輸電線路山區(qū)工程基礎(chǔ)設(shè)計特點及處理方法

1、輸電線路山區(qū)工程基礎(chǔ)設(shè)計特點及處理方法葛保斌 董建堯（華東電力設(shè)計院 上海 200063）【摘要】本文通過對山區(qū)工程基礎(chǔ)的類型、設(shè)計和施工的特點以及可能出現(xiàn)的問題，提出了一些處理意見和解決的方法，從而達到節(jié)約工期、節(jié)省投資、保護環(huán)境等目的，以供線路結(jié)構(gòu)專業(yè)的同行參考。【關(guān)鍵詞】山區(qū)線路 基礎(chǔ)設(shè)計 基礎(chǔ)處理前言安全可靠、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進是以往輸電線路工程的基礎(chǔ)設(shè)計的原則，如今隨著人們環(huán)保意識的加強，環(huán)境保護、水土保持問題日益被社會各方和建設(shè)單位的重視，有的地方甚至提出了更高的要求。有效地保護環(huán)境、保護山區(qū)林木植被，不破壞綠化也順應了目前建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的潮流，這對山區(qū)地形輸電線路

2、的設(shè)計、施工和運行維護提出了更高的要求。1山區(qū)工程可選用的基礎(chǔ)型式目前我國輸電線路桿塔基礎(chǔ)大致可分為利用原狀土和非利用原狀土兩大類，利用原狀土基礎(chǔ)材料量省，承載能力高。簽于山地和丘陵地區(qū)地基承載力較高，但覆蓋層厚度各區(qū)域不盡相同，因此，基礎(chǔ)型式考慮盡量利用原狀土，對地基覆蓋土層較厚及非巖石地基，推薦使用斜插式板式基礎(chǔ)、半掏挖的柔性配筋板式基礎(chǔ)和掏挖式基礎(chǔ)；對巖石裸露或覆蓋地很薄的塔位可采用巖石錨桿式基礎(chǔ)和嵌固式基礎(chǔ)，根據(jù)山區(qū)特有的地質(zhì)條件進行優(yōu)化設(shè)計，以進一步節(jié)省基礎(chǔ)工程的投資，減少基坑的開挖和植被的破壞。1.1直柱式、斜插式板式基礎(chǔ)一般，在平地輸電線路中，鋼筋混凝土現(xiàn)澆板式基礎(chǔ)應用較多，此類

3、基礎(chǔ)主要優(yōu)點是充分利用鋼筋混凝土薄底板的受灣性能，可以節(jié)省混凝土用量，降低基礎(chǔ)造價。該類基礎(chǔ)與鐵塔的連接方式有兩種，即地腳螺栓式和角鋼斜插式。由于沒有偏心彎距，角鋼斜插式板式基礎(chǔ)比地腳螺栓式板式基礎(chǔ)要節(jié)約混凝土和鋼材。若在山地和丘陵地帶使用斜柱式基礎(chǔ)，對施工過程中的基礎(chǔ)根開控制和插入角鋼的就位要求較高。若設(shè)計考慮不周或施工不當極易引起基礎(chǔ)外側(cè)邊坡不夠或基礎(chǔ)根開不準，因此山地和丘陵地帶較平緩場地的板式基礎(chǔ)（不易掏挖成形的）可以采用斜柱式，但在山坡較陡的塔位最好采用地腳螺栓直柱式基礎(chǔ)。為使基礎(chǔ)受力合理，充分利用地基強度，板式基礎(chǔ)設(shè)計中，主柱與底板根據(jù)負荷設(shè)置一定偏心，這種基礎(chǔ)型式在以往線路工程中使

4、用，均獲得較好的經(jīng)濟效益。但是板式基礎(chǔ)基坑土方量較大，回填土質(zhì)量較難保證，底板鋼筋綁扎較麻煩，施工工序繁瑣。1.2掏挖式基礎(chǔ)、半掏挖式基礎(chǔ)對覆蓋土很厚的巖石地基或者土質(zhì)好的非巖石地基，若地基土的特性滿足掏挖基礎(chǔ)的要求的話，將優(yōu)先采用掏挖基礎(chǔ)。這種基礎(chǔ)形式在以往山區(qū)工程中應用較多，與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)相比具有如下特點：原狀土地基承載力高、變形小，消除了回填土質(zhì)量不可靠帶來的安全隱患；“以土代?！保娱_方量較少，施工方便，節(jié)省鋼材；施工作業(yè)時占地不大，施工措施得當可保證基礎(chǔ)外側(cè)邊坡不受影響，可以充分地利用原狀土的力學性能；但基礎(chǔ)施工過程中對于掏挖工藝要求較高。此外，斜柱式半掏挖基礎(chǔ)具有主角鋼斜插式基礎(chǔ)水

5、平力和彎矩小的優(yōu)點。因此對土質(zhì)較好的地基，將優(yōu)先采用掏挖式、半掏挖基礎(chǔ)，可提高基礎(chǔ)抗拔和抗傾覆穩(wěn)定性，對原有地形、地貌的影響降到最低，達到環(huán)保的要求。經(jīng)過比較，當基礎(chǔ)作用力較大時，掏挖式基礎(chǔ)比板式基礎(chǔ)混凝土方量大，因此在設(shè)計過程中應根據(jù)現(xiàn)場實際情況以及塔型基礎(chǔ)作用力進行混凝土方量、開放量和環(huán)保等方面的綜合考慮，從而達到節(jié)省基礎(chǔ)工程的投資、保護環(huán)境的目的。1.3巖石（嵌固式）基礎(chǔ)嵌固式巖石基礎(chǔ)與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)相比具有如下特點：原狀基巖承載力高、變形小，消除了回填土質(zhì)量不可靠帶來的安全隱患；“以巖代?！?，基坑開方量極少，施工方便，不需要立柱鋼筋和底板鋼筋；施工作業(yè)時占地不大，可以充分地利用原狀基巖的力

6、學性能；在施工時把巖基挖成倒錐形體，將斜插角鋼或地腳螺栓用砼直接澆入嵌固式或半嵌固式基礎(chǔ)中，既節(jié)省了石方開挖量，又大大減少混凝土的使用量，在山區(qū)使用較合理，又方便施工，具有顯著的經(jīng)濟效益。1.4巖石（直錨式）基礎(chǔ)直錨式巖石基礎(chǔ)采用機械鉆孔，將底腳螺栓直接錨固于灌漿的巖石孔內(nèi)，借巖石本身、巖石與細石混凝土和細石混凝土與錨筋的粘結(jié)力來抵抗上部鐵塔結(jié)構(gòu)傳來的外力。直錨式巖石基礎(chǔ)的經(jīng)濟性及施工簡單是顯而易見的。影響巖體承載力的主要因素是夾層和節(jié)理裂隙，在施工時設(shè)計人員必須逐基到位，逐基逐腿進行鑒定，采取加大錨固深度等措施，以確?；A(chǔ)的安全可靠。這種基礎(chǔ)對巖石的要求較高，施工難度較大，施工費用較高。圖一

7、山區(qū)工程常用基礎(chǔ)形式一覽圖2山區(qū)工程基礎(chǔ)設(shè)計和施工面臨的問題探究以及應對策略以往山區(qū)工程的基礎(chǔ)設(shè)計和施工一般存在以下的問題：一是基礎(chǔ)形式單一，施工時往往簡單地采用大開挖的形式施工，導致塔腿基面大、開方量大，造成了山區(qū)植被破壞和水土流失；二是鐵塔根開小，基礎(chǔ)作用力大，基礎(chǔ)內(nèi)邊坡難以滿足設(shè)計要求。如今有效控制土方開挖量、防止水土流失、保護環(huán)境已成為了山區(qū)工程所面臨的難題。筆者認為首先勘測測量成果的準確性是設(shè)計的先決條件。塔位地形和塔基斷面測量結(jié)果的準確性將直接影響到基面降低的數(shù)值和高低腿配置的準確性。其次，設(shè)計的方法也是一個重要的因素，一般在確定塔腿布置方案時有兩種思路，一種是常規(guī)思路，即開土方平

8、整出4個基礎(chǔ)平面如圖二。這種思路設(shè)計過程比較簡單，基礎(chǔ)種類單一。另一種思路則是基于少開方或不開方考慮的，設(shè)計過程較為繁雜，基礎(chǔ)種類相對常規(guī)做法要多，并且更為靈活，但是工地設(shè)計代表的工作量會增加，并且需要施工單位的配合。就第二種思路來說，為了達到少開基面甚至不開基面土方的目的，目前主要從以下幾方面著手：圖二常規(guī)開基面造成開方量大2.1從基礎(chǔ)本身考慮通過500kV龍政直流、500kV三廣直流和500kV福建與華東聯(lián)網(wǎng)等工程的實踐，山區(qū)覆蓋層主要以硬塑粘性土為主，并夾有碎石，覆蓋層厚度一般35m，覆蓋層以下多為風化程度不同的巖石。對于山區(qū)地質(zhì)為硬塑粘性土的情況，掏挖基礎(chǔ)和半掏挖基礎(chǔ)的形式可大量應用于

9、基礎(chǔ)受力較小的直線塔，而對于承受長期荷載基礎(chǔ)作用力較大的轉(zhuǎn)角塔和終端塔則不經(jīng)濟。掏挖基礎(chǔ)的主要優(yōu)點在于不需要基面大面積開挖，基坑施工直接從自然地面起向下，但是掏挖基礎(chǔ)對地質(zhì)要求相對較高，土質(zhì)需具有一定的塑性和密實度，基坑必須能夠掏挖成型。掏挖基礎(chǔ)和平板柔性基礎(chǔ)基坑開挖方式如圖三所示。圖三板式基礎(chǔ)和掏挖基礎(chǔ)基坑開挖量大小比較圖中虛線以上部分為需要開挖的土方，可以明顯地看出掏挖基礎(chǔ)的土方量遠小于平板基礎(chǔ)。而且，掏挖基礎(chǔ)底板不需要配置鋼筋，因此大大節(jié)省了鋼材耗量。當基礎(chǔ)作用力較小時，掏挖基礎(chǔ)的混凝土方量也比平板基礎(chǔ)略小。但是當基礎(chǔ)作用力較大時（例如500kV以上雙回路桿塔）掏挖式基礎(chǔ)比板式基礎(chǔ)混凝土

10、耗量大，以500kV宣城至富陽輸電線路工程中SZT23直線塔為例，指標分析如下表1：（指標均為單基耗量） 指 標 分 析表1基 礎(chǔ) 類 型混凝土耗量（m3）鋼 材 耗 量（kg）地 質(zhì) 類 型平板基礎(chǔ)13.21158.3硬塑土、土夾石掏挖基礎(chǔ)15.6614.8平板基礎(chǔ)8.2948.5中等、強風化巖石掏挖基礎(chǔ)8.12570.76故對于基礎(chǔ)作用力較大的塔型基礎(chǔ)仍可以考慮采用柔性平板基礎(chǔ)，可以在開挖方式上采用半掏挖的方式施工，同樣能達到減少開方、保護環(huán)境的目的。但是這種開挖方式對施工的要求較高。而對于巖性非常好的塔位，可以適當采用巖石基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)和基巖連成一體，理論上不需要保護距離或上拔角的限制。

11、當然，采用加高基礎(chǔ)立柱來實現(xiàn)減少土方量的目的，不失為一個很好的辦法。通常在設(shè)計基礎(chǔ)時，按加高露頭處理，而在具體施工時則按加大埋深處理，保持露頭不變，深埋主要是為了滿足基礎(chǔ)上拔角的要求，如圖四。圖四基礎(chǔ)露頭加高示意圖原則上保護點以上的原狀土體應予以保留，這實際上增加了基礎(chǔ)的安全度，因此這種方法更趨于保守。山區(qū)的地形較為復雜，可能出現(xiàn)需要加高基礎(chǔ)立柱的情況大概有以下兩種：各塔腿間的高差較小，均小于高低腿的最小級差，這種情況不必采用高低腿配置，可以根據(jù)最高腿為基準，加高其它基礎(chǔ)立柱露頭的方法整平塔腿，如圖五。圖五基礎(chǔ)露頭加高做成平腿各塔腿間高差較大，為了滿足高低腿級差而加高基礎(chǔ)立柱，立柱加高露出地面

12、的范圍一般可控制2m以內(nèi)，并且在設(shè)計加高基礎(chǔ)時，除了需要進行上拔和下壓穩(wěn)定計算外，必要時還需進行基礎(chǔ)抗傾覆驗算。2.2從鐵塔設(shè)計考慮 目前山區(qū)鐵塔一般均采用全方位高低腿，高低腿的級差應根據(jù)山區(qū)的實際地形配備，一般級差以11.5米為單位，最大級差達到7.59米。高低腿的設(shè)計很大程度上避免了基礎(chǔ)施工對原狀山體的破壞，但對于設(shè)計而言，第一個影響是按高低腿設(shè)計的鐵塔基礎(chǔ)作用力要比平腿設(shè)計的基礎(chǔ)作用力大，以500kV龍政直流輸電線路G5塔45m呼高的計算為例，基礎(chǔ)作用力和塔材的差異如下表3。從表中可以看出，由于采用了全方位高低腿設(shè)計，基礎(chǔ)作用力增加了大約10，塔材耗鋼量增加了大約7。高低腿和平臺的指標差

13、異表2設(shè)計方案塔腿最大高差基礎(chǔ)作用力（kN）塔腿主材規(guī)格單基塔重（噸）上拔下壓主材斜材平腿設(shè)計0469.87661.97L16014L100718.81高低腿設(shè)計4.5538.22730.2L16016L110820.13采用高低腿形式的基面，應注意高腿內(nèi)邊坡的穩(wěn)定問題。以往對于在山區(qū)使用的鐵塔，設(shè)計上要求盡量將根開減小，以減少鐵塔的基面降低，但是當根開比較小、同時又采用大開挖時，內(nèi)邊坡穩(wěn)定問題非常突出，由于開挖基坑需要滿足一定的放坡要求，常常會出現(xiàn)高腿內(nèi)邊坡保護距離不夠，必須采用擋土墻或護坡等補救措施，增加了不必要的工程量。而且，鐵塔主材的內(nèi)力隨鐵塔根開的減小而增大，這勢必導致增加鐵塔單基基

14、礎(chǔ)的混凝土量和鋼筋用量。避免這種情況最好的方法就是使用掏挖基礎(chǔ)，由于掏挖基礎(chǔ)的基坑開口僅比立柱稍寬，基面非常小，因此一般不會出現(xiàn)內(nèi)邊坡的問題。板式基礎(chǔ)采用半掏挖施工方式時也能達到或接近掏挖基礎(chǔ)的效果。當確定高低腿的配置時。為了盡可能減少開方量，就需要確定以哪條腿的標高為基準來確定其他塔腿的長度。理論上以四個基礎(chǔ)中的任何一個作為標準都可以，通?？刹捎萌缦伦龇ǎ阂运恢行臉稙?.0標高，查看每個基礎(chǔ)中心自然地面的標高之間的高差，將符合級差的塔腿基礎(chǔ)標高作為參照點，其他基礎(chǔ)與參照點比較，做適當?shù)募痈呋蜷_基面，以求符合高低腿級差?？偟男Ч沁_到開方量最小。但是，當鐵塔根開較小時，常常會發(fā)生低腿的基坑放

15、坡影響到了高腿的基礎(chǔ)穩(wěn)定保護的土體。為了避免影響到高腿基礎(chǔ)的安全，盡量保證低腿與高腿之間內(nèi)邊坡的山體為原狀山體，應盡量以最低腿的標高為基準點。當然還有一種理想狀況，就是四個基礎(chǔ)之間的高差正好都是高低腿級配，并且基礎(chǔ)露出自然地面而加高的高度在設(shè)計范圍內(nèi)，這種情況下理論上無需降基面。2.3從施工方面考慮。如何處理棄土，一直是山區(qū)工程需要考慮解決的問題。以往工程中開挖基坑回填過后產(chǎn)生的余土都是直接推下山坡，對環(huán)境影響很大，并且破壞了山區(qū)的整體景觀和環(huán)境。棄土由于非常松散，等到植被覆蓋需要幾年的時間，一旦遇到集中的降雨，棄土被山上形成的匯水沖刷向下，還可能引起規(guī)模不等的泥石流，在以往工程中曾出現(xiàn)過類似

16、的情況，余土沿山間沖溝沖入山下的村莊，造成了一定的財產(chǎn)損失。雖然余土問題主要是施工單位考慮，但是在設(shè)計時應考慮對余土處理的說明和設(shè)計交底。例如龍政直流、三廣直流施工中，施工單位在塔位下方用麻袋裝土壘簡易的土墻，降低開挖時余土影響的范圍，對于運輸方便的地區(qū)，要求將余土外運，在安全的地方妥善處理等。采用砌筑擋土墻的方式解決保護距離不夠和余土問題。線路工程中的擋土墻設(shè)計和施工方法都比較簡單，單基工程量并不大，但是也應該從設(shè)計和施工兩方面認真加以研究，防止事故的發(fā)生。從以往工程的經(jīng)驗看，擋土墻倒塌的原因從設(shè)計角度分析主要有以下幾種：a）對擋土墻周圍地形調(diào)查了解不夠，特別是擋墻后面有無排水設(shè)施（如截洪溝

17、）和它的排水走向。為了得到一個清晰的明確的概念，光坐在辦公室看地形圖往往不能解決問題，必須到現(xiàn)場實地踏勘。b）對各種自然因素估計不夠，特別是集中在雨季的雨量和墻后的匯水面積。c）擋土墻排水要求考慮不周，其中主要是墻后匯水面上的地表水的排除易被忽略。d）山區(qū)地基軟硬不均，地基強度相差很大，擋土墻又常需跨越很長地段，設(shè)計上有時忽略了變形縫位置應與地基強度相適應，致使擋土墻沉降不均，逐漸開裂而倒塌。e）土壤與基巖間因流水的侵蝕常形成一層軟弱面。如果土體失去平衡，土壤就會沿此面滑動。有些擋土墻就是因為設(shè)計上沒有考慮到這一層軟弱面的滑動而倒塌的。特別是有的擋土墻在旱季施工，雨季雨水很大，部分雨水浸入軟弱

18、面，雖然使用多年的擋土墻也會突然倒塌。從施工方面考慮，擋土墻倒塌的原因有如下幾種：a）不按圖紙施工，擋土墻灰漿強度不夠，基面埋深不夠或者沒有達到要求的持力層上。b）搶進度，組砌方法不正確，砂窩、孔洞、干研縫都有。c）不按設(shè)計要求做好墻后排水，這是擋土墻倒塌的主要原因。很多擋土墻光見排水孔不見淌水，就是墻后填土沒有按要求做好濾水層和隔水層，排水孔形同虛設(shè)，實際水還是流到墻基，軟化地基造成擋土墻倒塌。此外，擋土墻建成后，墻后應按設(shè)計要求填土分層夯實，到墻頂標高處要及時封閉或采取必要的排水措施，防止地表水浸泡填土，增加土壓力。d）有的擋土墻工程量大，采用分段施工，形成土體新的臨空面。在雨水侵蝕下，土

19、壤臨空面極易塌方。根據(jù)上面的分析，擋土墻是山區(qū)施工中達到環(huán)境保護目的的重要措施，但是它畢竟是一種補救開方量過大時的補救措施，適當?shù)膽檬潜匾?。但不可隨意使用。另外，筆者認為在編制初步設(shè)計概算書時，是否可以考慮列入一筆施工結(jié)束后對塔位綠化的費用，這樣可以促使施工單位增強環(huán)境保護的意識，提高工程的質(zhì)量。3工程實例介紹在山區(qū)工程中，由于送電線路距離長、跨越區(qū)域廣、沿途地形與地質(zhì)條件復雜、地基土物理性質(zhì)差異性較大，設(shè)計和施工需要考慮的邊界條件較多，但其中最富變化和最難于定量分析的是地基問題，地基條件將直接影響和決定基礎(chǔ)的選型與設(shè)計?，F(xiàn)通過介紹500kV宣城至富陽輸電線路工程個別塔基的基礎(chǔ)處理，總結(jié)出切實可行的經(jīng)驗方法，供線路結(jié)構(gòu)專業(yè)的同行參考。以500kV宣城至富陽輸電線路工程231塔（SKT60）為例：本塔立于山坡上，地質(zhì)情況為中等風化巖石，線路前進方向左側(cè)下方有盤山公路，距塔位中心樁僅為35米左右，山坡坡度約為35，若采用常規(guī)基礎(chǔ)勢必造成基面降方量巨大（本塔呼高高、基礎(chǔ)根開大，