特高压输电线路岩石锚杆基础的应用研究

谭青海，刘志清，张　达，郑卫锋，芦尚君

（1.青海省电力设计院，西宁　810006；2.国网山东省电力公司，济南　250001；3.国网山东省电力公司检修公司，济南　250118；4.中国电力科学研究院，北京　102209）



特高压输电线路岩石锚杆基础的应用研究

谭青海1，刘志清2，张达3，郑卫锋4，芦尚君1

（1.青海省电力设计院，西宁810006；2.国网山东省电力公司，济南250001；3.国网山东省电力公司检修公司，济南250118；4.中国电力科学研究院，北京102209）

摘要：随着特高压工程快速建设，线路走廊紧张，途经高山或丘陵地区的线路路径占比较大，机械化施工程度高的岩石锚杆基础应用比例逐步提高。结合理论研究与现场试验，对岩石锚杆基础的破坏模式、锚固长度、极限抗剪强度参数取值等方面提出建议，为在特高压工程中的推广应用提供参考。

关键词：特高压；输电线路；岩石锚杆基础；极限抗拔承载力；锚固长度

1　概述

岩石锚杆基础是以水泥砂浆或细石混凝土和锚筋灌注于钻凿成型的岩孔内形成锚杆，并与承台等构件组成的基础型式。与一般常用杆塔基础比较，属于经济环保型基础，一方面充分利用岩石的高强度、低变形，可承受较大的竖向拉力和压力；另一方面，显著地减小开挖量，且施工机械化程度高，大大降低了基础混凝土和钢材量，工程造价低，且减少对环境的破坏。

岩石锚杆已在220～750 kV输电线路工程中有一定应用，但在特高压工程中的应用还鲜见于文献。近年来，随着特高压工程快速建设，岩石锚杆基础已逐渐得到应用。为此，针对特高压大荷载条件下应用岩石锚杆基础，结合理论研究与现场试验，对岩石锚杆基础进行分析，为其在特高压输电线路工程中的应用提供参考。

2　岩石锚杆基础设计

2.1岩石锚杆基础的破坏模式

输电线路岩石锚杆基础的主要破坏模式如图1所示，包括5种类型［1-3］。

锚筋拉断破坏。当锚杆所受拉力超过钢筋的抗拉强度时，锚筋就会被拉断。

锚筋和灌浆体间粘结破坏。当钢筋和灌浆体的粘结强度不足以抵抗所受拉力，钢筋和灌浆体间就会发生粘结破坏，导致锚筋被拔出。

灌浆体和岩体间粘结破坏。灌浆体和岩体之间的粘结强度较低，破坏可能发生在灌浆体和岩体间，整个锚固体被整体拔出。

岩体自身剪切破坏。单锚岩体剪切破坏。在锚筋有效锚固段长度不够时，锚筋受拔后岩土体产生剪切破坏，锚杆与周围基岩出现位移或出现倒锥形破坏面，造成岩体破坏锚杆基础失效。群锚岩体剪切破坏。当锚杆之间按规范间距布置2个及以上数量杆体，受拔岩体相邻区重叠，整个抗拔区体内剪切荷载过大时，就可能造成岩土体的破坏。

图1　岩石锚杆基础的破坏状态

岩石锚杆基础主要材料有锚筋和浆体，其按要求浇筑在事先钻好的岩孔内，因此该基础受力摩擦面有钢筋与浆体界面、浆体与岩石界面。设计锚杆基础时，需按图1所示破坏类型，一一考虑；当这5种破坏模式设计强度确定后，它们要满足“木桶理论”，按最小承载力确定为锚杆基础的极限抗拔承载力。

2.2岩石锚杆基础的极限上拔承载力计算

岩石锚杆基础的极限上拔承载力如式（1）所示，对应上述5种不同破坏模式，各符号如图2所示，各符号的意义见相关规定［1］。

图2　岩石锚杆基础极限上拔承载力计算示意

根据公式的定义，当主要锚筋材质、浆体强度确定条件下，锚筋拉断破坏T1值主要由锚筋直径决定；锚筋和灌浆体间粘结破坏T2值由锚筋直径和有效锚固长度决定；灌浆体和岩体间粘结破坏T3值主要由基岩风化程度、锚杆有效埋深和孔径决定；单锚岩体剪切破坏T4值由孔深、孔径和岩体力学性质决定；T5和T4一样的参数，但要额外考虑抗拔岩体自重。

2.2.1锚筋抽出破坏设计计算

锚筋和灌浆体间的粘结强度τa、灌浆体和岩体间的粘结强度τb均符合凯尔文问题［4］，对于这两个强度值计算参考文献都有详细论述，主要与浆体强度、岩石强度有密切关系。但为了方便工程应用，对其取值依据理论研究结果，建立计算模型，之后在不同试验条件下验证对τa、τb的取值。

锚筋和灌浆体的粘结强度τa主要由3部分作用力组成：①胶着力，胶着力是钢筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力，这种吸附作用力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时该力即消失；②摩擦力，摩擦力是混凝土收缩握裹钢筋而产生的阻滑作用力，接触面的粗糙程度越大，钢筋与混凝土之间的摩擦力就越大。③咬合力，咬合力是钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力，对于光圆钢筋其咬合力很小，对于螺纹钢筋咬合力是由于钢筋肋间嵌入混凝土而产生的。上述3部分力中咬合力起控制作用，因此建议锚筋采用高强度的螺纹筋。

表1为相关规范［5-6］中规定的τa取值标准，该值在建筑边坡工程技术规范GB 50330—2013、岩土锚杆（索）技术规程CECS 22—2005、架空输电线路基础设计技术规程DL/T 5219—2014中，相同点浆体强度越高取值越大，不同点电力行业规程没有按强度等级分别给出数值，但总体范围没有太大区别。结合输电线路行业自身特点，依据试验结果，τa可根据水泥砂浆或细石混凝土的强度等级取值，C20时取值2 000 kPa，C30时取值3 000 kPa。

表1　相关规范中的τa取值

文献研究［7］与现场真型试验［8-12］结果表明，锚筋抽出破坏状态下的最大锚固力出现在9～15 d的深度范围内，分布的最大深度为45～60 d的深度，按直径40 mm锚筋计算，主要锚固力位于埋深0.4～0.6 m范围。锚固力最小位于埋深1.8～2.4 m范围，因此锚筋并不是越深越好，la可根据基岩风化程度确定，未风化或微风化时取25 d，中等风化时取35 d，强风化时取45 d。

2.2.2锚固体抽出破坏设计计算

表2为相关规范中规定的τb取值标准，通过3个不同的规程、规范比较，并结合输电杆塔基础作用力特点，τb取值偏小，建议适当提高。

表2　相关规范中的τb取值

在软岩地质条件下，往往才发生锚固体抽出破坏，不同的软岩τb的受力情况也不一样，但有个受力有效范围，过短不足以抵抗拉力，过长又比较保守不经济。考虑杆塔基础不同于建筑基础既受拉又受压的特点，lb可根据基岩风化程度确定，未风化或微风化时取25 D，中等风化时取35 D，强风化时取45 D。

2.2.3岩体剪切破坏设计计算

表征岩体发生剪切破坏的主要参数是岩石等代极限剪切强度τs。现行电力行业标准中τs取值范围较大；同时τs不属于岩石物理力学性质指标，在工程中无法利用地质勘测工作确定其数值，必须经过若干个岩石剪切试验找出其破坏的规律，修正不同边界条件获得其参数。

目前，基坑工程、交通工程、房屋建筑等相关规范中无τs值；相关文献［13-16］提到的岩层抗剪切强度与输电线路行业中的τs意义相同，建议坚硬岩层的抗剪切强度约等于抗压强度的1 / 12，τ取值约2 500 kPa；输电线路工程大量的现场真型试验结果反算表明，对于不同风化程度的软硬岩石，τs取值均不大于150 kPa。

鉴于此，电力行业标准中的τs取值严重偏小，设计时可取大值，无经验时建议通过缩比的现场真型试验确定。

3　设计参数影响分析

±800 kV某铁塔基础上拔荷载设计值为：TE= 1 800 kN，Tx=230 kN，Ty=220 kN；下压荷载设计值为：NE=2 300 kN，Nx=322 kN，Ny=326 kN。地质参数为强风化，软质岩石，τa=2 950 kPa，τb=100～200 kPa，τs= 10～20 kPa。

根据上覆土层厚度及现场地形条件，采用锚筋材质HRB400、直径40 mm、数量9根，锚杆间距0.5 m，锚固深度6 m，其承台底板与立柱尺寸如图3所示。

设计计算中根据不同的参数取值，主要为锚筋与砂浆或细石混凝土间的粘结强度标准值τb、岩石等代剪切强度特征值τs取值不同，计算不同破坏状态下的上拔承载力计算汇总，如表3所示。

根据初步计算结果可知，针对软质岩石，在强风化状态下，承台式锚桩基础的上拔承载力计算控制因素主要为τb、τs的取值，因此在设计中应重点结合现场地质条件，选择恰当的τb、τs取值。

图3　初步设计的承台式锚桩基础尺寸示意

表3　不同破坏状态下的上拔承载力计算汇总

4　结语

特高压工程中采用岩石锚杆基础，可减少材料用量和施工弃土，降低工程造价，经济、社会和环境效益良好。

在设计中，锚筋和灌浆体间的粘结强度τa可根据灌浆体强度取2 000～3 000 kPa，受力范围的计算长度la可根据岩石风化程度分别取25 d、35 d、45 d；灌浆体和岩体间的粘结强度τb可根据岩体硬度与风化程度按电力行业标准取值，并应适当提高，受力范围的计算长度lb可根据岩石风化程度分别取25 D、35 D、45 D。

强风化软质岩条件下锚杆基础上拔承载力设计的控制因素为τb、τs。

参考文献

［1］DL/T 5219—2014架空送电线路基础设计技术规定［S］.

［2］黄大维，袁文可.岩石锚杆基础在山区高压输电线路的试验与应用［J］.华东电力，1994（2）：9-12.

［3］宋永发.送电线路岩石锚杆基础试验研究［J］.岩土工程学报，1995，17（4）：89-94.

［4］郑卫锋.深基坑预应力锚杆柔性支护力学性能的研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［5］GB 50007—2011建筑地基基础设计规范［S］.

［6］CECS 22—2005岩土锚杆（索）技术规程［S］.

［7］黄求顺，张四平，胡岱文.边坡工程［M］.重庆：重庆大学出版社，2003.

［8］中国电力科学研究院.节理裂隙岩体地基注浆式锚杆基础研究［R］.北京，2009.

［9］中国电力科学研究院.输电线路新型环保型基础型式的应用研究［R］.北京，2009.

［10］国网北京电力建设研究院.华北地区输电线路岩石锚杆基础试验研究［R］.北京，2005.

［11］国网北京电力建设研究院.浙江220 kV舟山与大陆联网工程大跨越输电线路岩石锚杆基础试验研究［R］.北京，2008.

［12］国网北京电力建设研究院.福建莆田湄洲湾大跨越输电线路岩石锚杆基础试验研究［R］.北京，2008.

［13］程良奎，范景伦，韩军，等.岩土锚固［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［14］郑卫锋，杨文智，满银.架空输电线路岩石基础技术规定详解［J］.智能电网，2015，3（8）：771-776.

［15］中国电力科学研究院.酒湖线岩石锚杆基础推广应用研究［R］.北京，2015.

［16］GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范［S］.

Application Research on Rock Anchor Foundation of UHV Transmission Lines

TAN Qinghai1，LIU Zhiqing2，ZHANG Da3，ZHENG Weifeng4，LU Shangjun1
（1. Qinghai Power Research Institute，Qinghai 810006，China；2. State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；4. China Electric Power Researcher Institute，Beijing 102209，China）

Abstract:With the quick construction of UHV transmission lines，the share of hilly-mountainous region has more percent in transmission line terrain. Rock anchor foundation has high degree of mechanization construction，and the application proportion gradually increases in the UHV transmission lines project. Based on the theoretical study and field tests，some suggestions about the failure mode，anchored length，design parameters，construction machineries and test detection of rock anchor foundation have been summarized. Research results can offer references for the application of the rock anchor foundation.

Key words:ultra-high voltage；transmission line；rock anchor foundation；ultimate uplift beating capacity；critical anchorage length

中图分类号：TM75；TU470

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0024－04

收稿日期：2016-04-18

作者简介：

谭青海（1974），男，高级工程师，从事输电线路杆塔设计工作。