输电线路铁塔基础选型分析

王永华王玉红刘 辉华 东查传明

(1.国网新疆电力有限公司经济技术研究院,新疆 乌鲁木齐 830001;2.国网新疆电力有限公司,新疆 乌鲁木齐 830001)

输电线路是智能坚强电网的重要组成部分,其中铁塔基础建设是输电线路工程的重要组成部分,其造价比例占线路本体造价的30%左右,其失效后的维修尤为困难。因此,在保证安全可靠的基础上,选择技术先进、经济合理、利于实施且环保的基础型式,优化基础选型,注重施工的可操作性,有利于缩短工期、降低投资,便于质量可控,促进电网建设的健康可持续发展[12]。

1 常用基础型式

目前,国内架空输电线路常用的基础型式主要有开挖回填类基础、原状土基础及灌注桩基础三大类。灌注桩基础施工需采用专用机械,施工环节多,且质量较难控制,在一般工程中较少选用[3]。现将回填土基础和原状土基础型式的工程特性及分类情况详述如下。

1.1 开挖回填类基础

开挖回填类基础,其特点是基坑大开挖,绑钢筋、支模板、混凝土浇筑成型后再回填土夯实,利用土体质量和混凝土自重抵抗基础上拔力,主要有台阶基础和板式基础2类,该基础型式在以往输电线路中应用十分广泛。

1.1.1 台阶基础

台阶基础为传统输电线路杆塔基础型式,基础主柱与基础底垂直。此类基础一般受竖向上拔力(下压力)、横向水平力作用,使得基础主柱根部因承受较大双向弯矩作用而成为最不利位置。此基础一般用于地基承载力较好的塔位。台阶基础的优点是底板不配钢筋,施工简单,但是基础混凝土量较大,目前常应用于地下水位较高地区。

1.1.2 板式基础

在普通土或戈壁土等地质条件下,板式基础因底板配置受力钢筋,所以厚度较小,混凝土量少、造价较低。板式基础根据基础立柱是否向塔位中心倾斜,可分为直柱基础和斜柱基础。地下水埋藏较浅时,宜采用直柱基础,以减小支模难度。

1.1.3 开挖回填基础存在问题

在地形条件较差的山区输电线路中,土方开挖对原始地貌破坏大,对环境影响大,有冲刷情况时,容易造成水土流失现象。所以,有时还需要修建一定的防护措施来保证基础的稳定性,工程总体造价会相应增加。

1.2 原状土基础

原状土基础是利用机械(或人工)在天然土(岩)中直接钻(挖)成所需要的基坑,将钢筋骨架和混凝土直接浇筑于基坑内而成的基础。工程中较常用的有掏挖基础、挖孔桩基础和岩石嵌固基础。

原状土基础施工时以土代模,直接将钢筋龙骨架竖直放入挖好的坑内,混凝土一次浇注成型,减少对土体的扰动,能充分发挥原状地基土的承载性能,具有良好的抗拔能力和较大的横向承载力;同时基础混凝土浇筑时不需要支模,浇筑完成后不需拆模、回填,大大缩短施工工期。通过土体的抗剪承载力及基础自重(掏挖基础和岩石嵌固基础)或地基土与基础混凝土间的摩擦力(挖孔桩基础)承载。掏挖基础因底部扩大的原因,一般适用于基础作用力较小的铁塔基础;挖孔桩基础施工开挖量较小,对环境破坏小,适用于地下水较深的土、强风化岩石塔位。挖孔桩基础施工时,需在开挖好的坑壁外围浇筑混凝土护壁,避免基坑坍塌造成安全事故。桩基础施工完毕后,常采取低应变法或超声波进行桩身完整性检测,桩长一般不大于15 m。岩石嵌固基础因只能用于强风化及以下岩石地基中,常规土质地基不满足使用条件,本文不再详细论述。

1.2.1 掏挖基础

根据DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》要求,掏挖基础采用剪切法进行设计计算。掏挖基础型式简单,一般掏挖成圆柱形,基坑土石方开挖方量较小,基础造价较低,既利用了原状土强度较高的特性,又能减少水土流失,有利于塔基的稳定,挡土墙、护坡等辅助保护措施相对较少,此基础型式具有较好的安全、环保和经济效益。掏挖基础立柱直径一般不小于0.8 m,为满足基础混凝土抗拔和抗压承载力,基础扩大头要满足一定的高度,但基础底部扩大头尺寸不宜过大,基底展开角不大于45°,以免坑壁坍塌,造成施工危险。

1.2.2 挖孔桩基础

挖孔桩同掏挖基础具有同样的优良特性,其适用于地质条件一般但基础作用力较大的塔位。全部采用机械或人工挖掘,混凝土浇筑完毕后养护即可,工序简单。基础施工方式能保证塔基地形免遭破坏,减少植被受损。在山区塔位机械难以到达地区,人工挖孔桩基础有明显的经济优势。

1.2.3 原状土基础机械化施工

国家电网有限公司基建部提出深入推进输变电工程机械化施工的要求,随着新型施工机械的研发,且机械施工效率高,安全性高,原状土基础的机械化施工水平有了长足的发展,各种旋挖钻可以满足不同直径基础的开挖要求。旋挖钻施工时,直线塔基础在满足安全可靠条件下可以缩小基柱直径,降低工程量;原状土基础采用机械化施工可取消基坑护壁要求,节约工程本体费用,缩短施工周期[4]。

2 铁塔基础设计现状分析

现阶段,设计人员对输电线路直线塔的基础选型已基本达成共识,在条件允许的情况下优先选用掏挖基础型式,在基坑难以掏挖成型或地下水位较高情况下则选择台阶基础型式。但是对于转角塔基础的选型,不同人员对各类基础型式的选择有较大差异。经与多位输电线路工程技术人员交流后得知,有部分人员的设计思路是110 k V输电线路转角塔采用板式直柱基础,220 k V 输电线路转角塔采用板式斜柱基础。但部分技术人员对这个方案是否为最优选择持有怀疑态度,例如当地下水位较高时,板式基础底板需要绑扎钢筋,施工工序较台阶基础复杂,施工周期也长,板式直柱基础的造价有可能比台阶基础更高。还有部分技术人员认为板式斜柱基础柱是倾斜布置,钢筋绑扎、支模板相对困难,对此类基础的经济性存疑,不愿意采用板式斜柱基础[47]。

不同的基础型式均能满足结构本身的受力要求,但是不同基础的选型对工程造价及施工现场能否顺利实施具有相当大的影响,有可能造成工程最终造价超概算,甚至严重的可能导致无法按期完工。因此,有必要对各类基础型式的造价及应用情况进行分析比较,以便于工程人员在基础选型时参考。

3 输电线路转角塔基础分析比较

现以新疆常见地质条件为例:粉土地质,稍密-中密,中腐蚀性,土壤重度16 k N/m3,地基承载力特征值fak=120 k Pa。按无地下水和有地下水(1.5 m)2种情况,选取110 k V 和220 k V 2个电压等级各一组转角塔,分别计算相应的大开挖基础和原状土基础工程量,并进行综合经济比较,基础设计时钢筋采用HRB400 和HPB300,混凝土采用C35和C25强度等级,基础外表面环氧沥青漆防腐。

3.1 110 k V 转角塔基础分析

选取110 k V 输电线路工程中常用塔型的一组4个转角塔进行基础分析,根据DL/T 5219—2014设计技术规程要求,采用TFOD 输电线路基础设计软件进行计算,得出110 k V 各转角塔型在无地下水和有地下水2种地质条件下的基础型号和工程量,见表1和表2,在有地下水情况时,基础不宜选用掏挖基础和挖孔桩基础型式[8]。表中塔型Ⅰ代表0°~20°转角塔,Ⅱ代表20°~40°转角塔,Ⅲ代表40°~60°转角塔,Ⅳ代表60°~90°转角塔。基础型号中TJ代表台阶基础,ZZ 代表板式直柱基础,TW 代表掏挖基础,WZ代表挖孔桩基础,例如TJ2333 代表台阶基础,底板宽2.3 m,埋深3.3 m。

表2 110 kV转角塔基础工程量对比(1.5 m 地下水)

表3 110 kV转角塔基础造价对比表 万元

根据表1和2对各基础工程量进行造价计算分析,得出各基础型号的造价数值,见表3。

将表3中台阶基础、掏挖基础分别与板式直柱基础进行造价对比分析,详见图1。

据图1可知,在无地下水情况下,掏挖基础经济性最优,造价是板式直柱基础造价的55%~70%,且转角度数越大,造价节省越多;其次为台阶基础,其造价为板式直柱基础造价的91%~97%;板式直柱基础造价最高。在1.5 m 地下水情况下,Ⅰ、Ⅱ型转角塔台阶基础经济性优于板式直柱基础,Ⅲ、Ⅳ型转角塔板式直柱基础经济性优于台阶基础,但两者的造价差别不大,基本在5%以内,可根据现场实际施工条件进行具体选择,如遇流砂等地质情况时,建议选用台阶基础型式,工序简单、施工快、减小地下水的影响。

表1 110 kV转角塔基础工程量对比(无地下水)

图1 110 kV转角塔基础造价对比

3.2 220 k V 转角塔基础分析

选取220 k V 输电线路工程中常用塔型的1组4个转角塔进行基础分析,采用和110 k V 相同的地质条件进行设计计算,各基础型式工程量见表4和表5。

表4 220 kV转角塔基础工程量对比(无地下水)

表5 220 kV转角塔基础工程量对比(1.5 m 地下水)

根据表4和5对各基础工程量进行造价计算分析,得出各基础型号的造价数值,见表6。

表6 220 kV转角塔基础造价对比表 万元

将表6中板式直柱基础、掏挖基础、挖孔桩基础分别与板式斜柱基础进行造价对比分析,见图2。

图2 220 kV转角塔基础造价对比

据图2可知,在无地下水情况下,掏挖基础经济性最优,造价是板式斜柱基础造价的66%~70%,但是Ⅲ、Ⅳ型转角塔的掏挖基础,因底部扩大尺寸较大,施工人员的安全难以得到保证且底部混凝土不容易振捣密实。基础选择的时候应慎用;其次为挖孔桩基础,是板式斜柱基础造价的82%~95%,随着转角度数加大,节省比例逐渐降低;再次是板式斜柱基础。板式直柱基础造价最高,是板式斜柱基础造价的115%~125%。在1.5 m 地下水情况下,板式直柱基础造价是板式斜柱基础的104%~110%,相比较而言板式斜柱基础更优。

4 结论及建议

(1)直线塔基础选型时优先选用掏挖基础型式,在基坑难以掏挖成型或地下水位较高情况下选择台阶基础型式。

(2)110 k V 转角塔基础选型时优先选用掏挖基础型式,在无地下水但基坑难以掏挖成型的情况下选择台阶基础型式;在地下水位较高的情况,台阶基础和板式直柱基础造价基本相当,可根据具体的地质及施工条件进行选择。

(3)220 k V 转角塔基础选型时优先选用掏挖基础型式,但是Ⅲ、Ⅳ型转角塔的掏挖基础应慎用,建议选用挖孔桩基础或板式斜柱基础;在地下水位较高的情况下,板式斜柱基础经济性优于板式直柱基础;在山区或地势陡峭塔位,综合考虑后,可选择人工挖孔桩基础。

(4)针对不同的基础型式选择合适的施工机械,在条件允许的地区,积极推广机械化施工,提高机械施工比例。

(5)铁塔基础的选型影响因素比较多,除了造价因素外,地形条件、地质条件、荷载特性、施工可行性、环境保护等都是需要考虑的因素,故在具体工程的设计过程中不可生搬硬套,需要进行有针对性的分析后确定合理的基础类型。