山区线路承压水地基基础治理及沉降观测研究

辜良雨，刘翔云，张利如，甘运良，翟洪利

(1.中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司，广东 广州 510663)

0 引 言

承压水具有埋藏深、水头高、易受外力的影响形成自流水等特点，对地基基础存在较大的危害性。平原地区输电线路通常采用预制方桩、管桩、沉井、沉箱或机械施工灌注桩基础等基础形式，可有效降低承压水的不利影响。西南地区多山少路，道路交通条件差，输电线路建设施工受到很多外部因素制约，基础施工机械化率较低，承压水地区通常采用人工开挖的方式进行板式基础的施工。因此，难以避免地存在不同程度的地基扰动、回填不均、基坑支护困难等施工问题，可能导致基础出现不同程度的沉降和偏移。在承压水的作用下可能导致基础垫层不规则隆起，并进一步加大沉降和偏移，对输电线路的安全稳定运行造成较大影响。

目前国内外对于承压水地质条件下的输电线路柔性板式基础的沉降治理尚无系统的研究[1-4]，结合云南山区某特高压线路工程实例，数值模拟对山区输电线路承压水地区采用柔性直柱大板基础出现的偏移、不均匀沉降等问题进行了分析，提出了有效的治理措施，并通过近2年的长期持续观测对治理效果进行了实践验证。验证结果表明所提出的治理措施具有良好的效果，对类似工程问题的处理具有借鉴和推广价值。

1 承压水相关规定

1.1 承压水定义

建筑工程中通常将充满于2个稳定隔水层(或弱透水层)之间的含水层中的重力水，称承压水，如图1所示。

图1 承压水埋藏

承压水主要有以下特性：1)承压性，承受静水压力；2)补给区、承压区和排泄区的分布较为明显；3)补给区具有潜水的特点；4)埋藏深度大，动态稳定。

1.2 承压水地基设计和施工要求

国内关于山区输电线路承压水地基基础设计和施工的相关理论和案例较少，仅有限的几本规程规范做出了基本要求如下：

1)GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[6]

附录W.01条规定：当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水层时，如图2所示，基坑底抗渗流稳定性可按式(1)验算。

图2 基坑底抗渗流稳定验算

(1)

式中：γm为透水层以上土的饱和容重，kN/m3；t+Δt为透水层顶面距基坑底面的深度，m；pw为含水层水压力，kPa。

2)GB 1004—2015《建筑地基基础工程施工规范》[7]

第7.3.4条规定：承压含水层顶埋深小于基坑开挖深度，应采取有效的降水措施，将承压水水头降低至基坑开挖面和坑底以下，如图3所示。当验算基坑承压水稳定性不满足式(2)要求时，应通过有效的减压降水措施，将承压水水头降低至安全水头埋深以下。

图3 承压含水层

(2)

式中：k为基坑抗承压水稳定性系数；γ为土的容重，kN/m3；H为基坑底距承压含水层顶板的距离，m；γw为水的容重，kN/m3；h为承压水头高于含水层顶板的高度，m。

2 工程案例分析

2.1 案例概况

西南地区某特高压直流线路工程AJ106塔位C、D腿基础垫层施工后出现基底隆起现象。经现场勘察，C、D腿基坑开挖未按设计要求支护，且开挖的土石方未按设计要求外运，而是在基坑周边堆放形成集中堆载，C、D腿已浇筑的基础垫层局部有隆起现象，如图4所示。

图4 基础垫层隆起

AJ106塔位于中山斜坡中下部，整体地形坡度为10°～15°。基本地质条件为：塔位0～9.8 m为可塑粉质粘土混碎块石；9.8～13.7 m为稍密碎石；13.7～17.1 m为强风化泥岩，再以下为中风化泥岩；勘探期间地下水深10.4 m，静止水位0 m，为承压水。

该塔位处于大片农田中，因塔位附近无交通条件且塔位下坡侧有民房和大棚等设施，设计采用了直柱板式基础，各腿基础配置均为DJ6563，底板宽6.5 m×6.5 m，基础埋深5.4～6.0 m。各腿相对位置见图5所示。

图5 AJ106塔位各腿相对位置

结合现场调查情况研究表明：该基坑未支护，也未按设计要求放坡，坑边有大量弃土堆载；基坑开挖后长时间暴露，在承压水作用下造成基坑一定程度的隆起。因此，确定采用浆砌块石回填反压的应急处理措施。考虑到基底扰动、回填土沉降固结等不利因素，对基础地脚螺栓采取了加长措施。

采用浆砌块石反压处理后，经观测，未见继续隆起。基础浇筑回填完成后，经过测量，C、D腿基础高程与设计理论值相比有下沉，且C、D腿之间距离较设计理论值减小约60 mm。根据隐蔽工程验收记录分析，上述偏移沉降主要发生在基础浇筑完成后。

2.2 基础沉降影响数值分析

根据AJ106塔位现场实际情况，结合SmartTower铁塔计算软件和ANSYS有限元分析软件，开展了基础沉降对基础和铁塔的影响分析，并对基础沉降的治理效果进行了数值分析，为制定基础处理方案提供了依据。

2.2.1 沉降对基础的影响分析

AJ106塔转角为左转20°04′，大风运行工况下，A、B腿为下压腿，C、D腿为上拔腿。根据各主要施工阶段，基础加载分析分为3个阶段。

阶段1：基础回填完成后，各腿承受的回填土及基础自重产生的下压力约6116 kN。

阶段2：铁塔组立完成后，各腿增加下压荷载320 kN，水平荷载约38 kN。

阶段3：架线完成后，架线后基础作用力理论极限值如表1所示，表中：Tmax为最大上拔力；TX、TY分别为最大上拔力对应的横担方向和垂直横担方向的水平力；Nmax为最大下压力；NX、NY分别为最大下压力对应的横担方向和垂直横担方向的水平力；正、反向风速为设计风速27 m/s。

表1 架线后基础作用力

C、D腿基础施工全过程加载情况分析见表2。

表2 C、D腿基础加载情况分析

基础沉降会引起基础水平力明显增大，沉降前后的最大基础作用力对比见表3。

表3 沉降前后基础作用力对比

依据表1—表3可以得出如下结论：

1)铁塔组立完成后，相比当前基础回填的状态，其下压荷载增加约6%，对地基变形影响较小。

2)架线完成后，在各类计算工况下C、D腿基础理论上均承受上拔力，无下压力，对地基变形是有利的。

3)架线完成后，偶尔存在反向风作用。虽然此时C、D腿基础可能产生下压荷载，但下压力远小于铁塔组立完成后的下压力，且反向风属于瞬时荷载，对地基变形影响也非常微小。

4)所有工况作用下各基础(包括D腿偏心受力基础)在考虑基础沉降后的承载力经均满足要求，无需对基础本体进行特殊处理。

2.2.2 沉降对铁塔的影响分析

输电线路铁塔基础沉降分为均匀沉降和不均匀沉降。工程实践和理论计算分析表明：1)各腿的均匀沉降对铁塔受力影响较小；2)两腿稳定、其余两腿同步沉降也基本没有影响；3)各腿都不均匀沉降且持续加大会导致铁塔各控制尺寸发生改变，产生较大的次内力，对杆件受力产生不利影响。

有限元计算分析表明，当AJ106塔位各腿的相对不均匀沉降达到20 mm时，理论上会引起塔腿以上第2个隔面角部斜材，见图6(a)中标红杆件，螺栓抗剪强度不足。补强后继续加大不均匀沉降至28 mm时，塔腿以上第2个隔面交叉斜材超限破坏，见图6(b)标红杆件。

(a) BC腿 (b) CD腿

图6 不均匀沉降超限后铁塔构件应力

因此，治理方案首先需采取有效措施，减小各腿的不均匀沉降，并在后期分阶段持续监测，一旦不均匀沉降值接近20 mm，就须立即采取应急处理预案，如打临时拉线、加垫钢板等。

2.3 基础处理方案确定

相关研究表明[8]，基坑未采取降排水措施、垫层浇筑前基底有扰动且未处理、未按规定进行放坡和支护、回填时机械碾压等是造成输电线路大板式基础不均匀沉降的主要原因。

对AJ106塔位现场开展了补充勘探，包括探坑、探井和地质点调查，并进行了工程地质钻探、标贯试验和土工试验，再次确认了场地稳定性、地质分层情况与原设计一致。根据补充勘探及土力学分析结果，并结合现场实际情况确定基础的偏移沉降主要由以下因素造成：

1)基础浇筑后，重力荷载增加，使扰动土进一步压实，引起基础沉降；

2)回填的浆砌块石之间存在空隙，基础浇筑和基坑回填后，受压力影响，浆砌块石被挤密压缩，间隙减小，引起基础偏移和不均匀沉降；

3)反压用的浆砌块石未满浆满铺且基础未按要求分层回填夯实，如图7所示，以及单侧施工和反复碾压等因素导致了基础偏移和不均匀沉降进一步加大。

图7 浆砌块石反压施工现场

针对AJ106塔位基础不均匀沉降和偏移问题，根据前述现场调查和数值模拟计算结果，分析认为目前基础根开及相对高差已不满足验收规范要求，需采取下列处理措施：

1)不均匀沉降矫正：在C、D基础加垫钢板，减小基础顶面高差至满足验收规程要求，对于加垫钢板后基础顶面与塔脚板间的缝隙，按验收规程要求采用水泥砂浆回填密实。

2)偏移矫正：重新加工D腿塔脚板，通过调整塔脚板上地脚螺栓孔位，保证铁塔各腿根开满足验收规程要求。对基础进行偏心受力验算，满足承载力要求。

采取上述处理措施后，基础不均匀沉降和偏移问题得到了有效处理，各项参数均满足现行输电线路施工及验收规程[9]的相关要求。

3 治理效果长期观测验证

根据工程经验，在后期组塔、架线施工过程中由于施工扰动和杆塔加载可能会导致基础沉降和偏移进一步扩大。同时，该工程为特高压直流线路工程，输送容量巨大，作为南方电网的骨干输电网络，不允许其遗留安全隐患。因此，对AJ106塔位从施工到运行持续进行了为期近2年的基础沉降和偏移观测，对治理效果进行了充分验证。

3.1 长期观测方案

AJ106塔位在2019年10月完成基础浇筑，2020年3月完成铁塔组立，2020年5月完成架线，2020年8月竣工投运。根据相关规范[9-11]中沉降观测的要求，对AJ106塔位制定了更为严格的长期观测计划，整个观测期为2年，共计观测75次，详见表4。

表4 AJ106塔位沉降偏移长期观测计划

本次持续观测分别在AJ106塔位各腿基础顶面、塔脚板及地脚螺栓上固定测点，并通过在100 m外农房墙壁贴反光片对测量数据进行高精度修正，始终将人工持镜造成的测量误差影响控制在毫米级。

3.2 观测结果

虽然铁塔组立期间频繁有大型施工机械进出塔位，对各腿基础回填土层反复碾压，对观测数据有一定影响，但是各项观测数据均未出现持续扩大的变化趋势。各项数据指标变化主要是由于基础地基自然沉降、频繁持续降雨回填土沉积固结以及人工持镜测量误差3个因素共同作用的结果。

表5的根开数据表明，AJ106塔位各施工阶段的根开值均满足现行施工及验收规程[9]对根开误差不大于±0.2%的要求。

表5 现场观测根开数据

图8为AJ106塔位各基础根开变化趋势图，可以看出基础根开前期变化幅度相对稍大，但是到2020年7月以后根开值已基本收敛趋于稳定状态。

(c) AD腿 (d) AB腿图8 各腿基础正面根开变化趋势

表6的各腿基础沉降数据表明，自2020年9月30日至2021年11月5日的100天内，AJ106塔位各腿基础的最大沉降速率均小于0.04 mm/d，满足建筑变形测量规范[11]对沉降速率的要求，基础沉降已经达到了稳定状态。

表6 各腿基础沉降值数据

4 结 论

上面结合工程实例，通过理论和数值模拟对山区输电线路承压水地基采用直柱大板基础出现的偏移沉降问题进行了分析和治理，并结合2年的长期持续观测对治理效果进行了验证。验证结果表明，采用所推荐的治理方法是有效可靠的，可以为今后的工程实践提供指导。

针对山区输电线路承压水地基建议采取以下措施，可有效减小或消除基础偏移沉降等可能出现的各类问题：

1)在交通条件具备前提下，承压水地基建议优先采用灌注桩基础，穿透承压水层，同时应采用有效的降水、排水和防护措施；

2)承压水地基采取大开挖基础时，应根据承压水埋深、水头高度等参数，进行基坑抗渗流稳定性计算，并加强坑壁支护，严禁在坑口堆载；

3)对承压水水头过大导致基底隆起的，应立即采取反压措施，如浆砌块石反压；

4)应加强现场施工监督，按要求采取坑壁支护、弃土外运、基坑分层回填夯实以及反压的浆砌块石应满浆满铺等保证施工质量的措施；

5)对基础可能发生偏移和不均匀沉降的塔位基础，应适当加大地脚螺栓孔径和出露长度，以便后期调节塔脚板高度，抵消偏移和不均匀沉降对铁塔的不利影响；

6)各腿基础不均匀沉降加大后可能首先导致腿部以上隔面斜材和螺栓失稳破坏，对可能出现不均匀沉降塔位的上述杆件和螺栓应进行适当加强处理；

7)施工期间应定期进行基础偏移、沉降观测，尤其是基坑回填前必须采集相关数据，一旦发现问题及时处理，消除隐患。