鲁固特高压直流黄河大跨越基础设计

张丽娟，姚元玺

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

鲁固特高压直流工程跨越黄河线路长度3.702 km，跨越断面处两岸大堤宽约3.3 km，主河槽距离左岸较近，宽约600 m，左岸滩地宽约700 m，右岸滩地宽度约2 000 m，右岸滩地较左岸滩地开阔。左岸滩地直线跨越塔位于黄河主河槽人工约束石头堤防外侧，右岸滩地须立两基直线跨越塔。

大跨越杆塔产生的基础作用力较大，地质条件差，设计洪水位较高，水文冲刷深度大，基础设计需特殊考虑。结合黄河跨越段的地质情况、水文特点、跨越塔基础受力特点，对跨越塔的基础型式、布置方案进行优化设计，介绍了基础计算的外部荷载组合以及结构计算方法，保障大跨越基础设计安全可靠、经济环保，减少了施工对环境的破坏，施工的可操作性和质量的可控制性强。

1 地质水文条件

1.1 水文条件

线路黄河跨越处设防水位为17.85 m，50 年河床淤积抬高后，设防水位为21.98 m。根据工程防洪评估报告，设防流量洪水条件下，滩地三基跨越塔位最大冲刷水深分别为11.46 m、14.49 m、14.49 m，对应的最大冲刷深度分别为7.28 m、11.01 m、9.11 m。

黄河下游河道由西南流向东北，由于河道纬度的差异，导致平均气温下段比上段低3～4 ℃，下段封河早、开河晚、冰层厚；上段封河晚、开河早、冰层薄。封河时下端封河早，易形成冰塞阻塞河道，壅高水位，漫滩受灾。滩地流冰要素参考主槽一般年份流冰要素确定，冰块尺寸为50 m×50 m，最大冰厚0.4 m，最大冰速按1.0～2.5 m／s 考虑。

对于滩地塔位，须考虑洪水期漂浮物的影响，伴随洪水漂浮物主要为树木、农作物、房梁、柴草等。树木一般长20 m 左右、树干直径0.3～0.4 m，房梁一般长5 m、直径0.4 m 左右，农作物、高秆作物一般长3 m 左右。

1.2 地质条件

跨越段塔位地处黄河漫滩，岩性主要有黏土、粉土和砂土。地层上部粉土为褐黄色，稍密，湿或很湿，局部夹粉质黏土及粉细砂薄层；粉质黏土为褐黄色，软塑状态为主，局部可塑状态；粉细砂为灰黄色，松散，饱和，夹粉质黏土薄层。地层下部粉土为灰黄色，稍密或中密，很湿，局部夹粉细砂和粉质黏土薄层；粉质黏土为灰黄色，可塑或硬塑状态，局部软塑状态；粉细砂为褐黄色，中密或密实，饱和。

勘探深度内地下水类型第四系孔隙潜水，主要赋存于粉土、砂土地层中，勘测期间地下水稳定水位埋深为0～3.6 m，塔基处常年最高水位埋深接近自然地表。

塔位处场地土类型为中软土，建筑场地类别为Ⅲ类，参照GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，场地地震基本烈度为7 度，地震动反应谱特征周期为0.65 s，同时场地分布有全新世（Q4）粉土、砂土，应进行场地土地震液化判别［1］。按照标准贯入试验成果，拟建场地属中等或严重液化场地，最大液化深度20 m。

2 基础设计要点

2.1 基础型式

大跨越杆塔基础负荷大，冲刷深，黄河冰凌及漂浮物冲击力大，且基础悬臂高度较大，水平荷载将对基础产生明显的附加弯矩，因此跨越塔基础须在满足竖向承载力的同时具有足够的抗弯和抗倾覆能力。在众多铁塔基础型式中，桩基满足此要求。由于桩基有特殊的施工工艺，其埋置深度不受限制，而且有承载能力高、稳定性能好、基础沉降小且均匀、便于机械化施工、适应性强等优点，国内外多条大跨越输电线路中河道内立塔都采用了不同组合方式的桩基，并且有长期的运行经验。本工程滩地内跨越塔的桩基础型式选择钻孔灌注桩，因跨河塔基础作用力大，单桩基础已难以满足，推荐采用群桩承台钻孔灌注桩基础，并在承台之间设置连梁，可有效提高桩基础的水平荷载承载能力，改善上部铁塔结构受力。

对跨越塔ZKT-139 基础按四桩、九桩方案对比计算，本体造价按混凝土1 000 元／m3、钢材5 000 元／t测算，结果见表1。

表1 直线跨越塔基础材料量及造价比较

通过表1 可知，采用四桩承台方案的本体费用较低，因此跨越直线塔基础推荐采用四桩高承台灌注桩基础。

2.2 基础布置

多桩承台结构的灌注桩基础中所有桩的配筋和设计长度均相同，由于一般选取内力最大桩的钢筋配置和桩长作为计算依据，因此灌注桩基础优化的关键是调整承台及立柱的布置方式，尽量使各桩基受力趋于均匀，桩基及承台布置如图1—图3 所示。

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。

B 型桩基，承台和桩基旋转45°（立柱不旋转），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。

C 型桩基，承台45°摆放同时立柱偏心。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1 A 型承台布置

图2 B 型承台布置

图3 C 型承台布置

承台45° 摆放后（B 型），灌注桩桩长较常规桩基（A 型）减少。立柱偏心可进一步减小桩基长度或桩径，且由于偏心抵消了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。

通过比较，对于大跨越直线塔灌注桩基础，推荐采用承台45° 摆放加立柱偏心的布置型式，偏心量根据作用力的大小来优化取值。

2.3 基础结构计算

2.3.1 荷载组合条件

当基础设置在堤外（迎水面）滩地时，应考虑流水压力、水流冲刷、漂流物等作用，荷载组合工况包括：1）最大风荷载和相应的冲刷深度（宜取最大冲刷深度的50%～70%），荷载组合系数为1.0；2）最大冲刷深度和50%设计风荷载，荷载组合系数为1.0；3）最大冲刷深度和50%设计风荷载并同时考虑漂流物及水流的作用，所有荷载组合系数均取0.75[2]。

经计算比较，工况1）对大跨越基础内力起控制作用。

2.3.2 基础抗震计算

本黄河跨越段属中等或严重液化场地，最大液化深度20 m，采用灌注桩基础穿透液化土层，同时桩深入非液化土的长度由计算确定，且对于碎石土、砾、粗、中砂，坚硬黏土和密实粉土，桩端深入深度不应小于3～5 倍桩径，对其他非岩石土不宜小于1.5 m［3］。

钻孔灌注桩基础需同时满足常规计算方法和地基液化后计算方法的要求，其中地震工况下大跨越杆塔基础作用力计算条件及结果如下所述。

地震工况下杆塔基础作用力的计算条件为：跨越塔场地50 年超越概率10%（设防地震）的地表水平地震动峰值加速度为0.10g，对应地震基本烈度为7 度，设计地震分组为2 组，Ⅲ类场地类别，阻尼比0.03。

杆塔地震作用采用振型分解反应谱法计算，进而和其他外荷载产生的影响进行荷载效应组合［4］，公式为

式中：γG为永久荷载分项系数，对结构受力有利时取1.0，不利时取1.2，验算结构抗倾或抗滑移时取0.9；γEh、γEV分别为水平、竖向地震作用分项系数，应按表2 规定确定；SGE为永久荷载代表值的效应；SEhk为水平地震作用标准值的效应；SEVK为竖向地震作用标准值的效应；γEQ为导线、地线张力可变荷载的分项综合系数，取0.5；SEQK为导线、地线张力可变荷载代表值的效应；SWK为风荷载标准值的效应；ΨWE为地震基本组合中风荷载组合系数，可取0.3。

表2 地震作用分项系数

振型分解反应谱法得到的大跨越直线塔的地震工况下与常规工况下基础作用力对比如表3 所示。

表3 不同工况下大跨越直线塔基础作用力对比 kN

2.3.3 基础连梁设计

由于滩地处大跨越塔基础水平作用力较大，且受洪水位影响基础露出地面高度较高，因此水平位移是桩水平承载力的重要指标，在4 个基础承台之间设置连梁，可显著降低桩顶的水平位移计算值。由于承台之间跨度较大，如果采用钢筋混凝土连梁则其截面计算尺寸太大，或者须在连梁跨中位置设置支撑桩来降低梁的截面尺寸，因此推荐连梁采用抗弯刚度较大的钢管结构，相对于混凝土结构，一方面节省材料用量，另一方面与铁塔攀爬机连接构造相对简单，施工方便，施工周期短。连梁形成了基础的整体性，对基础水平力具有传递作用，单个基础计算时，水平力取基础作用力中水平力的一半。连梁与基础承台之间的连接属于固定连接，会产生梁端弯矩，但由于大跨越基础线刚度及转角刚度较大，相比之下连梁的弯曲刚度较小，连梁端部的计算弯矩值相对较小，最终选取连梁钢管材质为Q345，管径为630 mm，壁厚12 mm。长度16.064 m，锚入承台4.5 m，并在钢管端部灌注C35 混凝土。

跨越塔位于高桩承台之上，杆塔与现有地面之间的距离较大，为方便施工及运维上下铁塔，跨越塔基础需设置爬梯，承台预埋锚栓与爬梯角钢相连，人员攀爬时，将活动爬梯挂在固定爬梯上。

2.4 基础检测

按照JGJ 106—2003 《建筑基桩检测技术规范》的检验方法［5］对承台桩采用声波透射法进行桩身完整性检测，并抽检每个塔腿基础的两根桩进行大应变检测。检测结果表明，桩身质量优良，完整性好，承载能力满足设计要求。

3 结语

黄河跨越段水文、地质情况复杂，跨越塔基础采用受力性能良好的高桩承台基础；优化承台布置，改善桩基受力，采用承台45° 摆放+立柱偏心的布置型式；针对水文冲刷深度大的特点选取最不利基础荷载组合，精确进行抗震计算，优化连梁设计，确保大跨越基础的安全性、经济性。