平原地区1 000 kV交流特高压输电线路基础优化设计研究

黄勇祥，苏仁恒，杨国军，李 霖，周文化

（1.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007；2.国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001；3.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东 临沂 276000；4.国网山东省电力公司潍坊供电公司，山东 潍坊 262510；5.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

1 000 kV特高压交流输电线路是目前世界上电压等级最高的交流输电线路，基础安全是输电线路安全运行的基本保障。根据1 000 kV榆横—潍坊交流输电线路工程山东境内冲积平原地区的地质水文特点，对基础型式选取、构造措施等进行优化设计研究，从而减少材料耗量、降低造价。

1 基础型式选择

1000 kV榆横—潍坊交流输电线路工程部分位于山东境内冲积平原地区，岩性主要由第四系全新统冲、洪积形成的黏性土、粉土及砂土构成，地下水埋藏较浅，基本在1～4m。针对此类水文地质条件以及1 000 kV杆塔基础作用力特点，基础主要型式可采用板式基础和灌注桩基础。

1.1 常用计算模型

1.1.1 板式基础计算

板式基础采用土重计算法模型，土重法模型适用于回填抗拔土体状态下的非松散砂类土和黏性土。DL/T 5219—2014第4.3节提供了针对非松散砂类土和黏性土的相关参数值。土重法上拔稳定计算方法只适用于大开挖施工的土类地基［1］。

1.1.2 桩基础计算

下压承载力计算。桩基础下压承载力按照JGJ 94—2008 中 5.3.6 节规定计算［1，5］：

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk、Qpk分别为总极限侧阻力标准值、总极限端阻力标准值；lsi为桩周第i层土的厚度；Ap为桩端面积；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值；qpk为桩径为800mm的极限端阻力标准值；ψsi、ψp分别为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数；u为桩身周长。

单桩竖向承载力特征值

桩基础上拔承载力按照DL/T 5219—2014中9.5节规定计算：

单桩或群桩呈非整体坏时，基桩的抗拔极限承载力标准值

式中：Tuk为单桩或基桩抗拔极限承载力标准值；Gp为单桩（土）或基桩（土）自重；ui为桩身周长，对于等直径桩取u=πd，对于扩底桩按表1取值；li为第i层土的厚度；λi为抗拔系数，可按 DL/T 5219—2014 中表9.5.2-2取值。

表1 扩底桩破坏表面周长

水平承载力与位移计算。水平承载力与位移计算按照普通灌注桩进行，具体计算方法参见DL/T 5219—2014中 9.6节。

本体计算。本体计算按照普通灌注桩进行，具体计算方法参见DL/T 5219—2014中9.7节。

1.2 基础型式选取

为选取合适的基础形式，选取本工程典型冲洪积平原地质、有地下水、典型双回路直线塔和转角塔进行基础选型计算比较，计算地质参数、荷载水平及计算结果如表2～4。

表2 地质计算参数

表3 典型双回路塔基础作用力 kN

计算结果表明，在基础作用力相对较小时，单根灌注桩基础的混凝土量最小，而且其成桩工艺决定基本无开挖土方量，对环境破坏少，其经济指标最优；板式基础的工程量优于群桩基础，但由于其土方量较大，使其经济性差于单桩基础。对于基础作用力较大的1 000 kV双回路转角塔，单桩基础的桩径已需达到2.6m以上，施工较困难，工程量也大幅上升，相对群桩基础已不再具备明显优势；板式基础的底板宽度达到9m以上，埋深达到5m以上，基坑开挖量巨大，而且还需辅以降排水措施保证基坑安全，额外增加造价，基础的开挖回填也需严格控制以免造成基坑坍塌、基础偏移等事故，因此此时采用群桩基础是最为经济的。

因此，对本工程有地下水的粉土、黏性土、砂土平原地区杆塔，基础作用力较小时采用灌注桩单桩基础，基础作用力较大的杆塔采用钻孔灌注桩群桩基础。

表4 各基础型式经济技术指标比较

2 板式基础优化

本工程大部分地区地下水位较浅，对于地下水位较深的平原地区杆塔，基础作用力较小直线型杆塔选用大开挖的板式基础最为经济。板式基础的优化主要从基础主柱宽度、基础埋深、基础底板宽及底板厚度等方面进行。

2.1 基础主柱宽度优化

基础主柱的大小一方面取决于基础主柱外负荷的大小，另一方面需满足构造要求。在满足地脚螺栓边距、塔脚底板边距或插入角钢最小柱宽等构造要求下，综合考虑主柱水平承载力、柱顶位移以及钢筋净距等因素，尽量采用较小的断面尺寸以节约混凝土。

2.2 基础埋深优化

影响基础埋深的主要因素有：基础作用力的大小、地基持力层的承载力大小、地下水深度、基础的稳定及底板的强度和施工工艺的要求。

对板式基础来说，在临界深度范围内，基础埋置越深，越能充分发挥土体抵抗基础上拔力的效力。因此，基础设计应根据具体地质条件及施工环境，适当加大基础埋深，以减小基础底板尺寸，降低混凝土用量。

2.3 基础底板尺寸优化

基础底板的优化包括底板宽度、底板厚度和底板形状的优化，基础底板的宽度同基础的埋深、基础的作用力和地基承载力有关。

当底板宽度确定后，底板厚度由3方面决定：基础的冲切强度；宽厚比B1/H1≤2.5；底板混凝土同钢筋的比价。

底板变截面设计。为充分发挥底板每个断面的强度，底板采用变截面设计如图1所示。

图1 变截面底板基础型式

图1中阴影部分为采用变截面设计后节省的混凝土量，经计算采用这种底板型式，混凝土量能够比台阶式节约混凝土量10%～30%。

底板厚度优化。由于1 000 kV同塔双回输电线路铁塔基础作用力较大，基础底板钢筋不受最小配筋率控制。通过计算，在基础设计时，底板厚度保证最小宽厚比和底板冲切强度下，底板越薄，混凝土量越少，基础综合造价越低，考虑到1 000 kV铁塔基础作用力较大，底板厚度按不小于300mm控制。

3 桩基础布置优化

由于1 000 kV同塔双回输电线路铁塔基础作用力较大，在本工程冲洪积平原区域的部分塔位采用多桩承台结构的灌注桩基础。计算时，一般选择受力最大的桩基作为埋深和配筋的依据［3-4］。对灌注桩基础优化时，主要调整承台及立柱的布置，尽量使各桩基受力趋于均匀，如图2所示。

对于常规的A型桩基，各桩受力相对最不均匀，外侧桩受力最大，内侧桩最小。立柱为双向偏心受拉控制。

对于B型桩基，承台和桩基旋转45°（立柱不转），外侧两桩受力最大，内侧两桩受力最小。立柱为单向偏心受拉控制。

对于C型桩基，承台45°摆放同时立柱偏心。桩基通过立柱偏心抵消大部分水平力产生的弯矩，各桩受力更加均匀；立柱基本为单向偏心受拉控制。

D型桩基是在C型基础上进一步立柱偏心，基础合力对承台底产生的弯矩接近为零，各桩基本均匀受力。立柱基本为轴向受拉控制。

图2 群桩基础不同的布置方式

本工程典型双回路转角塔灌注桩基础不同布置方案下的技术经济指标对比如表5所示。计算比较时，方案C中的立柱偏心量为0.2m，方案D偏心量为方案C中的两倍（0.4m）。

计算结果可知：承台45°摆放后（B型），灌注桩桩长较常规桩基（A型）减少1.0～2.0m。立柱偏心进一步减小桩基长度或桩径，当立柱偏心取最大偏心量的一半时 （C型），基础混凝土量较A型降低了10%；且由于偏心抵消部分水平力产生的弯矩，各桩受力更加均匀，桩钢筋量显著下降；D型基础相对C型基础的材料量降低并不多，且立柱偏心过大会增加施工难度，一味增大立柱偏心是没有必要的。

表5 不同桩基方案计算结果比较

因此，对于平地的灌注桩基础，推荐采用承台45°摆放加立柱偏心的基础型式，偏心量根据杆塔作用力的大小来优化取值。

4 钢筋选择及布置优化

4.1 高强度钢筋的应用

特高压交流输电线路工程的基础负荷较大，继续按照以往工程采用HRB335级钢筋，势必加大基础用钢量。目前HRB335级和HRB400级钢筋的市场价格已相差不大，采用HRB400钢筋可以有效降低基础用钢量，进而降低工程造价。

现以本工程特高压工程中Ⅱ型直线塔和Ⅱ型转角塔为例，对HRB335级与HRB400级钢筋进行经济比较，对比结果如表6所示。

表6 基础材料量和造价比较

由表6的对比情况可知，采用HRB400级钢筋后，基础用钢量节省7%～10%，在考虑综合造价之后，综合造价节省4%左右，近年建设的多条特高压交直流线路工程中，也大量采用了HRB400钢筋，取得了很好的经济效益。

4.2 钢筋布置优化

特高压交流输电线路工程的基础钢筋用量增多，基础设计时即使采用大直径钢筋，钢筋数量仍然较多，钢筋笼致密，以至于影响混凝土浇筑质量。解决这一问题通常有两种方法：一是通过加大主柱宽度来满足要求，但同时也带来混凝土量的增加，二是采用钢筋并筋设置，在不增加混凝土用量的前提下，增大钢筋净距，如图3所示。

图3 基础并筋示意

按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》允许构件钢筋采用并筋的配置型式。但对并筋也做了以下原则限制：直径28mm及以下的钢筋并筋数量不应超过3根；直径32mm的钢筋并筋数量宜为2根；直径36mm及以上钢筋不应采用并筋。并筋应按单根等效钢筋进行计算，等效钢筋的等效直径应按照截面面积相等的原则换算确定，GB 50010—2010也给出的并筋后等效直径值如表7所示［6］。

表7 并筋等效直径取值

并筋对减小主柱直径或增大钢筋净距效果较明显，另外施工时允许采用绑扎方式进行并筋，可操作性强。因此建议对钢筋净距控制基础设计情况，可采用并筋设置，避免基础尺寸过大，浪费混凝土材料。

5 基础构造优化

5.1 地脚螺栓偏心

特高压输电线路铁塔基础作用力大，且水平向作用力对基础截面尺寸和基础材料量影响较为显著，针对基础受力特点，采用地脚螺栓偏心布置的方式，下压力或上拔力产生的弯矩抵消部分水平力产生的弯矩，改善了立柱及基底受力性能。地脚螺栓2种连接方式如图4～5所示。

图4 地脚螺栓中心连接

图5 地脚螺栓偏心连接

地脚螺栓偏心连接如图5所示，地脚螺栓群中心沿铁塔对角线方向偏离基础的中心点，相当于垂直作用力在基础柱顶施加一个反向弯矩，在一定程度上抵消水平作用力对基础的影响。对灌注桩基础而言，水平力一般起到控制基础尺寸及配筋率的作用，采用偏心连接，可有效减少基础尺寸，降低配筋率。

以1 000 kV榆横—潍坊交流工程的双回路Ⅱ型直线塔为例（基础作用力见表3），对地脚螺栓偏心布置方式的合理性和经济性进行计算［2～4］。

表8 地脚螺栓偏心基础工程量

由表8可知，该塔型基础在考虑地脚螺栓偏心布置后，能够节省基础混凝土用量5.5%，节省基础钢筋用量12.8%，工程造价也大大降低。全线所有塔型的基础在考虑地脚螺栓偏心布置后，取得了较好的经济效益。

5.2 圆形保护帽

传统地脚螺栓保护帽一般为方形，其对角线方向与铁塔对角线方向相同，因此，采用地脚螺栓偏心连接时，地脚螺栓群及塔脚法兰、保护帽均沿铁塔对角线方向偏移，能够偏移的极限距离一般受到地脚螺栓锚固端与主柱主筋间距、保护帽与主柱边缘间距等因素的控制。

为降低基础混凝土量，设计时一般会尽可能减小基础主柱尺寸，因此，采用传统方形保护帽时，地脚螺栓群实际能够偏移的距离较小，不能充分发挥地脚螺栓群偏心的优势。如要增大地螺偏心值，则需加大基础主柱尺寸，造成基础混凝土量的增加。

对此，基础设计中采取如图6所示圆形地脚螺栓保护帽，使塔脚板与主柱边缘的间距变大，在保持原有主柱尺寸不变的前提下，增大地脚螺栓群的可偏移量，降低基础材料量，具有良好的经济与社会效益。

图6 圆形保护帽

6 结语

根据榆横—潍坊1 000 kV交流线路工程的实际地形地貌及水文地质条件，因地制宜、经济合理地选择基础型式，进行基础设计优化，降低了工程量，取得了良好的经济效益，增加了线路的安全性，减少对周边环境的改变，更好地实现安全、经济、环保的目的，优化方法及优化成果可供后续特高压工程设计时参考。