粘土層鐵塔基礎技術經濟分析

王茂成，趙永春，劉樹華，楊忠波，郭松宇

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長島宏園建筑安裝工程有限責任公司，山東 長島 265800）

粘土層鐵塔基礎技術經濟分析

王茂成1，趙永春2，劉樹華1，楊忠波3，郭松宇1

（1.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長島宏園建筑安裝工程有限責任公司，山東 長島 265800）

目前，粘土層35～220 kV直線塔基礎大多為柔性板式基礎和原狀土掏挖基礎。按照國家電網公司機械化施工的標準化設計要求，對110～220 kV直線塔在平原粘土層地質條件下的剛性臺階基礎、柔性板式基礎和原狀掏挖基礎進行技術經濟分析。根據基礎作用力大小不同，原狀土掏挖基礎單位造價較臺階基礎和板式基礎節省，具體節省造價在統計范圍內呈正態分布；當基礎上拔力小于臨界點時，宜選用剛性臺階基礎；當基礎上拔力大于臨界點時，宜選用柔性板式基礎。

粘土層；剛性臺階基礎；柔性板式基礎；原狀掏挖基礎；臨界點

0 引言

目前，國家電網公司和各省電力公司在架空輸電線路可行性研究及初設審查階段，要求平原粘土層35～220 kV直線塔基礎為清一色的柔性板式基礎和原狀土掏挖基礎。2016年3月，為持續提升智能電網工程建設能力，提升施工技術水平，推進施工企業轉型升級，國家電網公司提出了推進施工技術裝備創新和全過程機械化施工的工作要求。要求努力改變以人工為主的傳統施工方式，按照“先進性、專業化、標準化、系列化”的原則，加強施工技術和裝備創新。要求全過程統籌兼顧，各專業協同配合，系統開展設計方法、技術裝備、施工工藝創新。在設計方面，形成滿足機械化施工的標準化設計；在施工裝備方面，形成系列化裝備及標準配置方案；在現場施工方面，形成全過程機械化施工的標準工藝。全面推進物料運輸、基礎開挖、混凝土澆筑、組塔架線、接地敷設等全過程機械化施工。

目前，在基礎設計方面，土層旋挖鉆機成孔原狀掏挖基礎［1-11］和錨桿鉆機巖層擴底錨桿基礎［12-15］已得到全面推廣，效果顯著。然而，一些不便使用旋挖鉆機的直線塔位和轉角塔位以及地質承載力較差的塔位，若選擇人工掏挖基礎，需要采取護壁裝置措施防止塌方傷人，工藝復雜，費時費力。以往采用的剛性臺階基礎和柔性板式基礎中，柔性板式基礎需要提前做基礎墊層，臺階與底板需人工配筋，工序繁瑣，耗時費力，而剛性臺階基礎不需墊層和底板配筋，機械化施工程度相對較高。因此，有必要進一步開展剛性臺階基礎、柔性板式基礎的技術經濟分析，得出既經濟又便于機械化施工的最優基礎設計方案。

1 粘土層鐵塔基礎數學模型

為貼近工程實際，基礎上拔力T以100～850 kN（公差50 kN）為基準值，從2011年版國網通用設計直線塔塔型中選擇了典型基礎作用力的塔型［16-17］，作為剛性臺階基礎、柔性板式基礎和原狀掏挖基礎（旋挖鉆機成孔）技術經濟比較的模版。其中，1H2-SSZ3（39 m）模塊直線塔塔型的基礎作用力基本涵蓋了110 kV雙回轉角塔1D3-SJ3模塊和220kV雙回雙分裂直線塔塔型2E3-SZCK模塊的基礎作用力，不再單獨列舉110 kV雙回轉角塔1D3-SJ3及以下模塊和220 kV雙回雙分裂直線塔2E3-SZCK及以下模塊。水平作用力 Tx、Ty，下壓力 N、Nx、Ny以及基礎根開尺寸詳見文獻［16-17］，基礎作用力如圖1及表1所示。

圖1 基礎作用力

表1 典型通用設計塔型的基礎作用力

塔型模塊 直線塔型 呼稱高/m 基礎上拔力T/kN 1F3 SZ3 18 357.11 1F3 SZ3 36 403.73 1F3 SZK 33 462.94 1F3 SZK 42 503.02 1F3 SZK 51 540.14 1H1 SSZ1 36 592.88 1H2 SSZ1 21 646.90 1H2 SSZ1 33 703.60 1H2 SSZ2 33 755.70 1H2 SSZ3 30 807.30 1H2 SSZ3 840.90 39

2 計算條件

2.1 粘土層地質條件及基礎原材料

為便于分析，假定塔位位于平原，地質均按可塑粘土、承載力取值150 kPa、無地下水考慮?；A原材料：主筋采用HRB335（螺紋鋼），箍筋采用HPB300（圓鋼），基礎采用C25級混凝土，保護帽采用C15級，水泥采用42.5 MPa硅酸鹽水泥。根據以往施工和概算審查經驗，人力運輸按平均運距0.3 km，汽車運輸按平均運距10 km。

2.2 剛性臺階基礎、柔性板式基礎埋深

對于220～500 kV線路雙回雙分裂及以上直線塔，隨著基礎埋深的增大，基礎材料量變化總的趨勢為先減少后增加，究其原因是：當基礎埋深較淺時，此時上拔起控制作用，增大埋深可以有效地抵抗上拔，從而減小基礎底板的尺寸，降低基礎材料量；而當基礎埋深較大時，此時上拔不再起控制作用，下壓成為控制因素，這時增大埋深反而會加大底板的下壓，從而引起基礎底板尺寸的增加，從而又導致了基礎材料量的上升。當地基承載力取120 kPa時，基礎埋深在3.5 m左右時基礎材料量最省，3.5 m之前基礎材料量隨著埋深的增加而降低，3.5 m之后則相反。當地基承載力取180 kPa時，基礎混凝土量隨著埋深的增加總體呈下降趨勢，埋深在4 m左右時基礎材料量最省。針對每種作用力和地質條件一般都可選出最佳埋深。

對于110 kV線路1A3和1D3等模塊單/雙回單導線直線塔的基礎，因基礎作用力較小，基礎埋深在2.2～2.6 m左右時基礎材料量最省。

3 計算結果分析

根據架空輸電線路鐵塔基礎設計軟件（TLSD_TFD V3.0），對每種基礎按經濟最優設計，分別對16種剛性臺階基礎、柔性板式基礎和原狀掏挖基礎的施工圖設計，基礎坑深、底板寬度、體積和鋼材匯總如表2所示。表2中的柔性板式基礎體積未含墊層體積（預算已考慮），基礎鋼材包括地腳螺栓重量。

表2 3種基礎設計結果

表3 3種基礎單位造價及經濟比較

根據以上相關數據，分別對16種剛性臺階基礎、柔性板式基礎和原狀掏挖基礎編制單位造價預算，匯總如表3所示。

由表3可知，無論基礎作用力大小，原狀掏挖基礎單位造價總是低于剛性臺階基礎、柔性板式基礎，較臺階基礎節省24%～52%，較板式基礎節省32%～48%，呈正態分布；對于1F3-SZ2（21 m）塔型對應的基礎作用力（T=303.75kN，Tx=29.53kN，Ty=23.11 kN），剛性臺階基礎、柔性板式基礎的單位造價基本相同。當基礎上拔力小于約300 kN時，剛性臺階基礎的單位造價低于柔性板式基礎；110 kV單回線路直線塔基礎費用可節省10%以上，110 kV雙回單導線直線塔基礎費用可節省4.7%～9.6%。當基礎上拔力大于約300 kN時，柔性板式基礎的單位造價低于剛性臺階基礎，110 kV同塔四回單導線線路直線塔基礎費用可節省7.8%～17.5%；當基礎上拔力為350～400 kN時，板式基礎的經濟優勢并不明顯，即110 kV雙回雙分裂導線線路基礎費用，與柔性板式基礎相差不大。顯然，并非柔性板式基礎的單位造價總是低于剛性臺階基礎，這為以后基礎設計選型提供了依據。剛性臺階基礎、柔性板式基礎單位造價對應的基礎上拔力的臨界點是在一定的條件下得出的；當工地運輸等條件發生變化，基礎上拔力臨界點也將略微改變；若人力運輸按0.1 km考慮或不發生人力運輸，臺階基礎的經濟性更為明顯。3種基礎單位造價曲線如圖2所示，基礎主柱、底板寬度與厚度的設計尺寸選擇是基礎單位造價曲線不光滑的原因。

山東省的鐵塔設計條件基本在海拔1 000 m及以下，覆冰厚10 mm，基本設計風速27 m/s，2011年版國家電網公司通用設計110 kV直線塔型模塊大多選擇 1A3、1B2、1C2、1D3、1F3 和 1H2 模塊，220 kV直 線 塔 型 模 塊 大 多 選 擇 2A1、2B2、2D1、2E3、2F3、2K1模塊。根據鐵塔基礎技術經濟分析結論，可以進一步梳理出分別適于剛性臺階基礎和柔性板式基礎的2011年版國網通用設計直線塔模塊塔型，如表4和表5所示。

表4 適用于剛性臺階基礎的直線塔型

表5 適用于柔性板式基礎的直線塔型

圖2 3種基礎單位造價曲線

由表4可知，除1D3-SZK、1F3-SZ3和1F3-SZK雙回直線塔外，110 kV單/雙回直線塔和220 kV單回直線塔均宜采用剛性臺階基礎；由表5可知，除2E3-SZ1和2F3-SZ1雙回直線塔外，110 kV四回直線塔和220 kV雙回直線塔均宜采用柔性板式基礎。根據設計經驗，基礎上拔力臨界點附近±20 kN的偏差對基礎造價影響很小，尤其臺階基礎具有不需設基礎墊層和底板鋼筋網、機械化施工程度高、工期縮短2天的特點，因此，表4中 1F3-SZ2（30m）、2A1-ZMK（54 m）、2B3-ZMK（51 m）和表5中 2D1-SZ1（18 m）的基礎型式也可按臺階基礎考慮。

4 結語

無論110～220 kV鐵塔基礎作用力大小，原狀掏挖基礎較剛性臺階基礎和柔性板式基礎節省24%～52%，呈正態分布，經濟性非常明顯；剛性臺階基礎與柔性板式基礎相比，具有不需設基礎墊層、人工綁扎底板鋼筋網、機械化施工程度高和工期縮短2天的特點。經技術經濟分析，剛性臺階基礎和柔性板式基礎存在單位造價或基礎上拔力臨界點；小于基礎上拔力臨界點，宜采用剛性臺階基礎，大于基礎上拔力臨界點，宜采用柔性板式基礎。

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［17］國家電網公司.國家電網公司輸變電工程通用設計—220 kV輸電線路分冊［M］.北京：中國電力出版社，2011.

The Techno-economic Analysis of the Tower Foundation in Argillaceous Layer

WANG Maocheng1，ZHAO Yongchun2，LIU Shuhua1，YANG Zhongbo3，GUO Songyu1
（1.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.Energy Explorer Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210009，China；3.Changdao County Hong-yuan Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Changdao 265800，China）

At present，most foundations of the 110～220 kV straight line towers in argillaceous layer are either identical rigid benched foundation or undisturbed soil undercut foundation.Techno-economic analysis is carried out for the flexible mat foundation，rigid benched foundation and undisturbed soil undercut foundation of 110～220 kV straight line tower built in plain argillaceous layer according to mechanical construction standard of the State Grid.According to the difference of the applied forces，the unit cost of undisturbed soil undercut foundation is lower than flexible mat foundation and rigid benched foundation.The saving rate is of a normal distribution shape from the statistical data.When the foundation uplift is smaller than the critical point，the flexible mat foundation should be selected；when the foundation uplift is greater than the critical point，the rigid benched foundation should be selected.

the argillaceous layer；flexible mat foundation；rigid benched foundation；undisturbed soil undercut foundation；the critical point

TM752

A

1007－9904（2017）10－0040－05

2017-04-13

王茂成（1964），男，從事輸電線路設計工作；趙永春（1981），男，從事輸電線路設計工作；劉樹華（1987），男，從事輸電線路技經工作；楊忠波（1975），男，從事輸電線路施工工作；郭松宇（1981），男，從事輸電線路設計工作。