山區(qū)輸電線路轉角塔壓力型錨索承臺基礎研究

麻 堅，袁建國，應 健，肖志鵬，呂 慶，王真理

（1.金華電力設計院，浙江 金華 321016；2.國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017；3.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

輸電塔是輸電線路穿越山地丘陵等復雜環(huán)境的關鍵電力設備，其基礎型式是否合理關系到輸電工程建設成本，而且一旦出現問題，將對電網安全構成威脅，甚至誘發(fā)重大事故。 因此，輸電塔基礎的選型和設計是高壓輸電線路設計中的重要內容[1-2]。

長距離輸電線路在山區(qū)不可避免地會遇到復雜的地形和地質條件，使得鐵塔基礎依存的地基性狀差異極大。 地形條件、地質環(huán)境、地基承載力和鐵塔所受荷載是基礎選型和設計的關鍵因素[3-4]。 輸電線路中的轉角塔，受力不對稱，其上拔工況是鐵塔基礎設計中的控制性荷載[5]。 尤其，對于大角度轉角塔，荷載大，對基礎的抗拔承載力要求高。 我國東南沿海山區(qū)存在大量的覆蓋層厚、下覆基巖工程性狀好的復合地層。 對于這類“上土下巖”的二元結構復合地層，目前一般的鐵塔基礎設計方案，如板式基礎[6]，通過增加基礎埋深，利用基礎的覆土和自重來提供抗拔力。 對于上拔荷載高的大角度轉角塔，需深挖深埋才能滿足抗拔設計要求，不僅將大大增加土石方開挖量，破壞生態(tài)環(huán)境，而且需擴大承臺尺寸，增加混凝土、鋼材等材料用量和運輸成本，提高基礎造價。 而普通巖石錨桿基礎[7-8]一般用于下覆基巖較淺的情況，對于覆蓋層較厚的地層，由于錨桿長度限制，為了使錨桿錨固到下覆基巖層，需增加基礎埋深，造價高、不經濟。 此外，普通巖石錨桿基礎多為傳統(tǒng)的全長粘結型錨桿，受到錨桿材料強度、直徑以及錨桿、巖體與砂漿粘結力影響，其抗拔承載力有限，需要布置較多數量的錨桿才能滿足較大上拔與水平荷載的大角度轉角塔的受力需求。

針對上述覆蓋層較厚的“上土下巖”復合地層，本文提出了一種適用于山區(qū)輸電線路轉角塔的壓力型錨索承臺基礎。 采用高強度鋼絞線（抗拉強度1 860 MPa）作為錨索材料。 通過錨固板擠壓受力使得內錨固端處于受壓狀態(tài)，獲得較高單根錨索的抗拔承載力。 由于錨索為柔性材料，可以由鉆孔穿過厚覆蓋層錨入基巖，充分利用下覆基巖的錨固性能，提供穩(wěn)定、可靠的抗拔力，因此更適合具有厚覆蓋土的地層條件。 此外，通過傾斜方式對稱布置，可滿足基礎的豎向抗拔承載力和側向抗滑穩(wěn)定性。 而基礎承臺僅需滿足下壓承載力要求即可，大大縮小承臺尺寸和埋深，減少基礎土石方開挖量，縮短工期，降低鋼砼材料用量和運輸需求，不僅有利于保護環(huán)境，而且降低了基礎造價。

1 壓力型錨索承臺基礎

1.1 壓力型錨索承臺基礎型式

壓力型錨索承臺基礎由錨索和承臺兩部分組成，如圖1 所示。 錨索采用高強度、低松弛鋼絞線。 錨固段采用壓力型內錨結構代替全長粘結的拉力型錨桿。 錨索可傾斜對稱布置，穿過覆蓋層錨入基巖，能有效提高基礎的抗拔和抗水平承載力。 錨索傾斜對稱布置不僅可以提供抗水平承載力，而且還能解決內錨段的群錨效應問題。 承臺采用板式基礎，由下壓荷載和地基承載力控制其埋深和尺寸，相比于常規(guī)的板式基礎，由于無需考慮上拔工況，可大大縮小基礎底板尺寸和所需埋深，減少基礎開挖量及對環(huán)境的破壞，經濟環(huán)保。

圖1 壓力型錨索承臺基礎結構

采用壓力型錨索來代替拉力型錨索的目的在于：拉力型錨索的內錨固段由于采用全長粘結的錨固方式和傳力機制，在上拔荷載作用下，注漿體在錨索受拉變形較大部位會出現應力集中，從而造成錨固段的拉剪漸進破壞。 而壓力型錨索通過在錨索根部設置承壓板，通過無粘結鋼絞線將外部上拔荷載傳遞到承壓板，并通過承壓板擠壓錨孔底部的注漿體和圍巖，保證整個錨索受力過程中，灌漿體處于受壓狀態(tài)（見圖2）。 由于砂石注漿材料的抗壓強度比抗拉強度高，因此壓力型錨索能充分發(fā)揮注漿體抗壓強度高的優(yōu)勢。 此外，壓應力狀態(tài)下注漿體不易開裂，具有更好的防腐性和耐久性。

目前，壓力型錨索在各類錨固工程中已有廣泛應用[9-12]。 總體而言，錨索的破壞機理主要是錨索材料被拉斷和錨索從錨孔中被拉出2 種。 采用壓力型錨索形式，可充分發(fā)揮錨索材料強度高、下覆基巖完整以及錨固性能好的特點，從而大幅提高抗拔力。 此外，對于上拔荷載特別大的情況，為提高錨索的極限抗拔承載力，避免應力集中問題，可根據承載力需要采用具有多級承壓板的壓力分散型錨索，如圖3 所示。 通過在不同深度設置錨固承壓板，將外錨頭荷載分散作用在不同深度的注漿體和圍巖中。

圖2 壓力型錨索結構

圖3 多級壓力分散型錨索結構

1.2 壓力型錨索承臺技術特點和優(yōu)勢

對于覆蓋層厚、下覆基巖工程性狀好的山區(qū)復合地層及上拔荷載較大的輸電線路轉角塔的基礎，采用壓力型錨索承臺基礎將克服現有常規(guī)輸電塔基礎的不足，其技術特點和優(yōu)勢有：

（1）基礎受力合理、安全可靠。 基礎下部采用錨索代替錨桿，采用高強度鋼絞線替代鋼筋，抗拔承載力大且可靠性高；壓力型錨索承臺基礎上拔和下壓工況受力分別考慮，上拔工況由錨索承擔，下壓工況由承臺承擔，受力明確、分工合理；采用壓力型內錨結構，將外部拉力作用傳遞到完整基巖中，可提供安全、穩(wěn)定、可靠的抗拔承載力；錨孔注漿體處于受壓狀態(tài)，將充分發(fā)揮注漿體抗壓強度優(yōu)勢，有效避免因應力集中造成的錨索漸進破壞。

（2）適應機械化施工要求，有效減少人力需求。 預應力錨索孔的鉆造、注漿、張拉均可利用各種機械設備自動或半自動完成，所需人工相對較少，可滿足機械化施工的要求，降低勞動強度，提高施工效率。

（3）造價低、工期短、環(huán)境效益顯著。 由于承臺僅需考慮下壓荷載作用，大大縮小了承臺的尺寸和埋深，經濟性好。 施工上由于避免了較大規(guī)模的土方開挖和基坑支護，可大大縮短工期。 施工過程中，機械化程度高，施工速度快，施工工作面小，基礎開挖和維護工程量小，可有效降低對場地基巖面、林木植被的破壞，減少施工過程中的碳排放量以及對環(huán)境的影響，環(huán)保效益突出。

（4）適用性好。 針對塔基上部覆蓋土厚的特點，通過鉆造深孔，可將輸電塔所需的抗拔力傳遞至穩(wěn)定地層；對于土層厚度不同的地層條件，可通過調整錨索長度靈活設計，具有極高的場地適用性；對于不同規(guī)模的鐵塔，錨索噸位可根據所需抗拔力靈活設計，采用壓力分散性內錨結構，可改善錨索的受力條件，進一步提供更大的錨固力；錨索施工工藝簡單，錨索直徑小，相關施工機械便于運輸，適合于山頂、山坡等大型機械不便使用的山區(qū)。

2 壓力型錨索承臺基礎設計

2.1 承臺的設計計算

承臺主要承受輸電塔下壓荷載，由地基承載力要求確定其底板尺寸。 由于輸電線路轉角塔主要考慮上拔工況，下壓荷載較小，為方便施工，減少土方開挖，承臺基礎的設計埋深一般控制在2 m以內，承載力驗算按照規(guī)范推薦的方法計算[13-15]，不再贅述。

2.2 壓力型錨索的抗拔力計算

傾斜布置的錨索主要軸向抗拉，利用軸向拉力的豎向分量承受上拔荷載，水平分量承受水平荷載。 因此，確定錨索軸向抗拉承載力是設計的關鍵。 如圖4 所示，錨索的傾斜角（豎向夾角）α和軸向抗拉承載力Nt可分別由下式確定：

式中：T 為單根錨索需承擔的上拔力；Nx，Ny分別為單根錨索需承擔的水平抗力。

圖4 壓力型錨索承臺平面布置

由于壓力型錨索在上拔荷載作用下不會出現錨索及套管沿與注漿體交界面被拔出的破壞模式，因此其抗拉承載力主要由錨索材料的極限抗拉強度、錨固承壓板處的注漿體抗壓強度、注漿體與鉆孔壁之間的粘結抗剪強度綜合確定，計算方法主要按照《巖土錨桿（索）技術規(guī)程》[16]《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[17]的相關規(guī)定計算。 簡述如下：

（1）錨索截面積應滿足錨索鋼絞線抗拉強度要求：

式中：fptk為鋼絞線的抗拉強度標準值；Kt為錨索的抗拉安全系數，對永久錨索取1.8；As為錨索的總面積，與鋼絞線根數n 及其直徑d 有關。

（2）錨固承壓板面積應滿足注漿體抗壓強度要求：

式中：Kp為注漿體局部抗壓安全系數，取2.0；Ap為錨固承壓板與注漿體橫截面的凈接觸面積；Am為注漿體的橫截面面積；η 為有側限注漿體的強度增大系數；fck為注漿體抗壓強度標準值。

（3）錨索的最小錨固段長度按下式計算，取其中的較大值：

式中：K 為錨固體的抗拔安全系數；fmg為錨固段注漿體與地層間的粘結強度標準值；D 為錨固段的錨孔直徑；Ψ 為錨固長度對粘結強度的影響系數；fms為錨固段注漿體與筋體間的粘結強度標準值；d 為鋼絞線的直徑；ξ 為界面粘結強度降低系數。

2.3 壓力型錨索的技術要求

（1）錨索可根據荷載情況選用4～7 股d=9.5～12.7 mm 組成的高強度鋼絞線，抗拉強度標準fptk=1 860 MPa。

（2）錨索的鉆孔直徑可相應取D=90～150 mm。

（3）注漿材料選用M35～M40 水泥砂漿。

（4）根據基礎所受水平荷載與上拔荷載的比例，錨索采取對稱傾斜布置，豎向傾角采用15°～25°。

（5）注漿前應仔細清孔，注漿管與錨索同時放入孔內，采取隨注隨拔、自下而上連續(xù)注漿的方式，必要時二次注漿，提高錨索的抗拔承載力。

（6）錨索與承臺連接處的承臺配筋應局部加強。

3 技術經濟性比較

針對工程中15 mm 冰區(qū)Ⅱ型轉角塔、20 mm冰區(qū)Ⅱ型轉角塔，對厚土山區(qū)塔位分別采用壓力型錨索承臺基礎和常規(guī)單根挖孔樁基礎的工程量進行對比分析。 對比分析時覆蓋層厚度假定為5 m，對比結果如表1 所示。 表中結果表明，在相同地質、地形條件下，采用壓力型錨索承臺基礎可減少混凝土量約20%～25%，基礎鋼材量約略有增加，綜合造價較常規(guī)挖孔基礎可節(jié)省10%～15%，經濟效益顯著。

因此，對工程中覆蓋層較厚、下伏基巖性狀較好的山地塔位，尤其是上拔荷載相對較大的轉角塔，推薦采用壓力型錨索承臺基礎這一新型基礎型式。

表1 不同基礎型式材料用量對比（單個基礎）

4 結語

壓力型錨索承臺基礎是一種新型的輸電塔基礎型式，對山區(qū)上覆土層較厚的“上土下巖”復合地層有較大的技術優(yōu)勢，特別是針對上拔荷載較大的輸電線路轉角塔基礎技術優(yōu)勢顯著。 壓力型錨索承臺基礎，受力合理，不僅能夠充分利用下覆完整基巖的錨固承載力，提供安全、穩(wěn)定、可靠的抗拔作用，而且可有效減小承臺尺寸和埋深，減少基礎的土石方開挖量和材料用量，縮短工期，降低造價。 從而減少常規(guī)的鐵塔基礎需因大規(guī)模開挖施工對山區(qū)環(huán)境植被造成的破壞，緩解深埋基礎對大型施工機械的需求。 壓力型錨索承臺基礎施工工藝簡單，可采用輕型化、小型化設備實現機械化施工，具有較好的社會效益和經濟效益。