輸電線路基礎(chǔ)形式選擇及優(yōu)化

閆芳芳，張 斌，王 婼

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西太原030001；2.北京恒華華偉業(yè)科技股份有限公司，山西太原030001）

1 引言

輸電線路途徑地質(zhì)條件比較復(fù)雜，基礎(chǔ)方案選擇的優(yōu)劣直接影響基礎(chǔ)的安全和工程量指標(biāo)，因此對(duì)各種基礎(chǔ)型式的受力特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析和比較至關(guān)重要。

2 輸電線路工程常見(jiàn)桿塔基礎(chǔ)形式

2.1 臺(tái)階式基礎(chǔ)

線路途經(jīng)溝谷、低洼地帶，地下水位較高地段為了方便施工，選用混凝土臺(tái)階式基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)雖混凝土耗量較鋼筋砼板式基礎(chǔ)高，但耗鋼量較?。挥械叵滤畷r(shí)，使用砼臺(tái)階式基礎(chǔ)可避免在水中編排鋼筋，排水過(guò)程中可快速澆注混凝土，施工方便。同等埋深下，混凝土體積大，浮自重較鋼筋砼板式基礎(chǔ)重，容易滿足基礎(chǔ)上拔要求，與底板配筋的鋼筋砼板式基礎(chǔ)相比，可以適當(dāng)淺埋。

2.2 板式直柱基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)型式是國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式之一。其特點(diǎn)是開(kāi)挖方便、可進(jìn)行淺埋，在較易出線流沙或者地下水位較高的地基中應(yīng)用居多，能避免基坑坍塌的危險(xiǎn)，還可降低深挖水坑的工作難度。底板寬度與高度不受剛性角的限制，寬高比可增至2.5倍。且混凝土耗量較臺(tái)階式基礎(chǔ)小，自重輕，可減小對(duì)地基的下壓力。由于它底板配有鋼筋，柔性較大，抗變形能力強(qiáng)，不易斷裂，總體抗地基變形能力強(qiáng)。但底板面積較大，基坑土石方量稍高。

2.3 板式斜柱基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)型式是國(guó)內(nèi)外通用的基礎(chǔ)型式之一，是板式基礎(chǔ)的特殊型式。其主要特點(diǎn)是：基礎(chǔ)立柱坡度與塔腿主材坡度一致，塔腿主材（角鋼或鋼管）直接插入底板，可減少基礎(chǔ)柱頂水平力，降低立柱正截面強(qiáng)度，縮小立柱斷面。底板雙向配筋，底板較薄，臺(tái)階寬高比可擴(kuò)大至2.5，底板面積較大，適宜基礎(chǔ)淺埋和加大上拔土體而增加基礎(chǔ)抗拔能力。與鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)相比，由于省去了塔腳板和地腳螺栓，其鋼材的綜合指標(biāo)降低了25%左右，造價(jià)低15%。從經(jīng)濟(jì)角度看宜優(yōu)先采用此種基礎(chǔ)型式，但基坑開(kāi)挖土石方量較大，對(duì)塔位基面有一定破壞。該基礎(chǔ)型式主要適用于不能掏挖成型的粉土、砂土、碎石坡積土及地下水水位較淺地段上的各類(lèi)型主材鐵塔，四腿基柱可不等高布置。

2.4 巖石嵌固基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)型式適用于強(qiáng)風(fēng)化巖石地區(qū)，將所需的基坑直接挖在巖石地基中，將鋼筋骨架放入基坑當(dāng)中，直接在基坑澆筑桿塔基礎(chǔ)，使混凝土與巖石粘結(jié)成一體，充分利用了巖石本身的抗剪強(qiáng)度，來(lái)達(dá)到牢固的作用。采用該基礎(chǔ)型式對(duì)降低工程造價(jià)和縮短施工工期有重要意義。

2.5 掏挖式基礎(chǔ)

該基礎(chǔ)充分利用了原狀土抗拔力大或巖石自身的力學(xué)性能好的優(yōu)勢(shì)，提高基礎(chǔ)的抗拔、抗傾覆承載能力。從而節(jié)省基礎(chǔ)混凝土和鋼材的耗量，基坑土方量也大幅降低，施工過(guò)程省去了支模、拆模、回填等工作。

該基礎(chǔ)方便加高主柱并配合長(zhǎng)短腿使用，達(dá)到就地開(kāi)挖基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)山區(qū)零降基面的目標(biāo)。在基巖地段該基礎(chǔ)可加長(zhǎng)主柱直接穿過(guò)覆蓋層，擴(kuò)大了巖石基礎(chǔ)的使用范圍。

此類(lèi)基礎(chǔ)主要用于普通土（無(wú)地下水）和巖石地基上的直線塔采用掏挖式基礎(chǔ)。

2.6 人工挖孔基礎(chǔ)

這種基礎(chǔ)能利用側(cè)壁摩阻力承受上拔荷載，并且深度修正可提高地基的地耐力、增強(qiáng)基礎(chǔ)的下壓穩(wěn)定性，可減小塔基發(fā)生淺表性垮塌的機(jī)率。另外樁基礎(chǔ)露頭高度可以靈活調(diào)節(jié)（露頭可以達(dá)到3～4m），減少了基面開(kāi)方量與護(hù)坡量，從而最大限度的減少了對(duì)地表植被和周?chē)h(huán)境的破壞和污染。這種基礎(chǔ)主要用在坡度較陡、場(chǎng)地狹窄、采用其他基礎(chǔ)開(kāi)方量很大的山區(qū)塔位，施工時(shí)要做好混凝土護(hù)壁以保證施工安全。

2.7 灌注樁基礎(chǔ)

鉆孔灌注樁是一種深基礎(chǔ)型式，以其適應(yīng)性強(qiáng)、成本適中、后期質(zhì)量穩(wěn)定、承載力大等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用輸電線路工程中。對(duì)于線路無(wú)法避讓的水域或是洪水漫堤沖刷深度較大的塔位鉆孔灌注樁是最好的選擇。鉆孔灌注樁有單樁、雙樁承臺(tái)、多樁承臺(tái)和四樁連梁等多種形式，在實(shí)際設(shè)計(jì)上要根據(jù)地質(zhì)情況和基礎(chǔ)作用力做方案比較，以取得經(jīng)濟(jì)性和安全合理性的最佳結(jié)合。灌注樁基礎(chǔ)不需要大開(kāi)挖，施工時(shí)處理好泥漿就不會(huì)對(duì)環(huán)境和農(nóng)田造成影響。

3 基礎(chǔ)優(yōu)化

基礎(chǔ)優(yōu)化包括基礎(chǔ)材料選擇、基礎(chǔ)尺寸優(yōu)化、鐵塔與基礎(chǔ)連接方式的優(yōu)化以及基礎(chǔ)作用力優(yōu)化。

3.1 嵌固基礎(chǔ)配筋優(yōu)化

嵌固基礎(chǔ)的配筋方式主要有以下兩種：（1）地腳螺栓按常規(guī)設(shè)置，基礎(chǔ)配主筋、箍筋；（2）地腳螺栓直接通到基礎(chǔ)底部，僅對(duì)地腳螺栓進(jìn)行構(gòu)造配置箍筋。

兩種基礎(chǔ)型式尺寸相同、混凝土量相同，且配筋均能夠滿足結(jié)構(gòu)的要求，區(qū)別在于其制造、施工工藝以及材料的單價(jià)，按照基礎(chǔ)鋼筋單價(jià)2500元/噸、地腳螺栓單價(jià)5000元/噸計(jì)算，以某500kV直線塔為例，兩者的指標(biāo)分析見(jiàn)下表：

基礎(chǔ) 基礎(chǔ)鋼材（kg） 造價(jià)（萬(wàn)元）優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)地腳螺栓鋼筋嵌固式基礎(chǔ)① 1360 3163 1.47施工工藝簡(jiǎn)單；單價(jià)底。主柱需配筋。嵌固式基礎(chǔ)② 4080 110.2 2.07 主柱不需配筋。單價(jià)高；地螺過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)運(yùn)輸難。

由以上分析可知：嵌固式基礎(chǔ)①施工工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)運(yùn)輸方便，節(jié)省造價(jià)30%左右

3.2 基礎(chǔ)尺寸優(yōu)化

現(xiàn)以一直線塔采用板式斜柱基礎(chǔ)為例，進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)何尺寸優(yōu)化：

地質(zhì)條件：粉土；γ＝16kN/m3；α＝20°；fk＝130kPa

采用的方法是：起始變量首先以臺(tái)階寬高比達(dá)到2.5開(kāi)始，先以100mm為模數(shù)依次增加基礎(chǔ)主柱高度，通過(guò)減小臺(tái)階寬度從而減小底板寬度，直至底板寬高比為2.0為止，優(yōu)化過(guò)程中主柱寬度應(yīng)盡量小。

經(jīng)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：方案1～方案11隨基礎(chǔ)逐步增大基礎(chǔ)埋深，降低底板寬度，混凝土耗量和鋼材耗量基本為線形遞減，由于基礎(chǔ)作用力較大，基礎(chǔ)底板寬度再減小時(shí)混凝土臺(tái)階抗拉受控，基礎(chǔ)底面尺寸無(wú)法減小繼續(xù)優(yōu)化。優(yōu)化基礎(chǔ)幾何尺寸時(shí)，在立柱寬度滿足構(gòu)造要求的前提下，調(diào)整底板寬度和基礎(chǔ)埋深。由上表可以得出，通過(guò)基礎(chǔ)埋深、主柱寬度、底板寬度和厚度的優(yōu)化，可有效降低基礎(chǔ)的造價(jià)指標(biāo)。

3.3 基礎(chǔ)作用力優(yōu)化

線路中耐張塔的使用數(shù)量比直線塔少，但其基礎(chǔ)作用力大，基礎(chǔ)工程量高，對(duì)基礎(chǔ)工程量單公里指標(biāo)的影響較大。

轉(zhuǎn)角塔主要承受導(dǎo)線和地線的張力，因此基礎(chǔ)作用力的大小直接與轉(zhuǎn)角度數(shù)有關(guān)系。在鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)角塔按角度進(jìn)行塔型劃分。但基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用鐵塔設(shè)計(jì)相同的轉(zhuǎn)角劃分會(huì)導(dǎo)致一定程度的浪費(fèi)。比如II型轉(zhuǎn)角塔，20度基礎(chǔ)作用力較30度減少10%左右，若按30度的基礎(chǔ)作用力設(shè)計(jì)，明顯是不合適的。因此在轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，將按其實(shí)際使用角度計(jì)算基礎(chǔ)作用力并按該作用力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)量節(jié)省3%～8%。

基礎(chǔ)幾何尺寸優(yōu)化（單腿量）

4 結(jié)束語(yǔ)

從混凝土用量看，原狀土基礎(chǔ)比大開(kāi)挖基礎(chǔ)用量小。

從環(huán)保及適應(yīng)地形的角度看，原狀土基礎(chǔ)可以很好的適應(yīng)地形，做到零基面施工；而板式基礎(chǔ)無(wú)法很好的適應(yīng)山區(qū)地形，且土石方量巨大，不環(huán)保經(jīng)濟(jì)。

從施工難度來(lái)看，板式基礎(chǔ)開(kāi)方量大，在巖石地段開(kāi)鑿基坑施工難度大；巖石嵌固基礎(chǔ)及人工挖孔樁基礎(chǔ)在風(fēng)化程度高的巖石地基段，施工難度較小，但在巖石完整性好的地段，施工難度同樣較大。