芻議輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

馬濤

摘 要：高壓鐵塔作為電力傳輸過程中的重要支撐設(shè)施，承受著整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)的荷載，其基礎(chǔ)構(gòu)造直接關(guān)系著輸電線路能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行，因此輸電線路鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)對(duì)于電力傳輸而言起著至關(guān)重要的作用。該文采用文獻(xiàn)法和實(shí)例法來闡述我國不同區(qū)域鐵塔地基的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，并以巖石地基和軟弱地基兩個(gè)典型的地質(zhì)條件為例，詳細(xì)地闡述了輸電線路鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)，最后提出了一系列的優(yōu)化措施及建議，旨在提高我國鐵塔基礎(chǔ)的質(zhì)量水平。

關(guān)鍵詞：輸電線路 鐵塔基礎(chǔ) 選型設(shè)計(jì) 優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（a）-0049-02

高壓鐵塔作為電力傳輸過程中的重要支撐設(shè)施，承受著整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)的重力荷載，特別是近些年電力網(wǎng)絡(luò)線路的不斷升級(jí)，線路重力荷載急劇攀升，這將會(huì)對(duì)鐵塔基礎(chǔ)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。與此同時(shí)，鐵塔基礎(chǔ)經(jīng)常受到區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、氣候條件以及施工方案等因素的影響，容易發(fā)生鐵塔基礎(chǔ)沉降、偏移甚至坍塌，從而造成重大的電力網(wǎng)絡(luò)崩潰事故。因此輸電線路鐵塔基礎(chǔ)無論在選型、設(shè)計(jì)還是施工上都應(yīng)當(dāng)根據(jù)區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行選擇合適的方案，確?；A(chǔ)能夠承載輸電線路的重荷，從而保障電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行[1]。

1 軟土地基環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)

1.1 高壓灌注基礎(chǔ)

高壓灌注基礎(chǔ)是利用高壓泵將水泥料漿灌入軟土路基中，使之與淤泥土壤融為一體，從而起到鞏固基礎(chǔ)的作用。首先要根據(jù)軟土路基的實(shí)際情況來規(guī)劃設(shè)計(jì)注漿深度，當(dāng)泵機(jī)鉆頭下達(dá)至制定深度時(shí)，然后開啟高壓泵將料漿噴射至路基之中。由于料漿被加壓噴射，擁有較大沖量，在噴射過程中切割軟土并且促進(jìn)料漿和泥土的融合，待料漿固化之后，便形成了整體穩(wěn)定的路基。隨著近些年高壓泵車技術(shù)的不斷更新，高壓灌注基礎(chǔ)也較為普遍地運(yùn)用于軟土路基處理之中，并且往外延伸了許多種類，例如高壓水泥灌注基礎(chǔ)，高壓化學(xué)灌注基礎(chǔ)等，值得注意的是，要根據(jù)軟土路基的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和軟土特性來為鐵塔選擇合適的高壓灌注基礎(chǔ)，從而確保鐵塔不會(huì)因自身及線路重力而出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降，圖1為高壓灌注基礎(chǔ)的示意圖。

1.2 砂石置換基礎(chǔ)

砂石置換基礎(chǔ)顧名思義是將軟土路基用砂石料進(jìn)行替換，從而達(dá)到提高基礎(chǔ)強(qiáng)度的一種方法，特別是對(duì)于池塘、湖泊等縱深明顯的軟土路基，該項(xiàng)技術(shù)效果明顯且成本低廉，可以在空間上提高基礎(chǔ)穩(wěn)定性能，因而被廣泛應(yīng)用于軟土路基環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)的施工之中。砂石換填技術(shù)首先將軟土地基進(jìn)行開挖清淤，將疏松多孔的軟土層挖除移走，然后再將硬度大、強(qiáng)度高的砂石料進(jìn)行分層回填，而后夯實(shí)路基完成整個(gè)換填工作。在換填過程中應(yīng)當(dāng)將物理性質(zhì)穩(wěn)定的回填料放在下層，強(qiáng)硬度不高的物料放在上層，在回填的過程中要分層鋪設(shè)，控制每層厚度在250 mm左右即可，砂石鋪設(shè)完畢之后在其上方回填基土，使其與路面相平，回填完畢之后用500 kg的蛙式夯夯實(shí)基礎(chǔ)從而保證基礎(chǔ)的承載力和夯實(shí)度。

1.3 粉噴樁基礎(chǔ)

粉噴樁是目前軟土路基處理過程中最為常見的施工技術(shù)之一[2]，其原理是利用空壓機(jī)將粉體狀的固化劑噴入到路基之后進(jìn)行深度攪拌處理，使之與軟土路基中的水分發(fā)生化學(xué)作用結(jié)合在一起，從而使得軟土路基形成固化土樁，提高路基的硬度和強(qiáng)度。在粉噴樁施工技術(shù)處理軟土路基的過程中，首先以水泥、石灰以及細(xì)砂作為主要的固化劑，并根據(jù)軟土路基的土壤構(gòu)成適量添加一些其他的固化劑進(jìn)行輔助，將原本松散柔軟的淤泥固化起來，形成整體性強(qiáng)、硬度大和承載度高的路基。

2 巖石地基環(huán)境下鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)

2.1 巖石錨樁基礎(chǔ)

巖石錨樁基礎(chǔ)主要用在表層裸露、風(fēng)化程度小以及質(zhì)地堅(jiān)硬的巖石之上，首先利用沖擊鉆對(duì)巖石進(jìn)行成孔，邊鉆邊提，保證巖粉排除孔外，然后將地腳螺栓置入巖孔之中，螺栓用240×240的鋼筋骨架進(jìn)行支撐，將混凝土砂漿灌入其中，確保地腳螺栓與巖石緊密連接，最后在頂部澆筑鐵塔平臺(tái)，用以搭設(shè)鐵塔。通常情況下，根據(jù)巖石錨樁基礎(chǔ)承受荷載的不同可以將其分為群錨式和直錨式兩種，群錨基礎(chǔ)是將許多根地腳螺栓埋入到巖石之中，以獲得更高強(qiáng)度的支撐力，通常用于基礎(chǔ)負(fù)荷較大的鐵塔上，例如轉(zhuǎn)角塔、終端塔等[3]；而直錨基礎(chǔ)則只是在基礎(chǔ)中心線上埋入兩種或者四根地腳螺栓，常用在負(fù)載較小的鐵塔上，圖2和圖3為群錨式和直錨式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)示意圖。

2.2 巖石嵌固基礎(chǔ)

巖石嵌固基礎(chǔ)主要用于風(fēng)化程度較大、易于開挖的軟質(zhì)巖石上，充分利用巖石自身的剪切力，從而提高鐵塔基礎(chǔ)的抗拔承載能力。其設(shè)計(jì)方案大致分為二個(gè)步驟，第一，挖鑿基坑：基坑通常采用少量炸藥定向爆破后再人工挖鑿的方法，為提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性能，一般基坑呈倒“Y”形狀；第二，搭設(shè)鋼筋立柱，澆筑混凝土，并用振搗器對(duì)混凝土進(jìn)行振搗直至混凝土不再明顯下降為止?！癥”型巖石嵌固基礎(chǔ)具有土石方和混凝土用量少、工程造價(jià)低以及基礎(chǔ)抗拔能力高等優(yōu)點(diǎn)[4]，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于巖石地質(zhì)區(qū)域內(nèi)鐵塔基礎(chǔ)的建設(shè)之中。

3 鄂贛聯(lián)網(wǎng)500 kV線路中鐵塔基礎(chǔ)的選型設(shè)計(jì)

3.1 區(qū)域內(nèi)地質(zhì)環(huán)境

鄂贛聯(lián)網(wǎng)500 kV線路工程沿線地質(zhì)地貌多為崇山峻嶺，大部分山區(qū)基巖裸露，風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，巖石多為砂頁巖、花崗巖、石炭系砂巖以及凝灰?guī)r等多種類型，并選取了Y40和Y40+2.5兩種不同的巖石基礎(chǔ)作為真型試驗(yàn)的測量點(diǎn)，其中Y40區(qū)域?yàn)樯绊搸r結(jié)構(gòu)，巖體風(fēng)化十分厲害，表層覆蓋著50 mm左右厚度的基土；Y40+2.5區(qū)域?yàn)槭肯瞪皫r，淺灰色，表層混有風(fēng)化砂礫，間隙塊狀結(jié)構(gòu)。

3.2 基礎(chǔ)承重荷載與尺寸大小的設(shè)計(jì)

由于鄂贛聯(lián)網(wǎng)500 kV線路沿經(jīng)的區(qū)域多為巖石地質(zhì)，且多為軟質(zhì)巖石，風(fēng)化程度較大，故鐵塔的選型采用“Y”型嵌固式。通常情況下，巖石嵌固基礎(chǔ)的下壓承受力相對(duì)來說比較容易滿足，而基礎(chǔ)溫度與否的關(guān)鍵是上拔力，巖石表面等代極限剪切強(qiáng)度τ的垂直分量則是抵消上拔力最為重要的因素，因此合理的估算出τ的數(shù)值范圍，是整個(gè)鐵塔基礎(chǔ)承重和尺寸大小設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

式（1）（2）（3）中字母表示的意義為：K1為基礎(chǔ)上拔的安全系數(shù)，T為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上拔力（kN），h為基礎(chǔ)預(yù)埋深度（m），D為底部“Y”型基礎(chǔ)的直徑（m），τ為巖石等代極限剪切應(yīng)力（kN/m2）。該工程中采用的塔型號(hào)為ZGU2（45），上拔力為1981 kN，鑒于此，我們根據(jù)預(yù)估不同的τ取值，從而在Y40和Y40+2.5兩個(gè)測試點(diǎn)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的開挖尺寸，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸確立以后，鐵塔基礎(chǔ)開始施工建設(shè)，基礎(chǔ)竣工之后，我們采用靜載儀和應(yīng)變測量儀以及500 t的油壓千斤頂對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了測量，實(shí)際數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可以發(fā)現(xiàn)在4200 kN上拔力的作用下，兩個(gè)測試點(diǎn)的鐵塔基礎(chǔ)都只發(fā)生了較小的位移，因此我們能夠得出結(jié)論：鐵塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尺寸滿足實(shí)際需求。

4 結(jié)語

輸電線路的鐵塔基礎(chǔ)對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量的影響十分巨大，一旦發(fā)生基礎(chǔ)沉降、斷面甚至坍塌的事故，其后果難以估量，因此，在鐵塔基礎(chǔ)的建設(shè)過程中施工人員一定根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)條件選擇合適的鐵塔基礎(chǔ)類型，這樣不僅可以極大地降低工程消耗，縮短工期，而且還能夠提高鐵塔基礎(chǔ)自身的穩(wěn)定性，從而為電力輸送保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 程永峰，邵曉巖，朱全軍.我國架空輸電線路地基基礎(chǔ)工程現(xiàn)狀及存在的問題[C]//第三節(jié)北京輸配電技術(shù)國際會(huì)議.2001.

[2] 廖永昌.淺談500kV輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)[J].廣東科技，2013，22（24）：118-120.

[3] 吳力.試論輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[J].機(jī)電信息，2014（3）：133.