风积沙地区加筋地基铁塔基础技术经济研究

霍晓波，戴永明，李治国

(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 030000)

1 研究背景

中国是荒漠遍布较为广泛,总面积达70多万平方千米[1]。荒漠区域包含了大量的太阳能、风能等清洁资源。由于光伏风电装机容量迅速扩大,这些荒漠区域迫切需要修建输电线路以优化供电系统结构,满足清洁能源外送需要。

荒漠风积沙是在干旱、半干旱区长时间形成的独特特性的沙,其物理力学特性和水成沙及普通区域的砂土有很大不同。同时由于现场的基础施工材料欠缺,且施工难度较大,因此方案设计时须兼顾技术可行性与经济性[2]。目前,对于风积沙地区输电线路基础的研究,大多更注重在工程技术方面。而在方案比选阶段,各方对设计方案经济合理性比较关注。所以,很有必要对风积沙区域的输电线路不同种类基础费用进行综合测算,本文以青海地区某±800 kV特高压输电线路工程和220 kV输电线路工程为例,对同一地区类似地质条件下的不同类型基础加以深入研究分析,从而获得既方案可行又造价合理的基础设计方案。

2 风积沙地区岩土工程条件

输电线路的特点决定了铁塔基础受到拉或竖向向下荷载和较大的横向荷载作用,地基必须具备较强的抗拔、抗压性能[3]。然而,风积沙作为输电线路铁塔基础的主要工程地基,与常规地基相比,重要的物理力学特征包括:

1)含水率指标低,部分区域接近零。2)松散且黏聚性较小,抗剪强度较低。3)受风力影响,级配粒度差,多为细砂[4]。4)在施工过程中,水分散失快,基坑开挖成型较差。

显然,风积沙中存在着显著的不良工程地质特征,且以上力学特征使得风积沙地基土中的输电线路铁塔基础抗压强度容易达到,但上拔稳定性较差。风积沙不经过任何处理可以直接作为地基土设计输电线路基础时,如果充分发挥了其抗压强度,则抗拔力和抗倾覆力量明显欠缺;如果充分利用了抗拔和抗倾覆的强度,则抗压强度浪费。所以,将其地基处理并改善风积沙的抗拔特性也是一项技术需求。

本文选择的典型工程风积沙塔位处细沙层厚度大,地貌类型为沙漠,如图1,图2所示,地形稍有起伏。

3 常规基础设计方案

该标段风积沙塔位处细砂层厚度大,普遍达到10 m～30 m左右,细砂层密实程度从地表往下呈稍密、中密、密实,输电线路铁塔基础设计时为避免浅层稍密情况风积砂的恶劣地质状况,应选择灌注桩支撑,并尽可能减小桩径、增加桩长度,以充分利用深度达到中密或密实状况的风积沙较好的力学性能。

松散的风积沙天然含水率较小(为0%～2%),而且渗透系数大、透水性较强,造成灌注桩基础钻孔时不能采用泥浆护壁等常规的钻进方式成孔,即使能勉强成孔也无法保证良好的成孔品质,因此需要被动使用钢护筒的方法完成钻进。

经详细计算,常规板式基础和灌注桩基础材料量见表1。

表1 常规板式基础和灌注桩基础材料量对比表

4 抗拔加筋复合地基设计方案

4.1 筋材选型

按照交通运输、建材等领域建设所使用的土工合成建筑材料种类,一般分为土格栅、土工织物、土工膜、土工布等。土工薄膜是一类以高分子材料聚合物为主要原料的防水阻隔型建筑材料,但不能用作抗拔补强使用。土工格栅、土工布有良好的抗拉特性,因此可用作加筋材料[5]。

根据中国电科院关于风积沙加筋地基抗拔改良机制,以及各种土工材料力学特性对补强效应的影响研究,结果表明:

1)在达到抗拔极限时,风积沙加筋复合地基地表裂纹比无加筋风积沙地基更宽,而筋材结构可以起到基础传导作用的效果功效。2)加筋材料通过对基础的下拉影响,起到风积沙地基补强和改进的作用。3)复合地基加筋材料拉伸强度对抗拔特性影响较小。4)风积沙复合地基加筋材料的选取型主要参照因素为伸长率和摩擦系数,土工格栅的抗拔性能优于土工布。

因此,综合加筋材料有关原型试验结果,根据相关规范,本工程加筋材料采用聚丙烯双向土工格栅,规格型号为TGSG3030,网孔不大于40 mm×40 mm(如图3所示)。

4.2 土工格栅布设

加筋复合地基板式基础在上拔荷载影响下,基底周围筋材明显抬起,由此产生对基底的制约下拉效应,实现风积沙地基抗拔性能加固改进。

从试验结果来看,筋材影响区下呈喇叭状发散,尤其下部,而该区域恰恰为加固性能较好的地区区段。所以,土工格栅敷设要采用下列准则:

1)筋材布置于板式基础以上地基土中,基础埋深区域内自下至上,土工格栅铺设面积逐渐变大,呈倒梯台状;2)土工格栅加筋层间距为0.2 cm～0.5 cm,基础埋深区域内自下至上,土工格栅层间距逐渐增加;3)土工格栅布置时,底板边缘由下至上按30°扩散角(倒梯台侧面与竖直角角度)布设在最上面一层,每层四周超出扩展影响面1 m。

±800 kV线路工程和220 kV线路工程地基土中土工格栅布设如图4,图5所示。

4.3 抗拔加筋复合地基基础设计方案

经详细计算,在与常规板式基础和灌注桩基础相同技术条件下,抗拔加筋复合地基基础材料用量见表2。

表2 抗拔加筋复合地基基础材料量统计表

5 不同电压等级不同基础方案费用测算

5.1 测算依据

为使该计算结论具备相当的代表性,本次两个电压等级不同方案费用计算对共性计算参数作了必要的约定。具体包括:

1)基本造价根据各个电压级别单独计算,其中地貌特征为荒漠,而地质特征为细砂。

2)按照2018版最新预规和定额进行费用计算,最终费用为本体工程费与编制基准期价差之和。

3)目前建设项目案例在青海省,故取费标准按Ⅱ类地区考量,目前青海地区社会保险费为24.5%、住房公积金为12%。

4)材料输送的平均距离按一般工程考虑,车辆运距统一设置为25 km,人力运距沙漠地形条件设置为0.8 km,因为荒漠地区干旱,水的车辆运距按25 km考虑。

5)定额中需单独计算的材料主要为基础材料,依据青海省建设工程造价站发布的《青海工程造价管理信息》,土工格栅根据本项目的实际采购价格,具体如表3所示。

表3 定额未计价材料选价一览表

6)人工、材料及机械调整系数文件参照最新定额[2023]1号文执行。

7)因风积沙地区灌注桩基础成孔性差、基础浇筑困难大,故每基基础考虑5万元钢护筒措施费。

5.2 费用测算结果

对各电压级别不同基础设计方案按照以上标准进行费用计算,其计算结果如表4所示。

表4 不同基础设计方案单基费用测算

由表4可知,±800 kV线路抗拔加筋复合地基基础每基投资约33万元,较常规板式基础投资减少约7.41万元,减少约18.5%,较灌注桩基础投资减少约17.13万元,减少约34.4%;220 kV线路抗拔加筋复合地基基础每基投资约7万元,较常规板式基础投资减少约0.98万元,减少约12.2%,较灌注桩基础投资减少约2.41万元,减少约25.5%。

6 结论

本文总结了风积沙地区复合加筋地基线路杆塔基础设计方案,同时依托青海地区±800 kV和220 kV线路工程,对常见三种基础设计方案进行了对比分析,并根据最新标准和文件、案例所在地取费及材料价格等,针对各电压等级、各基础设计方案逐一计算相关费用,得出如下结论:

1)疏松的风积沙自然含水量较低、渗透系数大,灌注桩成孔性较差、桩体稳定性较差,实施困难度大,且为保障基础效果易引发生态损害与污染。

2)土工栅格加筋对基础底部的制约下拉效果,以达到风积沙地基抗拔性能的进一步改善。

3)根据风积沙区域环境,相比于常规板式基础设计方案、灌注桩基础设计方案,抗拔加筋复合地基基础设计方案是最经济的。

4)±800 kV单回路直线塔抗拔加筋复合地基基础每基投资约为33万元,220 kV单回路直线塔抗拔加筋复合地基基础每基投资约为7万元。

5)抗拔加筋复合地基基础造价较常规板式基础投资减少约10%～20%,较灌注桩基础投资减少约25%～35%。

6)根据本文计算后得到的±800 kV,220 kV电压等级抗拔加筋复合地基基础费用,可作为方案比选、投资计算的依据,也可作为工程造价人员和相关机构的现阶段参照指标。

7)本文针对青海风积沙地区抗拔加筋复合地基基础案例进行梳理分析测算,为进一步扩大应用范围,建议后续扩大搜集案例区域。