输电线路基础形式选择及优化

闫芳芳，张 斌，王 婼

（1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西太原030001；2.北京恒华华伟业科技股份有限公司，山西太原030001）

1 引言

输电线路途径地质条件比较复杂，基础方案选择的优劣直接影响基础的安全和工程量指标，因此对各种基础型式的受力特点及优缺点进行分析和比较至关重要。

2 输电线路工程常见杆塔基础形式

2.1 台阶式基础

线路途经沟谷、低洼地带，地下水位较高地段为了方便施工，选用混凝土台阶式基础。该基础虽混凝土耗量较钢筋砼板式基础高，但耗钢量较小；有地下水时，使用砼台阶式基础可避免在水中编排钢筋，排水过程中可快速浇注混凝土，施工方便。同等埋深下，混凝土体积大，浮自重较钢筋砼板式基础重，容易满足基础上拔要求，与底板配筋的钢筋砼板式基础相比，可以适当浅埋。

2.2 板式直柱基础

该基础型式是国内传统的基础形式之一。其特点是开挖方便、可进行浅埋，在较易出线流沙或者地下水位较高的地基中应用居多，能避免基坑坍塌的危险，还可降低深挖水坑的工作难度。底板宽度与高度不受刚性角的限制，宽高比可增至2.5倍。且混凝土耗量较台阶式基础小，自重轻，可减小对地基的下压力。由于它底板配有钢筋，柔性较大，抗变形能力强，不易断裂，总体抗地基变形能力强。但底板面积较大，基坑土石方量稍高。

2.3 板式斜柱基础

该基础型式是国内外通用的基础型式之一，是板式基础的特殊型式。其主要特点是：基础立柱坡度与塔腿主材坡度一致，塔腿主材（角钢或钢管）直接插入底板，可减少基础柱顶水平力，降低立柱正截面强度，缩小立柱断面。底板双向配筋，底板较薄，台阶宽高比可扩大至2.5，底板面积较大，适宜基础浅埋和加大上拔土体而增加基础抗拔能力。与钢筋混凝土板式基础相比，由于省去了塔脚板和地脚螺栓，其钢材的综合指标降低了25%左右，造价低15%。从经济角度看宜优先采用此种基础型式，但基坑开挖土石方量较大，对塔位基面有一定破坏。该基础型式主要适用于不能掏挖成型的粉土、砂土、碎石坡积土及地下水水位较浅地段上的各类型主材铁塔，四腿基柱可不等高布置。

2.4 岩石嵌固基础

该基础型式适用于强风化岩石地区，将所需的基坑直接挖在岩石地基中，将钢筋骨架放入基坑当中，直接在基坑浇筑杆塔基础，使混凝土与岩石粘结成一体，充分利用了岩石本身的抗剪强度，来达到牢固的作用。采用该基础型式对降低工程造价和缩短施工工期有重要意义。

2.5 掏挖式基础

该基础充分利用了原状土抗拔力大或岩石自身的力学性能好的优势，提高基础的抗拔、抗倾覆承载能力。从而节省基础混凝土和钢材的耗量，基坑土方量也大幅降低，施工过程省去了支模、拆模、回填等工作。

该基础方便加高主柱并配合长短腿使用，达到就地开挖基础，实现山区零降基面的目标。在基岩地段该基础可加长主柱直接穿过覆盖层，扩大了岩石基础的使用范围。

此类基础主要用于普通土（无地下水）和岩石地基上的直线塔采用掏挖式基础。

2.6 人工挖孔基础

这种基础能利用侧壁摩阻力承受上拔荷载，并且深度修正可提高地基的地耐力、增强基础的下压稳定性，可减小塔基发生浅表性垮塌的机率。另外桩基础露头高度可以灵活调节（露头可以达到3～4m），减少了基面开方量与护坡量，从而最大限度的减少了对地表植被和周围环境的破坏和污染。这种基础主要用在坡度较陡、场地狭窄、采用其他基础开方量很大的山区塔位，施工时要做好混凝土护壁以保证施工安全。

2.7 灌注桩基础

钻孔灌注桩是一种深基础型式，以其适应性强、成本适中、后期质量稳定、承载力大等优点广泛地应用输电线路工程中。对于线路无法避让的水域或是洪水漫堤冲刷深度较大的塔位钻孔灌注桩是最好的选择。钻孔灌注桩有单桩、双桩承台、多桩承台和四桩连梁等多种形式，在实际设计上要根据地质情况和基础作用力做方案比较，以取得经济性和安全合理性的最佳结合。灌注桩基础不需要大开挖，施工时处理好泥浆就不会对环境和农田造成影响。

3 基础优化

基础优化包括基础材料选择、基础尺寸优化、铁塔与基础连接方式的优化以及基础作用力优化。

3.1 嵌固基础配筋优化

嵌固基础的配筋方式主要有以下两种：（1）地脚螺栓按常规设置，基础配主筋、箍筋；（2）地脚螺栓直接通到基础底部，仅对地脚螺栓进行构造配置箍筋。

两种基础型式尺寸相同、混凝土量相同，且配筋均能够满足结构的要求，区别在于其制造、施工工艺以及材料的单价，按照基础钢筋单价2500元/吨、地脚螺栓单价5000元/吨计算，以某500kV直线塔为例，两者的指标分析见下表：

基础 基础钢材（kg） 造价（万元）优点缺点地脚螺栓钢筋嵌固式基础① 1360 3163 1.47施工工艺简单；单价底。主柱需配筋。嵌固式基础② 4080 110.2 2.07 主柱不需配筋。单价高；地螺过长，生产运输难。

由以上分析可知：嵌固式基础①施工工艺简单，生产运输方便，节省造价30%左右

3.2 基础尺寸优化

现以一直线塔采用板式斜柱基础为例，进行基础结构何尺寸优化：

地质条件：粉土；γ＝16kN/m3；α＝20°；fk＝130kPa

采用的方法是：起始变量首先以台阶宽高比达到2.5开始，先以100mm为模数依次增加基础主柱高度，通过减小台阶宽度从而减小底板宽度，直至底板宽高比为2.0为止，优化过程中主柱宽度应尽量小。

经计算结果可见：方案1～方案11随基础逐步增大基础埋深，降低底板宽度，混凝土耗量和钢材耗量基本为线形递减，由于基础作用力较大，基础底板宽度再减小时混凝土台阶抗拉受控，基础底面尺寸无法减小继续优化。优化基础几何尺寸时，在立柱宽度满足构造要求的前提下，调整底板宽度和基础埋深。由上表可以得出，通过基础埋深、主柱宽度、底板宽度和厚度的优化，可有效降低基础的造价指标。

3.3 基础作用力优化

线路中耐张塔的使用数量比直线塔少，但其基础作用力大，基础工程量高，对基础工程量单公里指标的影响较大。

转角塔主要承受导线和地线的张力，因此基础作用力的大小直接与转角度数有关系。在铁塔设计时转角塔按角度进行塔型划分。但基础设计采用铁塔设计相同的转角划分会导致一定程度的浪费。比如II型转角塔，20度基础作用力较30度减少10%左右，若按30度的基础作用力设计，明显是不合适的。因此在转角塔基础设计时，将按其实际使用角度计算基础作用力并按该作用力设计基础，转角塔基础量节省3%～8%。

基础几何尺寸优化（单腿量）

4 结束语

从混凝土用量看，原状土基础比大开挖基础用量小。

从环保及适应地形的角度看，原状土基础可以很好的适应地形，做到零基面施工；而板式基础无法很好的适应山区地形，且土石方量巨大，不环保经济。

从施工难度来看，板式基础开方量大，在岩石地段开凿基坑施工难度大；岩石嵌固基础及人工挖孔桩基础在风化程度高的岩石地基段，施工难度较小，但在岩石完整性好的地段，施工难度同样较大。