特高壓輸電線路巖石錨桿基礎選型與設計

侯中偉，鄭衛鋒

(1 國網北京經濟技術研究院，北京市102209;2 中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引 言

巖石錨桿基礎是通過將水泥砂漿或細石混凝土注入植有錨筋的巖孔內，使得錨筋與巖體膠結成整體承受上部結構荷載的一種基礎型式［1-5］。過去，巖石錨桿基礎在我國山區低電壓等級輸電線路工程中的應用可分為直錨式和承臺式2 種類型，它們的應用地質條件和桿塔基礎荷載條件不同。一方面，直錨式基礎適用于覆蓋層薄或者裸露的巖石地基中，而承臺式基礎適用于地表有較薄覆蓋層的巖石地基中。另一方面，直錨式基礎主要用于基礎作用力較小塔位，而承臺式基礎主要用于基礎作用力較大塔位。

巖石錨桿因具有較小的基礎混凝土用量和土石方開挖量，可減少水泥、砂石、基礎鋼材及棄土的運輸量，特別是在地形復雜的高山地區。此外，巖石錨桿基礎機械化施工程度高，顯著降低了人工開挖或爆破作業對基礎周圍巖石基面、林木植被的損害，因而具有較好的經濟與環保效益。

當前，隨著我國靈州—紹興±800 kV 直流、雅安—武漢1 000 kV 交流等特高壓輸電線路工程的建設，越來越多的輸電線路需經過山區。以雅安—武漢1 000 kV 特高壓交流輸電線路為例，全線地形中一般山地占38.62%，丘陵占27.18%，高山大嶺占19.16%，平地占10.91%，河網泥沼占4.13%。同樣，靈州—紹興±800 kV 特高壓直流輸電線路工程也需要途徑大量的山區或丘陵地區，其中一般山地占46.5%，丘陵占20.8%，高山大嶺占5.1%。上述2個特高壓輸電線路均具備巖石錨桿基礎應用的地質地形條件，但由于特高壓輸電線路工程桿塔荷載大，且線路途徑的山區往往有2 ～3 m 的覆蓋土層或強風化巖層，傳統巖石錨桿基礎型式一般難以滿足特高壓工程需要。本文根據特高壓輸電線路荷載大與巖石地基覆蓋層厚的特點，提出特高壓工程巖石錨桿基礎適用型式、破壞模式及其承載力計算、施工和質量檢測等方面的建議，為特高壓工程中巖石錨桿基礎的推廣與應用提供參考。

1 基礎選型與構造要求

1.1 基礎型式

結合特高壓輸電線路荷載特征及巖石錨桿基礎研究成果，在特高壓工程中可采用圖1 所示的群錨基礎型式。圖1(a)顯示了覆蓋層和巖石地基的層狀分布;圖1(b)為直柱型群錨基礎，其在覆蓋層采用方形或圓形直柱混凝土基礎與上部桿塔結構連接，直柱部分嵌入基巖一定深度后與巖石群錨基礎連接并形成巖石群錨基礎;圖1(c)為柱板型群錨基礎，其在覆蓋層中采用混凝土柱板結構型式，立柱以偏心或不偏心形式與上部桿塔結構連接，底板嵌入基巖一定深度后與巖石群錨基礎連接，從而形成巖石群錨基礎。

圖1 特高壓工程巖石錨桿基礎型式Fig.1 Rock anchor foundation in UHV transmission line

1.2 構造要求

(1)巖石錨桿基礎鉆孔直徑D 一般為錨桿直徑d 的2 ～3 倍。根據當前巖石錨桿施工機具技術水平，鉆孔直徑宜取100 ～120 mm。

(2)已有研究成果表明，增加巖石錨桿群錨基礎鉆孔之間的距離b 能夠提高其抗拔承載能力，但是隨著錨孔間距b 的增加，圖1 中基礎立柱或承臺底板尺寸都將明顯增加，加上特高壓輸電線路山區斜坡地形的存在，必然影響巖石錨桿基礎的使用范圍。根據已有試驗成果，可通過優化錨孔間距b 來減小承臺尺寸，建議圖1 所示的特高壓輸電線路巖石錨桿基礎錨孔間距b 為D 的3 ～4 倍。

(3)上部立柱可設計成斜柱或采取偏心結構型式，也可采用地腳螺栓預偏等型式提高巖石錨桿群錨基礎水平承載性能，且立柱或基礎底板的嵌巖深度不應小于0.5 m。

(4)為保證鉆孔中的錨筋居中，宜在錨筋頂部、底部各設置1個定位支架固定錨筋;同時，為方便施工過程中人工鋼釬搗固或微型振動棒振搗，在錨筋其他部位不再設置其他固定措施。

(5)可在錨筋頂端采用一側貼焊的機械錨固措施以降低錨筋錨入承臺的基本錨固長度，從而減少承臺高度并保證錨入承臺內錨筋的錨固要求。

(6)錨筋優先采用高強螺紋鋼(HRB400)，直徑一般小于40 mm。灌漿料宜選用細石混凝土且強度等級不低于C30。

2 巖石群錨基礎破壞模式及其承載力

如圖2 所示，巖石群錨基礎是由3 種材料(錨筋、漿體、巖體)、2個界面(錨筋－細石混凝土界面、細石混凝土－巖石界面)組成的承載和傳力系統，上拔荷載往往是巖石群錨基礎的設計控制條件。

圖2 巖石錨桿群錨基礎極限承載力計算示意圖Fig.2 Ultimate uplift beating capacity calculation of rock anchor-group foundation

上拔荷載作用下，巖石群錨基礎的破壞模式可能有5 種情況，分別為圖3 所示的4 種單錨基礎破壞以及圖2 所示的巖石整體剪切破壞。設計中需要分別對上述5 種破壞模式的每一種模式進行設計和評價，從而最終對巖石錨桿基礎的整體穩定性做出評價。

圖3 巖石錨桿單錨基礎的可能破壞模式Fig.3 Possible failure modes of rock anchor foundations

2.1 錨筋自身拉斷破壞

如圖3(a)所示，當錨桿所受拉力超過錨筋的屈服強度時，錨筋就會被拉斷，對應的極限承載力如式(1)所示。

式中:fyk表示錨筋的屈服強度標準值;An表示錨筋的凈截面積。

實際工程中，T1可通過提高錨筋的材料強度等級與直徑得到提高。

2.2 錨筋和細石混凝土的結合面滑動破壞

如圖3(b)所示，當錨筋和細石混凝土之間的粘結強度不足以抵抗拉拔荷載時，錨筋和細石混凝土的結合面就會發生粘結破壞，導致錨筋桿體被拔出，對應的極限承載力如式(2)所示。

式中:d 表示錨筋直徑;τa表示錨筋和細石混凝土間的粘結強度;la表示錨筋傳力的有效錨固長度。

在滿足有效錨固長度的前提下，T2可通過提高錨桿桿體錨筋的材質與細石混凝土強度等級得到改善。

文獻研究表明，錨筋和細石混凝土間的粘結強度τa符合凱爾文問題［6］，其理論解沿長度方向呈類似于對數螺旋曲線分布。實際工程中，為便于設計，τa在受力范圍內取平均值。

錨筋和細石混凝土的粘結強度τa主要由3 部分作用力組成:(1)膠著力。膠著力是錨筋與混凝土接觸面上的化學吸附作用力，這種吸附作用力一般很小，僅在受力階段的局部無滑移區域起作用，當接觸面發生相對滑移時該力即消失;(2)摩擦力。摩擦力是混凝土收縮握裹錨筋而產生的阻滑作用力，接觸面的粗糙程度越大，錨筋與混凝土之間的摩擦力就越大;(3)咬合力。咬合力是錨筋表面凹凸不平與混凝土之間產生的機械咬合作用力，對于光圓錨筋其咬合力很小，對于螺紋錨筋咬合力是由于錨筋肋間嵌入混凝土而產生的。上述3 部分力中咬合力起控制作用，因此，錨筋應采用高強度的螺紋筋。

表1 為相關規范［1，7-8］中規定的τa取值標準，結合輸電線路行業自身特點，τa可根據細石混凝土強度 等 級 取 值，C20 時 取 2 000 kPa，C30 時取3 000 kPa。

表1 相關規范中的τa 取值Tab.1 Reasonable Values of τa in relevant codes kPa

文獻研究［9-13］與現場真型試驗［14-18］結果表明，錨筋抽出破壞狀態下的最大錨固力出現在(9 ～15)d 的深度范圍內，分布的最大深度為(45 ～60)d 的深度，并不是在錨筋長度范圍內無限制延伸。結合輸電線路行業自身特點，la可根據基巖風化程度確定，未風化或微風化時取25d，中等風化時取35d，強風化時取45d。

2.3 細石混凝土和巖體的結合面滑動破壞

如圖3(c)所示，若細石混凝土和巖體之間的粘結強度較低，則破壞可能發生在細石混凝土和巖體的結合面上，導致細石混凝土與錨筋形成的錨固體被拔出，對應的極限承載力如式(3)所示。

式中:τb表示細石混凝土和巖體間粘結強度;lb表示錨固體傳力的有效錨固長度。

T3主要由鉆孔孔壁周圍巖體的抗剪強度決定，孔壁周圍的抗剪強度隨巖體自身條件、錨桿埋置深度與鉆孔直徑、細石混凝土施工工藝等因素不同而存在很大的差異。文獻研究表明，細石混凝土和巖體間的粘結強度τb也符合凱爾文問題［6］，其理論解沿長度方向呈類似于對數螺旋曲線分布，為便于設計，τb也是在受力范圍內取平均值，表2 為相關規范［1，7-8］中規定的τb取值標準。

由表2 可知，輸電線路巖石錨桿基礎設計中，τb取值偏小，可適當提高。此外，錨固體抽出破壞一般發生在軟巖地質條件下，τb影響范圍較長，但并不是在埋深范圍內無限制延伸。根據輸電線路行業自身特點，lb可根據基巖風化程度確定，未風化或微風化時取25D，中等風化時取35D，強風化時取45D。

2.4 巖體剪切破壞

巖體剪切破壞分為2 種情況，一是群錨基礎中的單錨發生局部巖石剪切破壞，二是群錨基礎發生整體巖石剪切破壞。

(1)單錨巖體剪切破壞。如圖3(d)所示，在錨筋底端采取有效錨固的情況下，可能內部巖土體產生剪切破壞，甚至會出現近似于錐形破壞面的拔出巖體破壞，造成基礎整體失效，其對應的極限承載力如式(4)所示，T4主要與巖體自身力學性質有關。

式中:τs為巖石等代極限剪切強度;ls為錨固長度。

(2)群錨巖體整體剪切破壞。如圖2 所示，當錨桿布置較密時，巖土體受力區的重疊必然會引起應力疊加和錨桿位移的疊加，就可能造成巖土體的破壞，對應的極限承載力如式(5)所示，在特高壓大荷載條件下，T5往往成為設計控制條件。

表2 相關規范中的τb 取值Tab.2 Reasonable Values of τb in relevant codes kPa

式中:a 為群錨的外切直徑;Qf為基礎自重。

巖石等代極限剪切強度τs一般不能通過常規巖土工程勘測手段直接獲得，需根據現場試驗結果按照45°剪切滑動面假設反算求得。目前，邊坡工程、公路路基、鐵路路基、建筑行業等相關規范中無τs取值。

已有現場試驗結果表明，對于不同風化程度的軟硬巖石，τs值一般都大于現行電力行業標準的規定值。鑒于此，τs值宜通過現場真型試驗確定。若無試驗條件，工程設計中也宜取規范規定的上限值。

表3 為相關規范［7-8，19］中ls取值范圍，由表3 可知，對于建筑工程、邊坡工程、基坑工程，均存在最佳的錨固長度范圍。

表3 相關規范l s取值Tab.3 Reasonable Values of τs in relevant codes

已有輸電線路巖石錨桿基礎現場試驗表明，上拔荷載在錨桿中的傳遞范圍并不是在埋深范圍內無限制延伸，而是存在一定的臨界深度。圖4 為靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路寧夏段單錨試驗結果，其中錨桿長度為3、4.5 和6 m 這3 種埋深。總體上看，隨著錨筋長度增加，單錨軸力衰減迅速;在1 ～3 m 埋深范圍內，軸力均勻分布;當埋深大于3 m 后，錨筋軸力明顯減小。因此，為保證特高壓輸電線路安全，巖石錨桿單錨長度應大于3 m。但考慮到錨桿實際應力有效傳遞范圍、施工鉆孔難易程度，建議ls取值不宜超過6 m。

圖4 不同錨筋埋深下錨桿軸力沿埋深分布Fig.4 Axial forces along embedment depth for single anchor with different length

2.5 巖石錨桿群錨基礎極限承載力

結合圖2 和圖3 所示的5 種破壞模式，取最小承載力作為錨桿基礎的極限抗拔承載力，如式(6)所示。

式中:TE為巖石錨桿基礎抗拔極限承載力。

3 施工要求

考慮到輸電線路桿塔基礎的行業特點，巖石錨桿基礎施工需重點解決施工鉆機的輕便性、施工質量的可控性等關鍵技術。

在施工過程中，需注意以下幾點:

(1)鉆孔施工應以機械作業為主，盡可能采用干鉆成孔，并確保巖石構造的完整性不受破壞。在施工中需“準確就位、規范操作、注意環保”。

(2)錨孔成型后應及時清孔，孔洞中的石粉、浮土及孔壁松散活石應清除干凈。

(3)細石混凝土澆筑前應進行二次清孔并對孔壁充分潤濕，易風化的巖石應盡量縮短開孔與灌注之間的時間間隔。

(4)細石混凝土的細石粒徑宜為5 ～8 mm，砂子宜采用中砂，并可根據需要摻入水泥用量3% ～5%的膨脹劑或防水劑。

(5)混凝土灌注要求每300 ～500 mm 分層灌注并振搗密實，推薦采用微型振動棒或人工搗固釬進行振搗施工。

4 質量檢測

由于巖石地質條件的復雜，錨桿基礎在施工過程中應加強現場的檢測與驗收工作，確保巖石錨桿基礎工程應用的安全可靠性。

錨桿質量檢測主要包括現場驗收試驗與聲波反射法［8，20］。驗收試驗準確可靠，但試驗過程復雜，只能進行少量抽檢，表4 為相關規范中規定的試驗數量;聲波反射法適用于檢測錨桿長度和錨固密實度。

表4 相關規范規定的驗收試驗數量Tab.4 Acceptance test number in relevant codes

結合特高壓輸電線路工程行業特點，由于一基鐵塔4個塔腿的地質地形條件不盡相同，建議驗收試驗按照＞5%且每腿不少于1 根的檢測數量進行。

5 結 語

特高壓輸電線路工程中采用巖石錨桿基礎，可有效提高機械化作業程度，減少施工棄土，有效保護環境。本文根據巖石錨桿基礎理論研究、現場試驗和實際工程應用成果，提出了特高壓工程巖石錨桿基礎適用型式、破壞模式、承載力計算及其關鍵設計參數取值、施工和質量檢測等方面的建議，可為我國特高壓輸電線路工程中巖石錨桿基礎的推廣應用提供參考。

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