新疆戈壁地区输电线路铁塔掏挖基础的设计与应用

王运华，丁士君，刘智超，童瑞铭，董天元

(1.新疆电力设计院，乌鲁木齐市 830001;2.中国电力科学研究院输变电工程研究所，北京市 100192)

0 引言

随着西部大开发及“西电东送”发展战略的实施，新疆地区输电线路建设的规模持续扩大，杆塔基础的作用力也随输电线路电压等级的提高而增大［1］。开挖回填式基础作为戈壁地区基础的主要设计形式，是在开挖形成的基坑内现浇或装配基础结构，利用回填岩土体形成的地基，主要依靠基础与土体的自重力来抵抗上拔力。随着杆塔基础建设经济性要求的提高，形成了利用回填土的抗拔作用、埋深的经济性、混凝土扩展基础替代混凝土刚性基础等优化设计思路［2］，但该形基础不能充分利用戈壁地区原状碎石土良好的抗剪性能，材料消耗量偏大。因此，需要设计更科学、更适用的基础形式来满足工程建设的要求。

文献［3］在理论及工程实践方面对掏挖基础的设计及施工工艺进行了探讨，提出了理论计算上的修正及可行的施工工艺，总结了掏挖基础在戈壁地区的推广使用经验。文献［4］通过对新疆和甘肃地区戈壁碎石土地基现场分层直剪试验，提出了抗剪特性和强度参数的取值，为我国戈壁地区掏挖基础的工程应用及其设计优化提供了参考。文献［5-6］表明，戈壁碎石土地基掏挖基础具有良好的抗拔承载性能，施工安全性高、经济环保，能够满足常规输电线路杆塔基础荷载要求，适用于戈壁碎石土地基。文献［7］针对新疆戈壁地区进行了输电线路杆塔掏挖基础的选型与研究，针对典型地质条件，通过现场直剪、输电杆塔载荷等试验，提出了碎石土地基掏挖基础的承载力计算方法和计算参数。

本文将分析掏挖基础在新疆戈壁地区的适用性，根据相关试验结果，对掏挖基础在220 kV小草湖变—托克逊工业园区变送电线路工程中的设计应用进行分析讨论，为掏挖基础在戈壁地区中的推广应用提供参考。

1 碎石土掏挖基础的适用性分析

1.1 碎石土地基的优点

现场直剪试验表明，天然戈壁碎石土具有良好的胶结力，土体自立性较强。但是，尽管新疆戈壁碎石土具有良好的抗剪力学性能，经过开挖破坏后戈壁碎石土的凝聚力指标仍接近0。因此，虽然碎石土地基具有适用掏挖基础的力学性能，但采用开挖回填式基础未充分发挥其承载优势。

1.2 戈壁地区常用的基础形式

根据以往的设计经验，新疆戈壁地区的输电线路工程铁塔基础一般采用大开挖柔性板式钢筋混凝土基础或大开挖台阶式刚性混凝土基础［3］。

(1)台阶式刚性混凝土基础:适用于各类地质、塔型，其特点是施工工艺简单，易于保证质量。基础底板刚性抗压、不配钢筋，主要利用混凝土的质量抵抗上拔荷载的作用。由于该型基础混凝土用量较大，目前应用较少。

(2)柔性板式钢筋混凝土基础:该基础是目前新疆戈壁地区应用最为广泛的型式，相对刚性基础，其底板大且较薄、混凝土量较少，但由于底板双向配筋，钢筋量增加较多。

以上2种基础均属于开挖回填式基础，依靠基础质量及底板上拔一定角度内的土体质量抵抗上拔力，无法利用原状碎石土地基良好的抗剪性能。

1.3 掏挖基础的优点

掏挖式基础是将基础的钢筋骨架和混凝土直接浇入人工掏挖成型的土胎内，以天然土构成的抗拨土体与基础自重相互作用而保持基础的上拨稳定［8］，该型基础充分利用了天然原状土的强度，不仅具有良好的抗拨性能，而且具有较大的水平承载力。此外，其基础结构简单，既能节省混凝土和钢筋的用量，又能减少基础的土石方开挖工程量，“以土代模”，节省了模板，免除了回填土的工序，施工方便。

掏挖基础可以减少对原状土结构、地表植被的破坏，有利于减少水土流失和环境保护。新疆戈壁碎石土场地的基础坑壁自立稳定，浅部一般无地下水，具有掏挖基础的适用条件。

2 掏挖基础的载荷试验结果

2.1 试验概况

试验选择3处具有代表性的碎石土地基试验场地，分别为:乌鲁木齐市达坂城区(地场1)、乌鲁木齐市达坂城区二十里店(场地2)、乌鲁木齐市野生动物园(场地3)。场地基本概况见表1。

表1 试验场地条件Tab.1 Conditions of test site

试验中所用掏挖基础的基本结构如图1所示。

图1 基础结构Fig.1 Foundation's structure

图1中，d为掏挖基础的立柱直径;D为掏挖基础的扩底直径;θ为基底展开角;H为基础埋深;h0为基础主柱露头高度;h1为基础立柱高度;h2为底板圆台高度;h3为底板圆柱高度。

根据戈壁地区输电线路掏挖基础的特性与试验研究目标，应用正交试验方法，对不同规格基础的抗拔承载特性进行了系统研究，各参数取值见表2。

表2 试验基础关键参数配置Tab.2 Key parameter of test foundation

对不同规格的基础分别进行了上拔试验、不同露头基础的水平试验和上拔与水平共同作用试验。

2.2 试验基础的承载力

2.2.1 上拔极限承载力

根据现场输电杆塔载荷试验的测试结果，绘制的不同基础埋深和扩底直径条件下的上拔极限承载力分布如图2所示。

(1)场地1:当掏挖基础扩底直径不小于1.4 m、埋深不小于3.5 m时抗拔承载力大于1 000 kN;当扩底直径不小于1.6 m、埋深不小于4.5 m时抗拔承载力大于1 600 kN。

(2)场地2:当掏挖基础扩底直径不小于1.4 m、埋深不小于4.0 m时抗拔承载力大于2 250 kN;当扩底直径不小于1.8 m、埋深不小于5.0 m时抗拔承载力大于3 875 kN。

(3)场地3:当掏挖基础扩底直径不小于1.4 m、埋深不小于3.0 m时抗拔承载力大于1 175 kN;当扩底直径不小于1.6 m、埋深不小于4.0 m时抗拔承载力大于2 000 kN。

2.2.2 水平极限承载力

根据水平荷载与位移关系曲线，得到不同场地、立柱直径和埋深条件下水平极限承载力与基础露头关系，如图3所示。图3中Ⅰ和Ⅱ为场地编号，1.0和0.8为基础立柱直径(单位为m)，2.34和4.76为基础埋深(单位为m)。

由图3可知:

(1)相同基础尺寸条件下，场地Ⅱ比场地Ⅰ的试验基础水平承载力大，这表明戈壁碎石土地基物理力学性质对基础水平承载能力的影响较大;

(2)试验基础埋深越大则水平承载力越大，试验基础立柱及扩底直径对水平承载力的影响较小;

(3)总体趋势分析，水平承载力随基础露头高度的增大而减小，露头高度是其主要影响因素之一。

2.2.3 试验结果适用性分析

典型杆塔对基础的作用力如表3所示。

表3 典型杆塔对基础的作用力Tab.3 Forces on foundations of typical towers

由表3可以发现，此次试验条件下的戈壁碎石土地基掏挖基础能够满足新疆地区750 kV及其以下电压等级［9］输电线路杆塔基础的设计要求，具有良好的承载性能。

2.3 承载性能分析

(1)抗拔稳定性。根据对戈壁滩碎石土地基进行的大量现场静荷载试验结果及有关设计规范的内容［7-8，10］，戈壁滩碎石土掏挖基础抗拔稳定性需满足式(1)。

式中:γf为分项系数;γE为水平力影响系数;TE为掏挖基础抗拔承载力极限值;A1、A2为无因次计算常数，可按文献［10］中提出的方法得到;c为碎石土粘聚力;γ为碎石土摩擦角;H为基础埋深;Qf为基础自重;Qs为上拔失稳时圆弧剪切曲面范围内的土质量。

(2)抗倾覆稳定性。依据文献［8］及戈壁滩碎石土地基掏挖基础的特点［3，11］，铁塔单腿掏挖基础倾覆稳定及水平作用力需满足式(2)。

式中:TH为基础顶部水平向作用力;m为碎石土地基水平抗力系数;d为掏挖基础立柱直径;H为基础埋深;D为掏挖基础扩底直径;yu为地表处水平极限位移，一般为10 mm;W为基底抵抗矩;h0为基础露头高度。

(3)抗压稳定性及其他。在分析抗压稳定性时应考虑碎石土地基的水平抗力作用，同时基底地基与基础相互作用按弹性进行分析。

(4)基础结构的强度计算。在基础结构计算中推荐采用数值模拟方法对基础的混凝土结构强度进行验算。

3 实际工程应用

3.1 工程概况

新疆戈壁碎石土地基掏挖基础是2010年国家电网公司批准立项的基建新技术研究项目之一，220 kV小草湖变—托克逊工业园变送电线工程是该项目的依托应用工程，线路全长约为47.5 km，其中同塔双回架设线路段长约为47 km，途经托克逊地区，场地土层主要为新疆碎石土，工程已于2010年底竣工，戈壁碎石土地基掏挖基础作为主要杆塔基础形式已成功应用。

3.2 沿线岩土层及基础设计作用力

工程沿线的主要地形地貌如图4所示，上部地层为戈壁碎石土。

图4 工程沿线戈壁地貌Fig.4 Gobi landforms along the transmission line project

沿线可划分为5个工程地质段，如表4所示。

表4 各地质段地基岩土构成Tab.4 Rock and soil composition of ground in different geological sections

第Ⅰ、Ⅱ工程地质段地下水位较深，碎石土地基的物理力学性质与试验场地接近，具备掏挖基础应用的场地条件。

该工程的电压等级为 220 kV，设计风速为38 m/s，主要塔型为适用于大风区的SZ238型直线塔、SJS1(0°～20°)型转角塔、SJS2(20°～35°)型转角塔、SDJ1(0°～40°)型终端塔等双回路鼓型铁塔，基础作用力见表5。

表5不仅表明该工程具有碎石土地基掏挖基础的应用条件，而且为工程杆塔基础设计提供了技术依据。

表5 基础作用力Tab.5 Forces on foundations

3.3 碎石土地基掏挖基础的应用情况

根据施工计划，本阶段工程铁塔共采用掏挖基础79基，其中直线塔67基，耐张转角塔11基，终端塔1基。掏挖深度为:直线塔不超过3.6 m;耐张、终端塔不超过5 m。

掏挖成形的基础坑如图5所示，工程施工中无垮塌、掏挖不成形等现象，施工安全、质量可控。

图5 人工掏挖成型的基坑Fig.5 Artificial digged foundation pit

4 经济效益分析

4.1 不同基础型式的材料用量

工程中应用较多铁塔为SZ238型直线塔和SJS1型耐张塔，其塔基基础型式主要为斜柱开挖式和掏挖式，基础材料如表6所示。

表6 基础材料Tab.6 Foundation materials

由表6可知:运用试验数据设计出的掏挖基础与传统斜柱大开挖基础相比，钢筋用量占斜柱开挖基础钢筋用量的23%左右;混凝土用量占88%左右。

4.2 抗拔承载力

选取依托工程中具有代表性的SZ238-27型直线塔和SJS1-24型耐张塔进行比较，相应的铁塔基础作用力如表7所示。

表7 铁塔基础荷载Tab.7 Loads of tower foundations

当场地为圆砾碎石土时，地质参数的取值为:φ =43°;λ =12 kPa;fak=400 kPa。进行了抗拔、抗倾覆和抗压稳定分析及基础结构强度和配筋计算后，确定实际工程应用基础的尺寸见表8，按式(1)计算得到其可能承受的上部结构荷载作用力见表9。

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由表8、9可以看出，基础满足工程铁塔上部结构荷载的承载要求。

根据文献［8］利用Tfod 2006软件对表8所示的基础进行设计验算，得到A基础条件下A1和A2分别为0和3.7，而B基础对应的A1和A2分别为0和3.3，该验算结果与相关理论计算结果明显不符，此外，在验算过程中基础A和B的混凝土均强度不足导致其无法满足设计要求。利用Tfod 2006软件对SZ238-27型直线塔和SJS1-24型耐张塔的基础进行优化设计时，得到基础尺寸见表10。

表10 优化设计结果Tab.10 Results of optimized design

表10所示的优化计算结果与工程基础实际应用情况相比，前者基础材料量增加，且计算结果不合理，不仅无因次系数计算取值与“剪切法”的理论计算结果不符，而且基础扩大端的圆台高宽比较小，在碎石土地区存在安全隐患。

依托工程的经济效益分析显示，戈壁滩碎石土地基掏挖基础的成功应用共节约基础费用118.5万元。虽然新疆戈壁地区近2年恶劣天气频次增多、灾害程度增高，但该输电线路已正常运行1年多，情况良好、掏挖基础稳定。

由此可见，戈壁碎石土地基掏挖基础既节约了基础的工程造价、减少了开挖量，又具有良好的承载性能，可充分发挥碎石土地基的力学特性。

5 结论

(1)新疆戈壁碎石土地基具有良好的抗剪力学性能，适用于输电线路掏挖基础。

(2)载荷试验表明，新疆戈壁碎石土地基掏挖基础具有良好的承载性能，能满足新疆地区750 kV及以下电压等级输电线路杆塔基础的设计要求。

(3)碎石土地基掏挖基础需进行上拔、下压工况下的抗拔、抗倾覆和抗压稳定性分析，基础结构的强度计算中可以采用数值模拟。

(4)碎石土属于特殊土地基，当前输电线路掏挖基础设计的技术标准存在一定不足，本文提出的相关基础设计技术可以为工程应用提供依据。

(5)掏挖基础在依托工程中的成功应用表明，基础安全、质量可控、经济和社会效益良好，符合输电线路工程建设的要求和发展趋势。

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