底板鋼筋網(wǎng)、機(jī)械化施工程度高、工期縮短2天的特點(diǎn)，因此，表4中 1F3-SZ2（30m）、2A1-ZMK（54 m）、2B3-ZMK（51 m）和表5中 2D1-SZ1（18 m）的基礎(chǔ)型式也可按臺(tái)階基礎(chǔ)考慮。

4 結(jié)語

無論110～220 kV鐵塔基礎(chǔ)作用力大小，原狀掏挖基礎(chǔ)較剛性臺(tái)階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)節(jié)省24%～52%，呈正態(tài)分布，經(jīng)濟(jì)性非常明顯；剛性臺(tái)階基礎(chǔ)與柔性板式基礎(chǔ)相比，具有不需設(shè)基礎(chǔ)墊層、人工綁扎底板鋼筋網(wǎng)、機(jī)械化施工程度高和工期縮短2天的特點(diǎn)。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，剛性臺(tái)階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)存在單位造價(jià)或基礎(chǔ)上拔力臨界點(diǎn)；小于基礎(chǔ)上拔力臨界點(diǎn)，宜采用剛性臺(tái)階基礎(chǔ)，大于基礎(chǔ)上拔力臨界點(diǎn)，宜采用柔性板式基礎(chǔ)。

［1］魯先龍，程永鋒.我國輸電線路基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀與展望［J］.電力建設(shè)，2005，26（11）：25-27，34.

［2］牛建榮.簡(jiǎn)述鐵塔基礎(chǔ)形式的選擇［J］.山西建筑，2009，35（29）：108-109.

［3］姜清華.黃岡電網(wǎng)輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型分析［J］.湖北電力，2010，34（S1）：121-122.

［4］鐘維軍，龐紅旗.山地輸電鐵塔掏挖式、巖石嵌固式與板式基礎(chǔ)的比較分析［J］.浙江電力，2013，32（7）：15-17.

［5］王旭江.220 kV輸電線路基礎(chǔ)選型及直柱全掏挖基礎(chǔ)優(yōu)化［J］.山西建筑，2013，39（11）：65-67.

［6］肖宇，楊磊.山區(qū)輸電線路常規(guī)基礎(chǔ)造價(jià)對(duì)比分析［J］.電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2015（3）：74-80.

［7］趙奎運(yùn)，王寒梅，肖宇.輸電線路常用基礎(chǔ)選型經(jīng)濟(jì)比較分析研究［J］.中國電力企業(yè)管理，2016（1）：94-96.

［8］魯先龍，楊文智，童瑞銘，等.輸電線路掏挖基礎(chǔ)抗拔極限承載力的可靠度分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（1）：9-15，44.

［9］魯先龍，程永鋒，包永忠，等.桿塔掏挖基礎(chǔ)抗拔研究進(jìn)展及其設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂［J］.中國電力，2013，46（10）：53-59.

［10］魯先龍，乾增珍，崔強(qiáng).黃土地基掏挖擴(kuò)底基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2014，35（3）：647-652.

［11］丁士君，程永鋒，魯先龍.露頭高度對(duì)掏挖基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性影響分析［C］//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力土建專委會(huì)"低碳經(jīng)濟(jì)與電力土建"學(xué)術(shù)交流會(huì)，2011.

［12］程永鋒，魯先龍，丁士君，等.掏挖與巖石錨桿復(fù)合型桿塔基礎(chǔ)抗拔試驗(yàn)與計(jì)算［J］.電力建設(shè)，2012，33（3）：6-10.

［13］程永鋒，魯先龍，鄭衛(wèi)鋒.輸電線路工程巖后錨桿基礎(chǔ)的應(yīng)用［J］.電力建設(shè)，2012，33（5）：12-16.

［14］鄭衛(wèi)鋒，魯先龍，程永鋒，等.輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)工程臨界錨固長(zhǎng)度的研究［J］.電力建設(shè)，2009，30（9）：12-14.

［15］丁士君，魯先龍.輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)載荷試驗(yàn)［J］.電力建設(shè)，2010，31（11）：1-5.

［16］國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)—110（66）kV輸電線路分冊(cè)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［17］國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)—220 kV輸電線路分冊(cè)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

The Techno-economic Analysis of the Tower Foundation in Argillaceous Layer

WANG Maocheng1，ZHAO Yongchun2，LIU Shuhua1，YANG Zhongbo3，GUO Songyu1
（1.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.Energy Explorer Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210009，China；3.Changdao County Hong-yuan Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Changdao 265800，China）

At present，most foundations of the 110～220 kV straight line towers in argillaceous layer are either identical rigid benched foundation or undisturbed soil undercut foundation.Techno-economic analysis is carried out for the flexible mat foundation，rigid benched foundation and undisturbed soil undercut foundation of 110～220 kV straight line tower built in plain argillaceous layer according to mechanical construction standard of the State Grid.According to the difference of the applied forces，the unit cost of undisturbed soil undercut foundation is lower than flexible mat foundation and rigid benched foundation.The saving rate is of a normal distribution shape from the statistical data.When the foundation uplift is smaller than the critical point，the flexible mat foundation should be selected；when the foundation uplift is greater than the critical point，the rigid benched foundation should be selected.

the argillaceous layer；flexible mat foundation；rigid benched foundation；undisturbed soil undercut foundation；the critical point

TM752

A

1007－9904（2017）10－0040－05

2017-04-13

王茂成（1964），男，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；趙永春（1981），男，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作；劉樹華（1987），男，從事輸電線路技經(jīng)工作；楊忠波（1975），男，從事輸電線路施工工作；郭松宇（1981），男，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。