新型输电线路复合基础性能及设计方法研究★

孟 克 赵 戈 王文明 李荣帅

(1.中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司，山东 济南 250102；2.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101)

0 引言

我国总体还处于工业化中后期和城镇化快速推进期，未来电力需求将持续较快增长，加快建设东部、西部同步电网，提升电网配置是未来较长一段时间内电网发展的主要任务，输电线路工程将大规模建设[1]。输电线路基础工程建设存在的造价高、工期长和劳动力消耗大等问题，在大规模输电线路建设中更为突出。因此，分析目前常见基础型式的优缺点，深入研究新型基础设计，对适应电网发展新环境、降低工程造价、缩短施工周期有重要意义。

不同于建筑基础，输电塔基础除承受上部杆塔结构、导线和金具荷载外，还承受风、覆冰、脱冰及线路转角等外力作用，且荷载的大小、方向、频率会随外界气象环境因素改变，存在明显的行业特点[2]。目前常见的基础型式可分为开挖回填基础、原状地基掏挖基础、桩基础、岩石锚杆基础、螺旋锚基础和复合基础等六类，前五类常规基础得到大量工程应用，具有普遍的适用性，但也存在土方开挖量大、劳动力消耗量大、成本高、地质条件要求高等不可避免的缺点[3]。因此，为发挥各类基础的优势规避其缺点，复合基础的设计研发受到了广泛关注。

现阶段随着国内对于复合基础研究的深入，可以根据其所适应的地质将其分为两类，即地下水较浅的软土地基类以及有一定覆盖层的岩石类地基。软土地基类主要有变截面桩—板复合基础、板式中型桩基础以及微型桩基础，岩石地基类复合基础主要有掏挖岩石锚杆复合基础与短桩岩石锚杆复合基础[4-6]。本文将主要针对复合锚杆基础，从复合岩石锚杆基础和复合螺旋锚基础两方面介绍几种新型复合基础设计。

1 复合岩石锚杆基础

根据DL/T 5219—2014架空输电线路基础设计技术规程岩石锚杆基础需要承台嵌入岩石，因此适用于岩石直接裸露地表或基岩不深的情况。对于上覆2 m～5 m土层，土层以下为岩石地基的地区，难以应用岩石锚杆基础，而目前普遍采用的挖孔基础施工难度大，施工周期长，施工人员的安全存在隐患。针对这一情况，提出带上部支护结构的钢筋混凝土桩—锚杆复合基础和钢筋混凝土板式—锚杆复合基础，二者均具有良好的抗拔和抗压承载力，其主要优点如下：

1)适用于覆土较厚(2 m～5 m)，土层下为岩石基础的地区，桩—锚、板—锚复合基础通过土体、锚、桩(或板)的共同作用承担基础荷载，充分发挥浅、深基础的优势，避免了挖孔基础存在的工期长、难度大等问题。

2)两种基础型式在桩长较短或基础埋深较浅时，由于锚杆设置，基础抵抗上拔力的能力大大提高，无需进行岩石开挖，显著降低施工难度，提高施工效率。

1.1 带上部支护结构的钢筋混凝土桩—锚杆复合基础

该基础的结构型式为钢筋混凝土桩、支护结构以及设于桩下部的锚杆组合，钢筋混凝土桩和支护结构埋置于土中，锚杆埋置于岩石中，如图1所示。基础的上拔力由桩和锚杆共同抵抗；下压力由桩抵抗；水平力主要由支护结构抵抗，部分由桩抵抗。支护结构包括钢筋混凝土环板和立柱，该部分可以承受基础所受的大部分水平力，有效减小桩发生侧移。锚杆采用的锚筋为钢筋混凝土桩的主筋，以保证桩与锚杆连接的可靠性，锚筋和锚孔壁之间有灌浆物。

该基础型式避免采用大开挖基础，保证环保要求，特别适用于环保监管严格的海外国家，尤其适用于国外特高压或者超高压输电塔的拉线基础。

1.2 钢筋混凝土板式—锚杆复合基础

该基础的结构型式为钢筋混凝土主柱、底板，以及设于底板下部的锚杆组合，钢筋混凝土主柱及底板埋置于土中，锚杆埋置于岩石中，如图2所示。基础的上拔力由板式基础部分和锚杆共同抵抗；下压力和水平力由板式基础部分抵抗。为了保证上部基础与锚杆连接的可靠性，部分主柱主筋可向下延长，当作锚筋使用。

该基础型式可以承受很大的上拔力，特别适用于上拔力控制基础尺寸的情况，例如终端塔基础等。同时，该基础型式可实现100%机械化施工，提高施工效率。

2 复合螺旋锚基础

螺旋锚基础在海外工程的拉线基础中得到了广泛应用，该基础型式被大量用于巴西美丽山特高压工程[7]。该基础型式可以显著降低土方开挖量、施工难度和施工成本。螺旋锚杆为成品，机械化施工，质量容易控制，安全性和可靠性大大提高。但是螺旋锚基础整体刚度偏低，抵抗水平力能力较弱的缺陷，限制其广泛应用，因此设计研发复合螺旋锚基础，充分发挥螺旋锚基础优势对输电线路建设工程意义重大。

2.1 钢筋混凝土板式—桩—螺旋锚基础

该基础的结构形式为板式基础与桩、螺旋锚组合，将钢筋混凝土主柱和底板浅埋于土体中，将螺旋锚和细桩打入下层土体，借助螺旋锚和桩，将周围土体形成一个整体，提高基础的稳定性，如图3所示。桩设置在底板四角的正下方，起到维持整体基础稳定和防止上部土体遇水后整体基础发生沉降的作用。螺旋锚设置在主柱正下方以及底板下方，提供部分上拔承载力并能防止上部基础周围湿陷性黄土遇水后发生不均匀沉降。基础设计上拔力主要由板式基础部分和螺旋锚基础部分共同承担，下压力主要由板式基础部分承担。

由于湿陷性黄土危害深度一般为6 m以内，板式基础埋深一般在4.5 m左右，螺旋锚和桩基础的设置使整体基础埋深可达10 m以上。因此，螺旋锚和桩基础在上部土体遇水的情况下可以起到维持整体基础稳定的功能，阻止基础沉降。同时螺旋锚的设置减少了主柱和底板的埋深，一方面减少了土方开挖量，另一方面避免了二八灰土的大量使用，提高了施工效率、降低了工程造价。该基础型式特别适用于上拔力控制基础尺寸的情况及湿陷性等级较高的黄土地区。

2.2 钢筋混凝土墙—螺旋锚复合基础

该基础的结构形式为钢筋混凝土短柱、墙以及设于墙下部的螺旋锚组合，如图4所示。钢筋混凝土墙埋置于土中，方向与拉线在地面的投影垂直，承受拉线的水平分力。墙两侧的土体可有效限制墙发生位移，显著提高整体基础沿拉线方向的刚度。钢筋混凝土墙的设置可以大大减小基础顶部的位移，提高整体基础的抗变形能力和可靠度。短柱位于墙上部中心位置，顶部的钢板通过套环与拉线连接，将拉线的水平分力和竖向分力向下传递。螺旋锚通过专用器具拧入土中，上部埋置于钢筋混凝土墙。

该基础将钢筋混凝土墙应用于螺旋锚基础，大大提高了基础抵抗拉线水平力的能力，能够有效减小基础水平变形，确保拉线有效张力，从而提高拉线塔安全性。与板式基础和挖孔基础相比，该基础型式土方开挖量小，具有造价低、施工方便和环境友好的特点。对地质条件为土体的拉线基础，具有极高的应用价值，尤其适用于国外特高压或者超高压输电塔的拉线基础。

2.3 钢筋混凝土短桩—悬臂梁—螺旋锚基础

该基础的结构型式为钢筋混凝土短桩、悬臂梁以及设于短桩下部的螺旋锚组合，如图5所示。钢筋混凝土结构部分埋置于土中，可承受拉线的水平分力，也可承受部分上拔力。钢筋混凝土悬臂梁周围的土体可有效限制整体基础发生水平位移，显著提高整体基础水平方向的刚度。螺旋锚通过专用器具拧入土中，上部埋置于钢筋混凝土短桩，可承担很大上拔力。短柱上部中心设有拉线连接器可以便于拉线和基础连接，并能够方便未来运维和检修。拉线连接器和锚筋焊接，通过锚筋与基础有效连接。锚筋下方焊有钢板，可以大大提高锚固力，降低锚固长度。针对土壤腐蚀问题，螺旋锚基础部分和钢筋混凝土悬臂梁以上部分外刷改性高氯化聚乙烯防腐蚀涂层。中、强腐蚀地区基础混凝土中加入粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等矿物掺合料。

该基础可有效解决拉线基础腐蚀问题和水平位移不易控制问题，与板式基础和挖孔基础相比，具有造价低、施工方便和环境友好的特点。对地质条件为盐渍土土体的拉线基础，具有极高的应用价值，尤其适用于国外特高压或者超高压输电塔的拉线基础。

2.4 多桩承台螺旋锚复合基础

该基础的结构形式为主柱、承台、钢筋混凝土桩和螺旋锚组合，如图6所示。主柱根据铁塔与基础的连接方式选择垂直柱或斜柱。钢筋混凝土桩埋置于土中，螺旋锚打入土体。承台可完全埋于土中，也可部分埋于土中。桩底部可设置扩大头，以增大端部承压面积从而提高其抵抗下压力的承载能力。螺旋锚通过专用器具拧入土中，上部埋置于钢筋混凝土短桩，可承担很大上拔力。基础的上拔力由多桩承台基础和螺旋锚共同抵抗；下压力和水平力由多桩承台基础抵抗。

与多桩承台基础相比，该基础型式可以有效减少桩数量、减小桩径和承台尺寸，避免岩体的开挖，抵抗上抗力的能力大大提高，从而降低基础造价，减少土方开挖，有效缩短工期，具有良好地经济效益和社会效益。对于土层以下为岩石且土层较浅地区的大荷载输电塔基础具有较高的应用价值，特别适用于大转角、大跨越输电塔基础。

3 结语

复合基础可将不同常规基础进行组合，充分发挥不同基础的优势，降低常规基础型式的缺点，以达到节约工程量、缩短工期、保护环境、降低工程造价的目的。目前国内关于复合基础的研究还处于前期和试点使用验证阶段，离大规模推广尚有一定距离。本文提出的几类新型复合基础设计较目前采用的基础型式有一定突破，期许为未来复合基础的研发设计提供参考。