關(guān)于跨河四腿鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆計算的探討

李 旭，魏永國，孫法治

（1.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

試驗研究

關(guān)于跨河四腿鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆計算的探討

李 旭1，魏永國1，孫法治2

（1.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116011；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006）

緊鄰河道或在河中設(shè)置的鐵塔基礎(chǔ)，除像常規(guī)鐵塔基礎(chǔ)一樣進(jìn)行上拔穩(wěn)定、地基壓力等方面的設(shè)計計算外，還應(yīng)當(dāng)將水流流速、水流沖刷等造成的基礎(chǔ)傾覆力納入基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定計算中進(jìn)行重點校核，以“達(dá)維”臺風(fēng)中受洪水沖擊倒塌的ZGU4型鐵塔為計算實例，探討受水流沖擊、沖刷對鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定的影響及設(shè)計計算方法。

跨河道；鐵塔基礎(chǔ)；水流沖擊；抗傾覆；計算方法

輸電線路跨越工程有時需要在緊鄰河道處設(shè)置鐵塔，特殊情況下甚至需要在河中布置塔位。這些都對鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計提出了較高要求，除像一般常規(guī)鐵塔基礎(chǔ)一樣進(jìn)行上拔穩(wěn)定、地基壓力等方面的設(shè)計計算外，還應(yīng)當(dāng)將水流流速、沖刷等造成的基礎(chǔ)傾覆力納入基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定計算中進(jìn)行重點校核［1－2］。

由于輸電線路桿塔基礎(chǔ)的類別較多，因此，基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定的設(shè)計計算方法也不盡相同，例如，由于地基的工作機(jī)理不同，四腿鐵塔單個基礎(chǔ)與窄基鐵塔及鋼管桿獨(dú)立基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性計算方法是不同的，兩者絕對不能使用相同的計算方法和公式。另外，《輸電線路桿塔基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中未對四腿鐵塔基礎(chǔ)的單個上拔基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定的設(shè)計計算方法及公式做出具體的規(guī)定，應(yīng)盡快加以解決。通過分析探討和試驗，弄清抗傾覆穩(wěn)定的基本概念和工作機(jī)理，以便正確合理地進(jìn)行全面的基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計工作。

2012年大連莊河地區(qū)受第10號臺風(fēng)“達(dá)維”影響，普降大到暴雨，強(qiáng)降雨造成碧流河、英納河發(fā)生大洪水，造成66 kV荷碧線28—34號段倒塔3基、損害1基。本文以受洪水沖擊倒塌的ZGU4型鐵塔為計算實例，探討受水流沖擊、沖刷對四腿鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定的影響及設(shè)計計算方法。

1 對傾覆穩(wěn)定問題的認(rèn)識

眾所周知，正確認(rèn)識客觀事物的規(guī)律是由感性認(rèn)識逐步發(fā)展到理性認(rèn)識。要想合理地解決基礎(chǔ)傾覆的設(shè)計問題，必須弄清楚基礎(chǔ)傾覆的物理概念。

1.1 基礎(chǔ)傾覆的物理概念

a.擋土墻的傾覆及抗傾覆問題，如圖1所示。它的一個側(cè)向無任何支撐，因而在另外一個側(cè)向土壤的主動土壓力作用下，向沒有任何支撐的一側(cè)傾倒，稱為傾覆，其抗傾倒的平衡點為O點。

擋土墻在右側(cè)土壤的側(cè)向主動土壓力的水平分力作用下，向左側(cè)傾倒，即傾覆。此時，擋土墻以O(shè)－O軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)而傾覆，擋土墻的底面基本與地基相脫離，因此不存在地基反力作用。故而傾覆力矩平衡方程式為

圖1 擋土墻傾覆

式中：Kg為抗傾覆安全系數(shù)。

可看出，側(cè)面沒有任何支撐的鐵塔基礎(chǔ)，就如同把鐵塔基礎(chǔ)放置在地平面上，要想使其不傾倒，主要靠垂直重力來維持其穩(wěn)定平衡，其穩(wěn)定平衡點在基礎(chǔ)底面的邊緣處，所有外力對基礎(chǔ)底面穩(wěn)定平衡點的力矩總和，即為外傾覆力矩［3］。

b.當(dāng)考慮鐵塔基礎(chǔ)側(cè)面土抗力的穩(wěn)定平衡作用時，此時鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定平衡點，不在基礎(chǔ)底面的邊緣處，而是在地平面處。以此處為平衡力矩分界點，其外傾覆力矩等于所有外力對地平面處的力矩總和，與地基土壤內(nèi)部反力產(chǎn)生的抵抗力矩相等，內(nèi)外力矩得到平衡后，才能確保鐵塔基礎(chǔ)不會傾倒，而保持鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

c.在基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定計算時，均不考慮地基反應(yīng)力作用，因為使基礎(chǔ)發(fā)生傾倒的外力是水平外力，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生傾倒時，基礎(chǔ)底面的大部分與地基相脫離，此時地基反應(yīng)力作用幾乎不存在，因而不可能參與抗傾覆力矩的作用，所以起平衡外傾覆力矩作用的一定是地基土壤的側(cè)面土抗力。

d.斜插式（插入式）基礎(chǔ)的受壓基礎(chǔ)不必進(jìn)行傾覆穩(wěn)定計算工作，因為斜插式基礎(chǔ)的特點是基礎(chǔ)的主要作用力通過基礎(chǔ)的斜柱直接傳遞到地基上，而水平作用力非常小（忽略不計），因此不必進(jìn)行基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定計算，但上拔基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定計算。

2 傾覆穩(wěn)定控制條件的確定

2.1 上拔、下壓對基礎(chǔ)傾覆的影響

四腿鐵塔基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定的計算受上拔基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定的絕對控制。因為鐵塔上拔基礎(chǔ)（直柱式、斜柱式）的外傾覆力矩，上拔力矩和水平力矩的作用方向相同；而下壓基礎(chǔ)（直柱式、斜柱式）的外傾覆力矩，下壓力矩和水平力矩的作用方向相反，上拔基礎(chǔ)的工作條件及機(jī)理狀態(tài)較下壓基礎(chǔ)差，因而鐵塔上拔基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定起控制作用，而下壓基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定則不起控制作用。特別是一般常規(guī)下壓基礎(chǔ)（基礎(chǔ)主柱露出地面200～500 mm）傾覆穩(wěn)定，由于外傾覆力矩太小，不必進(jìn)行傾覆穩(wěn)定計算；而當(dāng)基礎(chǔ)主柱露出地面＞500 mm時，由于外傾覆力矩較大，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行傾覆穩(wěn)定計算；對于上拔基礎(chǔ)，無論它的基礎(chǔ)主柱露出地面多少，均應(yīng)進(jìn)行傾覆穩(wěn)定計算。

2.2 控制條件分析

窄基鐵塔或鋼管桿獨(dú)立式單獨(dú)基礎(chǔ)，基礎(chǔ)傾覆問題比較直觀。而寬基鐵塔四腿分立式基礎(chǔ)，由于四腿基礎(chǔ)組成一個整體，主要的外傾覆力矩已經(jīng)轉(zhuǎn)化為四腿基礎(chǔ)的上拔力和下壓力，是保持鐵塔基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性的主要因素，而作用于基礎(chǔ)主柱上的水平力，至使單個基礎(chǔ)發(fā)生傾倒，這種單個基礎(chǔ)傾覆的機(jī)理和現(xiàn)象，與窄基鐵塔或鋼管桿獨(dú)立式單獨(dú)基礎(chǔ)的傾覆不同，因為四腿基礎(chǔ)確實是存在整體穩(wěn)定協(xié)調(diào)性的問題。但對于受水流沖擊、沖刷影響的四腿鐵塔基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定問題，則受單個塔腿基礎(chǔ)極限抗傾覆力矩控制。因為受水流沖擊、沖刷情況下，4個塔腿基礎(chǔ)所受外傾覆力存在差異（水流方向、漂浮物沖擊對這種差異影響較大），某一塔腿基礎(chǔ)受力會首先超越極限傾覆力矩，開始發(fā)生傾覆，導(dǎo)致該塔腿上部相連鐵塔主材變形，進(jìn)而引發(fā)鐵塔整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，塔身整體變形后，基礎(chǔ)作用力會重新分配，其他基礎(chǔ)根據(jù)重新分配的基礎(chǔ)作用力不同，或失穩(wěn)（基礎(chǔ)作用力增加），或保持穩(wěn)定（基礎(chǔ)作用力減小）。在“達(dá)維”臺風(fēng)災(zāi)害中受洪水沖擊倒塌的鐵塔證實了這一觀點，如圖2所示。

圖2 “達(dá)維”臺風(fēng)洪水災(zāi)害中倒塌的鐵塔

3 計算實例

本文以2012年受“達(dá)維”臺風(fēng)洪水災(zāi)害影響倒塌的ZGU4型鐵塔為計算實例，探討受水流沖擊、沖刷對四腿鐵塔基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定的影響及設(shè)計計算方法。倒塌的ZGU4型鐵塔基礎(chǔ)圖如圖3所示。

圖3 倒塌的ZGU4型鐵塔基礎(chǔ)圖

由于基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定與傾覆穩(wěn)定同時發(fā)生，其工作機(jī)理具有相關(guān)性：當(dāng)上拔穩(wěn)定達(dá)到極限狀態(tài)時，基礎(chǔ)側(cè)面土抗力將遭到破壞，因此它不能參加抗傾覆穩(wěn)定工作。與基礎(chǔ)上拔穩(wěn)定計算時一樣，只有上拔倒錐土體的設(shè)計重量和基礎(chǔ)的設(shè)計重量以及基礎(chǔ)分擔(dān)的鐵塔重量參與抗傾覆穩(wěn)定工作。

3.1 設(shè)計計算模型的建立

建立計算模型如圖4所示，基礎(chǔ)尺寸參見圖2，錐土按普通粘土考慮，塔重采用ZGU4－24型鐵塔重量。

圖4 基礎(chǔ)抗傾覆計算模型

3.2 設(shè)計計算方法及公式

上拔傾覆穩(wěn)定平衡點取矩為

可得式中：γf為基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定附加分項系數(shù)；G鄰?fù)翞橄噜徎A(chǔ)影響的土體；γE為水平力影響系數(shù)。

按上述模型及公式帶入計算，該基礎(chǔ)滿足抗傾覆穩(wěn)定條件。

下面考慮水流沖擊及沖刷影響，流水對基礎(chǔ)壓強(qiáng)計算：

式中：ρ為水的密度，kg／m3；V為水流速度，m／s；Ks為基礎(chǔ)柱的形狀系數(shù)，正方形斷面為1.5，長方形斷面（長邊與水流平行）為1.3，圓形斷面為0.8，尖端形斷面為0.7，圓端形斷面為0.6。

流水壓力的著力點，假定在設(shè)計水位線以下1／3水深處。

當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置在河床內(nèi)時，還應(yīng)考慮沖刷影響、流水壓力、漂流物作用等。此時荷載組合宜取下列情況進(jìn)行計算。

a.最大風(fēng)荷載和相應(yīng)沖刷深度（宜取最大沖刷深度的50%～70%），荷載系數(shù)為1.0。

b.最大沖刷深度和相應(yīng)的風(fēng)荷載（根據(jù)工程重要性及不同地區(qū)取用不同數(shù)值，但一般不宜小于最大風(fēng)荷載的50%），荷載系數(shù)為1.0。

c.最大沖刷深度和相應(yīng)的風(fēng)荷載（根據(jù)工程重要性及不同地區(qū)取用不同數(shù)值，但一般不宜小于最大風(fēng)荷載的50%），并考慮漂流物作用，所有荷載系數(shù)均取0.75。

局部沖刷深度計算公式為

式中：hb為局部沖刷深度，m；Kε為墩形基礎(chǔ)，矩形Kε＝1.24，圓形Kε＝0.85；其他形取Kε＝1.2；Kμ為系數(shù)；d為河床土壤平均粒徑，mm；b1為橋墩計算寬度，取迎水面寬度，當(dāng)水流與迎水面有偏角時，按偏角折算，m；V為一般沖刷后的垂線平均流速，一般應(yīng)采用計算一般沖刷時的沖止流速，但如發(fā)現(xiàn)沖止流速偏大或偏小的情況，也可采用設(shè)計洪水時的河槽平均流速，m／s；V0為起動流速，m／s；h為采用一般沖刷后的水深，即h＝hp，m；V0為墩旁起沖流速，m／s；n為指數(shù)。

考慮上述流水沖擊及沖刷影響后，重新對模型上拔傾覆穩(wěn)定平衡點取矩：∑M0＝0可得：

式中：Q為流水對基礎(chǔ)壓強(qiáng)，N／m2；A為基礎(chǔ)受流水沖擊計算面積，m2；G沖刷為考慮沖刷深度影響去除的土重，N。

按上述公式進(jìn)行帶入計算，原基礎(chǔ)不再滿足抗傾覆穩(wěn)定條件，基礎(chǔ)發(fā)生傾覆。

4 結(jié)束語

通過對實例的計算發(fā)現(xiàn)，流水沖擊及沖刷對于基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定影響非常大，在緊鄰河道處或河中設(shè)置的鐵塔應(yīng)當(dāng)重點考慮流水沖擊及沖刷對于基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定的影響。建議此類鐵塔采用灌注樁基礎(chǔ)或修建擋水堤，擋水堤迎水面應(yīng)采用減小水阻的設(shè)計，并在基礎(chǔ)設(shè)計計算時引入水流沖擊沖刷作用對基礎(chǔ)穩(wěn)定的影響。

［1］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［3］孫俊華.關(guān)于四腿鐵塔大開挖的單個淺基礎(chǔ)上拔傾覆及下壓傾覆穩(wěn)定計算方法的探討［R］.2006.

Discussion on Calculation Resisting Overturning of Tower Foundation

LI Xu1，WEI Yong?guo1，SUN Fa?zhi2
（1.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian，Liaoning 116011，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Tower foundation in a river or near a river need not only pulls up stability and calculates foundation pressure but only focu?ses check the calculation on resisting overturning.The ZGU4－type power tower is collapsed by the flood caused by the“Dawei”Ty?phoon is taken as a calculation example in this study.The impact and the calculation method for tower foundation when flow velocity and scour are discussed.

Across river；Tower foundation；Flow velocity；Resisting overturning；Calculation method

TM753

A

1004－7913（2016）08－0008－04

李 旭（1986—），男，碩士，工程師，從事送電線路設(shè)計工作。

2016－03－03）