110kV～220kV輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用研究

楊德志，張金鋒，李林，鄒本為，尹雪超，程鑫，蘇金龍

（1.國(guó)網(wǎng)宣城供電公司，安徽 宣城 242000；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司，安徽 合肥 230022；3.安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限公司，安徽 合肥 230022)

0 概述

輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)適用于巖性較好的地基，且抗拔承載性能高。錨桿基礎(chǔ)減少了混凝土用量和土石方開(kāi)挖量，同時(shí)降低了水泥、砂石、鋼筋及棄土運(yùn)輸量，多用于山區(qū)輸電線路工程，是一種機(jī)械化程度高、資源節(jié)約、環(huán)境友好的基礎(chǔ)形式[1～4]。

為進(jìn)一步推進(jìn)基建標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，貫徹“兩型三新”輸電線路建設(shè)要求，在110～220kV輸電線路通用設(shè)計(jì)鐵塔部分的基礎(chǔ)上，依據(jù)行業(yè)規(guī)程，借助錨桿基礎(chǔ)通用設(shè)計(jì)理念，結(jié)合巖石錨桿基礎(chǔ)相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)研究成果，開(kāi)展輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用研究，內(nèi)容主要包括巖土條件、基礎(chǔ)作用力、基礎(chǔ)型式、錨桿間距、基礎(chǔ)露頭高度等關(guān)鍵參數(shù)分類(lèi)分級(jí)原則和主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值、試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用及效益分析等[5]。

1 巖土參數(shù)組合

根據(jù)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5219）和《架空輸電線路巖石基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)定》（Q/GDW11333）中規(guī)定的細(xì)石混凝土與巖石間的黏結(jié)強(qiáng)度τb、巖石等代極限剪切強(qiáng)度τs取值范圍，將二者組合，分別對(duì)42組參數(shù)組合進(jìn)行試算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1所示。由圖1可以看出，不同上拔力作用下，錨筋長(zhǎng)度隨著地質(zhì)參數(shù)組合的變化逐漸趨于穩(wěn)定，取錨筋長(zhǎng)度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)取組合為合理值。

圖1 地質(zhì)參數(shù)組合與錨筋長(zhǎng)度關(guān)系曲線（1.0m露頭）

實(shí)際工程中，未風(fēng)化和微風(fēng)化巖石地基較少，因此取消對(duì)應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)組合。根據(jù)試算，220kV及以下輸電線路，當(dāng) τb=400kPa、τs=40kPa 時(shí)巖石錨桿基礎(chǔ)按最小構(gòu)造長(zhǎng)度基本可滿足要求。為增加地質(zhì)參數(shù)的適用范圍，且兼顧后續(xù)（500（750）kV）及以上地質(zhì)參數(shù)組合需要，地質(zhì)參數(shù)上限取值為τb=600kPa、τs=60kPa。

巖石等代極限剪切強(qiáng)度不屬于巖石地基物理力學(xué)參數(shù)，無(wú)法通過(guò)常規(guī)地質(zhì)勘察獲取，一般需要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反算得到[5～7]。相關(guān)科研單位先后開(kāi)展了大量巖石錨桿基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，分析得到巖石等代極限剪切強(qiáng)度取值范圍，該成果已被行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5544-2018）采用。當(dāng)缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)且無(wú)條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，可參照《架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5544-2018）相關(guān)規(guī)定確定τs的取值。

考慮到實(shí)際工程中錨桿基礎(chǔ)一般應(yīng)用在巖石條件較好的塔位，故取τb=250 kPa、τs=25 kPa 組合為下限。

按 DL/T 5219、DL/T 5544-2018 等規(guī)程規(guī)定，根據(jù)試算結(jié)果，并兼顧與500（750）kV）及以上電壓等級(jí)地質(zhì)參數(shù)組合銜接，共得到地質(zhì)參數(shù)組合6組，確定錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)組合參數(shù)見(jiàn)表1。

巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)參數(shù)組合 表1

2 基礎(chǔ)作用力劃分

依據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)（110～220kV輸電線路分冊(cè)）》（2011版）鐵塔通用設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)作用力大小的分布規(guī)律，從而劃分基礎(chǔ)作用力范圍并確定荷載計(jì)算步長(zhǎng)。

對(duì)鐵塔通用設(shè)計(jì)中的各個(gè)子模塊中直線塔塔型基礎(chǔ)作用力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)比分析直線塔上拔力分布頻率與累積分布圖，得出各電壓等級(jí)條件下涵蓋90%的直線塔基礎(chǔ)上拔力的主要分布范圍（圖2示例）。

針對(duì)110、220kV電壓等級(jí)的輸電線路直線塔基礎(chǔ)上拔力采用不同的分級(jí)步長(zhǎng) ：100～600kN 為 50kN、600～1000kN為100kN，其中110kV直線塔基礎(chǔ)上拔力劃分為11種，220kV直線塔基礎(chǔ)上拔力劃分為4種，下壓力取上拔力的130%，水平力取上拔力的14%。

圖2 110kV～220電壓等級(jí)的直線塔上拔力分布頻率圖、累計(jì)分圖（示例）

對(duì)輸電線路桿塔通用設(shè)計(jì)中的各子模塊中轉(zhuǎn)角塔塔型的基礎(chǔ)作用力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出各電壓等級(jí)條件下的轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)上拔力的主要分布范圍，如表2所示。110kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)上拔力劃分為7種，220kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)上拔力劃分為4種，下壓力取上拔力的130%，水平力取上拔力的19%。

直線塔（Ⅰ型轉(zhuǎn)角塔）基礎(chǔ)上拔力范圍 表2

3 設(shè)計(jì)方法與參數(shù)取值

3.1 設(shè)計(jì)方法

按照機(jī)械化施工的要求，在滿足承載力要求的前提下，以本體造價(jià)最小為優(yōu)選目標(biāo)進(jìn)行巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。計(jì)算方法依照《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T5219）及《架空輸電線路錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程》（DL/T 5544）執(zhí)行，巖石錨桿基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010）相關(guān)要求進(jìn)行配筋計(jì)算。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值

依據(jù)規(guī)程、結(jié)合通用設(shè)計(jì)成果，針對(duì)錨桿基礎(chǔ)其他主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，如表3所示。

4 試驗(yàn)研究

4.1 單錨、群錨驗(yàn)證試驗(yàn)

開(kāi)展了不同錨固深度的單錨基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)，研究單錨基礎(chǔ)的抗拔承載性能與錨筋的應(yīng)力分布規(guī)律及有效傳遞范圍，并驗(yàn)證錨桿臨界錨固長(zhǎng)度及a、b參數(shù)取值的合理性；進(jìn)行5組群錨（2×2）上拔工況靜載試驗(yàn)，不考慮偏心，錨筋埋入巖體內(nèi)的錨固長(zhǎng)度為3.0m，統(tǒng)一取值，僅改變錨桿間距2D～6D，典型的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。

①分析表4中的數(shù)據(jù)，錨桿長(zhǎng)度為1m、2m的單錨基礎(chǔ)均出現(xiàn)錨固體-巖體界面出現(xiàn)滑移破壞，即發(fā)生b破壞；錨桿長(zhǎng)度為3m～6m/1m的單錨基礎(chǔ)均發(fā)生錨筋拉斷破壞。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)規(guī)范中錨入巖層中錨桿的錨固長(zhǎng)度取值建議以及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，進(jìn)一步表明：110kV～220kV輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)錨桿的最小錨固長(zhǎng)度取3m，最大錨固長(zhǎng)度不大于6m是可靠的，合理的。

圖3 小荷載條件下巖石群錨基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)上拔試驗(yàn)

②典型的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)錨桿間距為2D～6D時(shí)，試驗(yàn)基礎(chǔ)均發(fā)生錨筋拉斷破壞。由此可見(jiàn)，承臺(tái)式錨桿基礎(chǔ)錨桿間距按不小于4D取值、直錨式錨桿間距取地螺小根開(kāi)，錨桿間距b=160mm～280mm（b=1.8 D ～2.4D）是合理的。

4.2 復(fù)合式巖石錨桿基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)真型試驗(yàn)

根據(jù)皖南地區(qū)山區(qū)線路工程特點(diǎn)，結(jié)合以往宣城地區(qū)復(fù)合錨桿基礎(chǔ)真型試驗(yàn)相關(guān)成果，針對(duì)擴(kuò)大應(yīng)用示范工程，選擇典型的巖石錨桿試驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)強(qiáng)～中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地質(zhì)條件下單錨和復(fù)合式錨桿基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，驗(yàn)證勘察設(shè)計(jì)成果正確性和擴(kuò)大應(yīng)用的可行性，并進(jìn)一步擴(kuò)展和確定復(fù)合式錨桿基礎(chǔ)在皖南地區(qū)線路工程中的適用范圍，為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)成果推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

圖4 皖南山區(qū)典型巖石條件復(fù)合式（掏挖、直柱、板柱）錨桿基礎(chǔ)試驗(yàn)

①當(dāng)錨固深度大于2m時(shí)，錨筋類(lèi)別為HRB400、Φ36的單錨基礎(chǔ)的上拔破壞模式為錨筋拔斷，極限承載力為440kN；錨筋類(lèi)別為 HRB500、Φ40的單錨基礎(chǔ)的上拔破壞模式為錨樁拔出，極限承載力為540～760kN，極限承載力是試驗(yàn)的破壞值，設(shè)計(jì)承載力為理論計(jì)算值，兩者較吻合。巖石錨桿基礎(chǔ)的錨筋材料推薦采用高強(qiáng)螺紋鋼筋。

②2×2式承臺(tái)式群錨上拔破壞模式為錨樁拔出，極限承載力為2560kN～2720kN；3×3式承臺(tái)式群錨的上拔破壞模式為錨樁拔出，極限承載力為4320kN～6120kN，極限承載力和設(shè)計(jì)承載力兩者較吻合。

③錨筋的有效應(yīng)力傳遞范圍近似為巖石地表以下2.5m，錨筋錨固深度宜為4m左右。

5 成果應(yīng)用及效益分析

①110kV～220kV巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)中直錨式和承臺(tái)式設(shè)計(jì)成果按照統(tǒng)一規(guī)定歸并方式，共計(jì)形成67張圖紙、275個(gè)基礎(chǔ)，成品已編入《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)分冊(cè)》（2017年版），并納入《標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果（35kV～750kV輸變電工程通用設(shè)計(jì)、通用設(shè)備）應(yīng)用目錄（2018年版）發(fā)布執(zhí)行。

②研究成果在依托工程安徽宣城上莊風(fēng)電場(chǎng)升壓站-雄路變110kV線路中應(yīng)用承臺(tái)式巖石錨桿基礎(chǔ)3基，與常規(guī)施工條件下掏挖、挖孔樁基礎(chǔ)相比，分別節(jié)約造價(jià)1.68萬(wàn)元、6.87萬(wàn)元，效益顯著。

③研究成果在示范工程安徽宣城河瀝-梓山220kV線路工程應(yīng)用復(fù)合式巖石錨桿基礎(chǔ)36基。基于河瀝-梓山示范工程邊界條件進(jìn)行效益分析，經(jīng)測(cè)算，巖石錨桿基礎(chǔ)與山區(qū)常用挖孔類(lèi)基礎(chǔ)相比，在不考慮相關(guān)管理取費(fèi)、專(zhuān)項(xiàng)勘察、檢測(cè)及錨桿鉆機(jī)安拆及場(chǎng)外運(yùn)費(fèi)前提下，巖石錨桿基礎(chǔ)方案依據(jù)現(xiàn)行線路機(jī)械化施工補(bǔ)充定額，兩類(lèi)基礎(chǔ)方案工程本體造價(jià)基本相當(dāng)。這是國(guó)網(wǎng)首次進(jìn)行巖石錨桿規(guī)模化、批量化示范應(yīng)用，踐行了綠色發(fā)展理論，對(duì)完善巖石錨桿基礎(chǔ)勘察設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)及后續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

④結(jié)合安徽宣城河瀝-梓山220kV線路擴(kuò)大應(yīng)示范工程實(shí)踐，及時(shí)總結(jié)輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)勘測(cè)技術(shù)要點(diǎn)，積極申報(bào)《220kV及以下輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)勘察技術(shù)規(guī)程》企標(biāo)與團(tuán)標(biāo)，為更好推廣擴(kuò)大應(yīng)用巖石錨桿奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

巖石錨桿基礎(chǔ)主要設(shè)計(jì)參數(shù)取值[5,8] 表3

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巖石單錨、群錨基礎(chǔ)靜載試驗(yàn)結(jié)果 表4

⑤與常規(guī)山區(qū)挖孔類(lèi)基礎(chǔ)相比，巖石錨桿基礎(chǔ)綜合效益顯著：采用輕小型錨桿機(jī)鉆孔，工藝先進(jìn)，避免了挖孔和擴(kuò)底施工，能大幅降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，提升山區(qū)線路施工機(jī)械化水平；機(jī)械鉆機(jī)成孔便捷，能縮短施工周期40%以上；大幅減少基面的開(kāi)方和基礎(chǔ)挖方，施工基面小、混凝土用量少，棄渣少，減少了對(duì)山區(qū)原始地貌的破壞，有利于植被及生態(tài)環(huán)境保護(hù)，環(huán)保效益顯著。

6 結(jié)論

本文基于小荷載條件下巖石錨桿基礎(chǔ)通用設(shè)計(jì)技術(shù)的研究成果，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)程和巖石錨桿相關(guān)專(zhuān)項(xiàng)課題研究?jī)?nèi)容，開(kāi)展110kV～220kV輸電線路巖石錨桿基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，并依托工程對(duì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化成果開(kāi)展試點(diǎn)應(yīng)用和擴(kuò)大示范應(yīng)用，結(jié)果表明110kV～220kV輸電線路中應(yīng)用巖石錨桿基礎(chǔ)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。巖石錨桿基礎(chǔ)是輸電線路巖石類(lèi)地基宜優(yōu)先選用的基礎(chǔ)形式。