山區(qū)線路承壓水地基基礎(chǔ)治理及沉降觀測研究

辜良雨，劉翔云，張利如，甘運良，翟洪利

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663)

0 引 言

承壓水具有埋藏深、水頭高、易受外力的影響形成自流水等特點，對地基基礎(chǔ)存在較大的危害性。平原地區(qū)輸電線路通常采用預(yù)制方樁、管樁、沉井、沉箱或機械施工灌注樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)形式，可有效降低承壓水的不利影響。西南地區(qū)多山少路，道路交通條件差，輸電線路建設(shè)施工受到很多外部因素制約，基礎(chǔ)施工機械化率較低，承壓水地區(qū)通常采用人工開挖的方式進行板式基礎(chǔ)的施工。因此，難以避免地存在不同程度的地基擾動、回填不均、基坑支護困難等施工問題，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不同程度的沉降和偏移。在承壓水的作用下可能導(dǎo)致基礎(chǔ)墊層不規(guī)則隆起，并進一步加大沉降和偏移，對輸電線路的安全穩(wěn)定運行造成較大影響。

目前國內(nèi)外對于承壓水地質(zhì)條件下的輸電線路柔性板式基礎(chǔ)的沉降治理尚無系統(tǒng)的研究[1-4]，結(jié)合云南山區(qū)某特高壓線路工程實例，數(shù)值模擬對山區(qū)輸電線路承壓水地區(qū)采用柔性直柱大板基礎(chǔ)出現(xiàn)的偏移、不均勻沉降等問題進行了分析，提出了有效的治理措施，并通過近2年的長期持續(xù)觀測對治理效果進行了實踐驗證。驗證結(jié)果表明所提出的治理措施具有良好的效果，對類似工程問題的處理具有借鑒和推廣價值。

1 承壓水相關(guān)規(guī)定

1.1 承壓水定義

建筑工程中通常將充滿于2個穩(wěn)定隔水層(或弱透水層)之間的含水層中的重力水，稱承壓水，如圖1所示。

圖1 承壓水埋藏

承壓水主要有以下特性：1)承壓性，承受靜水壓力；2)補給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)的分布較為明顯；3)補給區(qū)具有潛水的特點；4)埋藏深度大，動態(tài)穩(wěn)定。

1.2 承壓水地基設(shè)計和施工要求

國內(nèi)關(guān)于山區(qū)輸電線路承壓水地基基礎(chǔ)設(shè)計和施工的相關(guān)理論和案例較少，僅有限的幾本規(guī)程規(guī)范做出了基本要求如下：

1)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[6]

附錄W.01條規(guī)定：當上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時，如圖2所示，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性可按式(1)驗算。

圖2 基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定驗算

(1)

式中：γm為透水層以上土的飽和容重，kN/m3；t+Δt為透水層頂面距基坑底面的深度，m；pw為含水層水壓力，kPa。

2)GB 1004—2015《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》[7]

第7.3.4條規(guī)定：承壓含水層頂埋深小于基坑開挖深度，應(yīng)采取有效的降水措施，將承壓水水頭降低至基坑開挖面和坑底以下，如圖3所示。當驗算基坑承壓水穩(wěn)定性不滿足式(2)要求時，應(yīng)通過有效的減壓降水措施，將承壓水水頭降低至安全水頭埋深以下。

圖3 承壓含水層

(2)

式中：k為基坑抗承壓水穩(wěn)定性系數(shù)；γ為土的容重，kN/m3；H為基坑底距承壓含水層頂板的距離，m；γw為水的容重，kN/m3；h為承壓水頭高于含水層頂板的高度，m。

2 工程案例分析

2.1 案例概況

西南地區(qū)某特高壓直流線路工程AJ106塔位C、D腿基礎(chǔ)墊層施工后出現(xiàn)基底隆起現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場勘察，C、D腿基坑開挖未按設(shè)計要求支護，且開挖的土石方未按設(shè)計要求外運，而是在基坑周邊堆放形成集中堆載，C、D腿已澆筑的基礎(chǔ)墊層局部有隆起現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)墊層隆起

AJ106塔位于中山斜坡中下部，整體地形坡度為10°～15°。基本地質(zhì)條件為：塔位0～9.8 m為可塑粉質(zhì)粘土混碎塊石；9.8～13.7 m為稍密碎石；13.7～17.1 m為強風(fēng)化泥巖，再以下為中風(fēng)化泥巖；勘探期間地下水深10.4 m，靜止水位0 m，為承壓水。

該塔位處于大片農(nóng)田中，因塔位附近無交通條件且塔位下坡側(cè)有民房和大棚等設(shè)施，設(shè)計采用了直柱板式基礎(chǔ)，各腿基礎(chǔ)配置均為DJ6563，底板寬6.5 m×6.5 m，基礎(chǔ)埋深5.4～6.0 m。各腿相對位置見圖5所示。

圖5 AJ106塔位各腿相對位置

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況研究表明：該基坑未支護，也未按設(shè)計要求放坡，坑邊有大量棄土堆載；基坑開挖后長時間暴露，在承壓水作用下造成基坑一定程度的隆起。因此，確定采用漿砌塊石回填反壓的應(yīng)急處理措施?？紤]到基底擾動、回填土沉降固結(jié)等不利因素，對基礎(chǔ)地腳螺栓采取了加長措施。

采用漿砌塊石反壓處理后，經(jīng)觀測，未見繼續(xù)隆起?；A(chǔ)澆筑回填完成后，經(jīng)過測量，C、D腿基礎(chǔ)高程與設(shè)計理論值相比有下沉，且C、D腿之間距離較設(shè)計理論值減小約60 mm。根據(jù)隱蔽工程驗收記錄分析，上述偏移沉降主要發(fā)生在基礎(chǔ)澆筑完成后。

2.2 基礎(chǔ)沉降影響數(shù)值分析

根據(jù)AJ106塔位現(xiàn)場實際情況，結(jié)合SmartTower鐵塔計算軟件和ANSYS有限元分析軟件，開展了基礎(chǔ)沉降對基礎(chǔ)和鐵塔的影響分析，并對基礎(chǔ)沉降的治理效果進行了數(shù)值分析，為制定基礎(chǔ)處理方案提供了依據(jù)。

2.2.1 沉降對基礎(chǔ)的影響分析

AJ106塔轉(zhuǎn)角為左轉(zhuǎn)20°04′，大風(fēng)運行工況下，A、B腿為下壓腿，C、D腿為上拔腿。根據(jù)各主要施工階段，基礎(chǔ)加載分析分為3個階段。

階段1：基礎(chǔ)回填完成后，各腿承受的回填土及基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的下壓力約6116 kN。

階段2：鐵塔組立完成后，各腿增加下壓荷載320 kN，水平荷載約38 kN。

階段3：架線完成后，架線后基礎(chǔ)作用力理論極限值如表1所示，表中：Tmax為最大上拔力；TX、TY分別為最大上拔力對應(yīng)的橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向的水平力；Nmax為最大下壓力；NX、NY分別為最大下壓力對應(yīng)的橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向的水平力；正、反向風(fēng)速為設(shè)計風(fēng)速27 m/s。

表1 架線后基礎(chǔ)作用力

C、D腿基礎(chǔ)施工全過程加載情況分析見表2。

表2 C、D腿基礎(chǔ)加載情況分析

基礎(chǔ)沉降會引起基礎(chǔ)水平力明顯增大，沉降前后的最大基礎(chǔ)作用力對比見表3。

表3 沉降前后基礎(chǔ)作用力對比

依據(jù)表1—表3可以得出如下結(jié)論：

1)鐵塔組立完成后，相比當前基礎(chǔ)回填的狀態(tài)，其下壓荷載增加約6%，對地基變形影響較小。

2)架線完成后，在各類計算工況下C、D腿基礎(chǔ)理論上均承受上拔力，無下壓力，對地基變形是有利的。

3)架線完成后，偶爾存在反向風(fēng)作用。雖然此時C、D腿基礎(chǔ)可能產(chǎn)生下壓荷載，但下壓力遠小于鐵塔組立完成后的下壓力，且反向風(fēng)屬于瞬時荷載，對地基變形影響也非常微小。

4)所有工況作用下各基礎(chǔ)(包括D腿偏心受力基礎(chǔ))在考慮基礎(chǔ)沉降后的承載力經(jīng)均滿足要求，無需對基礎(chǔ)本體進行特殊處理。

2.2.2 沉降對鐵塔的影響分析

輸電線路鐵塔基礎(chǔ)沉降分為均勻沉降和不均勻沉降。工程實踐和理論計算分析表明：1)各腿的均勻沉降對鐵塔受力影響較?。?)兩腿穩(wěn)定、其余兩腿同步沉降也基本沒有影響；3)各腿都不均勻沉降且持續(xù)加大會導(dǎo)致鐵塔各控制尺寸發(fā)生改變，產(chǎn)生較大的次內(nèi)力，對桿件受力產(chǎn)生不利影響。

有限元計算分析表明，當AJ106塔位各腿的相對不均勻沉降達到20 mm時，理論上會引起塔腿以上第2個隔面角部斜材，見圖6(a)中標紅桿件，螺栓抗剪強度不足。補強后繼續(xù)加大不均勻沉降至28 mm時，塔腿以上第2個隔面交叉斜材超限破壞，見圖6(b)標紅桿件。

(a) BC腿 (b) CD腿

圖6 不均勻沉降超限后鐵塔構(gòu)件應(yīng)力

因此，治理方案首先需采取有效措施，減小各腿的不均勻沉降，并在后期分階段持續(xù)監(jiān)測，一旦不均勻沉降值接近20 mm，就須立即采取應(yīng)急處理預(yù)案，如打臨時拉線、加墊鋼板等。

2.3 基礎(chǔ)處理方案確定

相關(guān)研究表明[8]，基坑未采取降排水措施、墊層澆筑前基底有擾動且未處理、未按規(guī)定進行放坡和支護、回填時機械碾壓等是造成輸電線路大板式基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因。

對AJ106塔位現(xiàn)場開展了補充勘探，包括探坑、探井和地質(zhì)點調(diào)查，并進行了工程地質(zhì)鉆探、標貫試驗和土工試驗，再次確認了場地穩(wěn)定性、地質(zhì)分層情況與原設(shè)計一致。根據(jù)補充勘探及土力學(xué)分析結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況確定基礎(chǔ)的偏移沉降主要由以下因素造成：

1)基礎(chǔ)澆筑后，重力荷載增加，使擾動土進一步壓實，引起基礎(chǔ)沉降；

2)回填的漿砌塊石之間存在空隙，基礎(chǔ)澆筑和基坑回填后，受壓力影響，漿砌塊石被擠密壓縮，間隙減小，引起基礎(chǔ)偏移和不均勻沉降；

3)反壓用的漿砌塊石未滿漿滿鋪且基礎(chǔ)未按要求分層回填夯實，如圖7所示，以及單側(cè)施工和反復(fù)碾壓等因素導(dǎo)致了基礎(chǔ)偏移和不均勻沉降進一步加大。

圖7 漿砌塊石反壓施工現(xiàn)場

針對AJ106塔位基礎(chǔ)不均勻沉降和偏移問題，根據(jù)前述現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)值模擬計算結(jié)果，分析認為目前基礎(chǔ)根開及相對高差已不滿足驗收規(guī)范要求，需采取下列處理措施：

1)不均勻沉降矯正：在C、D基礎(chǔ)加墊鋼板，減小基礎(chǔ)頂面高差至滿足驗收規(guī)程要求，對于加墊鋼板后基礎(chǔ)頂面與塔腳板間的縫隙，按驗收規(guī)程要求采用水泥砂漿回填密實。

2)偏移矯正：重新加工D腿塔腳板，通過調(diào)整塔腳板上地腳螺栓孔位，保證鐵塔各腿根開滿足驗收規(guī)程要求。對基礎(chǔ)進行偏心受力驗算，滿足承載力要求。

采取上述處理措施后，基礎(chǔ)不均勻沉降和偏移問題得到了有效處理，各項參數(shù)均滿足現(xiàn)行輸電線路施工及驗收規(guī)程[9]的相關(guān)要求。

3 治理效果長期觀測驗證

根據(jù)工程經(jīng)驗，在后期組塔、架線施工過程中由于施工擾動和桿塔加載可能會導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降和偏移進一步擴大。同時，該工程為特高壓直流線路工程，輸送容量巨大，作為南方電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)絡(luò)，不允許其遺留安全隱患。因此，對AJ106塔位從施工到運行持續(xù)進行了為期近2年的基礎(chǔ)沉降和偏移觀測，對治理效果進行了充分驗證。

3.1 長期觀測方案

AJ106塔位在2019年10月完成基礎(chǔ)澆筑，2020年3月完成鐵塔組立，2020年5月完成架線，2020年8月竣工投運。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9-11]中沉降觀測的要求，對AJ106塔位制定了更為嚴格的長期觀測計劃，整個觀測期為2年，共計觀測75次，詳見表4。

表4 AJ106塔位沉降偏移長期觀測計劃

本次持續(xù)觀測分別在AJ106塔位各腿基礎(chǔ)頂面、塔腳板及地腳螺栓上固定測點，并通過在100 m外農(nóng)房墻壁貼反光片對測量數(shù)據(jù)進行高精度修正，始終將人工持鏡造成的測量誤差影響控制在毫米級。

3.2 觀測結(jié)果

雖然鐵塔組立期間頻繁有大型施工機械進出塔位，對各腿基礎(chǔ)回填土層反復(fù)碾壓，對觀測數(shù)據(jù)有一定影響，但是各項觀測數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)持續(xù)擴大的變化趨勢。各項數(shù)據(jù)指標變化主要是由于基礎(chǔ)地基自然沉降、頻繁持續(xù)降雨回填土沉積固結(jié)以及人工持鏡測量誤差3個因素共同作用的結(jié)果。

表5的根開數(shù)據(jù)表明，AJ106塔位各施工階段的根開值均滿足現(xiàn)行施工及驗收規(guī)程[9]對根開誤差不大于±0.2%的要求。

表5 現(xiàn)場觀測根開數(shù)據(jù)

圖8為AJ106塔位各基礎(chǔ)根開變化趨勢圖，可以看出基礎(chǔ)根開前期變化幅度相對稍大，但是到2020年7月以后根開值已基本收斂趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(c) AD腿 (d) AB腿圖8 各腿基礎(chǔ)正面根開變化趨勢

表6的各腿基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)表明，自2020年9月30日至2021年11月5日的100天內(nèi)，AJ106塔位各腿基礎(chǔ)的最大沉降速率均小于0.04 mm/d，滿足建筑變形測量規(guī)范[11]對沉降速率的要求，基礎(chǔ)沉降已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

表6 各腿基礎(chǔ)沉降值數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

上面結(jié)合工程實例，通過理論和數(shù)值模擬對山區(qū)輸電線路承壓水地基采用直柱大板基礎(chǔ)出現(xiàn)的偏移沉降問題進行了分析和治理，并結(jié)合2年的長期持續(xù)觀測對治理效果進行了驗證。驗證結(jié)果表明，采用所推薦的治理方法是有效可靠的，可以為今后的工程實踐提供指導(dǎo)。

針對山區(qū)輸電線路承壓水地基建議采取以下措施，可有效減小或消除基礎(chǔ)偏移沉降等可能出現(xiàn)的各類問題：

1)在交通條件具備前提下，承壓水地基建議優(yōu)先采用灌注樁基礎(chǔ)，穿透承壓水層，同時應(yīng)采用有效的降水、排水和防護措施；

2)承壓水地基采取大開挖基礎(chǔ)時，應(yīng)根據(jù)承壓水埋深、水頭高度等參數(shù)，進行基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性計算，并加強坑壁支護，嚴禁在坑口堆載；

3)對承壓水水頭過大導(dǎo)致基底隆起的，應(yīng)立即采取反壓措施，如漿砌塊石反壓；

4)應(yīng)加強現(xiàn)場施工監(jiān)督，按要求采取坑壁支護、棄土外運、基坑分層回填夯實以及反壓的漿砌塊石應(yīng)滿漿滿鋪等保證施工質(zhì)量的措施；

5)對基礎(chǔ)可能發(fā)生偏移和不均勻沉降的塔位基礎(chǔ)，應(yīng)適當加大地腳螺栓孔徑和出露長度，以便后期調(diào)節(jié)塔腳板高度，抵消偏移和不均勻沉降對鐵塔的不利影響；

6)各腿基礎(chǔ)不均勻沉降加大后可能首先導(dǎo)致腿部以上隔面斜材和螺栓失穩(wěn)破壞，對可能出現(xiàn)不均勻沉降塔位的上述桿件和螺栓應(yīng)進行適當加強處理；

7)施工期間應(yīng)定期進行基礎(chǔ)偏移、沉降觀測，尤其是基坑回填前必須采集相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時處理，消除隱患。