輸電線路鐵塔基礎(chǔ)選型分析

王永華王玉紅劉 輝華 東查傳明

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,新疆 烏魯木齊 830001;2.國網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆 烏魯木齊 830001)

輸電線路是智能堅強(qiáng)電網(wǎng)的重要組成部分,其中鐵塔基礎(chǔ)建設(shè)是輸電線路工程的重要組成部分,其造價比例占線路本體造價的30%左右,其失效后的維修尤為困難。因此,在保證安全可靠的基礎(chǔ)上,選擇技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、利于實施且環(huán)保的基礎(chǔ)型式,優(yōu)化基礎(chǔ)選型,注重施工的可操作性,有利于縮短工期、降低投資,便于質(zhì)量可控,促進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)的健康可持續(xù)發(fā)展[12]。

1 常用基礎(chǔ)型式

目前,國內(nèi)架空輸電線路常用的基礎(chǔ)型式主要有開挖回填類基礎(chǔ)、原狀土基礎(chǔ)及灌注樁基礎(chǔ)三大類。灌注樁基礎(chǔ)施工需采用專用機(jī)械,施工環(huán)節(jié)多,且質(zhì)量較難控制,在一般工程中較少選用[3]。現(xiàn)將回填土基礎(chǔ)和原狀土基礎(chǔ)型式的工程特性及分類情況詳述如下。

1.1 開挖回填類基礎(chǔ)

開挖回填類基礎(chǔ),其特點(diǎn)是基坑大開挖,綁鋼筋、支模板、混凝土澆筑成型后再回填土夯實,利用土體質(zhì)量和混凝土自重抵抗基礎(chǔ)上拔力,主要有臺階基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)2類,該基礎(chǔ)型式在以往輸電線路中應(yīng)用十分廣泛。

1.1.1 臺階基礎(chǔ)

臺階基礎(chǔ)為傳統(tǒng)輸電線路桿塔基礎(chǔ)型式,基礎(chǔ)主柱與基礎(chǔ)底垂直。此類基礎(chǔ)一般受豎向上拔力(下壓力)、橫向水平力作用,使得基礎(chǔ)主柱根部因承受較大雙向彎矩作用而成為最不利位置。此基礎(chǔ)一般用于地基承載力較好的塔位。臺階基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是底板不配鋼筋,施工簡單,但是基礎(chǔ)混凝土量較大,目前常應(yīng)用于地下水位較高地區(qū)。

1.1.2 板式基礎(chǔ)

在普通土或戈壁土等地質(zhì)條件下,板式基礎(chǔ)因底板配置受力鋼筋,所以厚度較小,混凝土量少、造價較低。板式基礎(chǔ)根據(jù)基礎(chǔ)立柱是否向塔位中心傾斜,可分為直柱基礎(chǔ)和斜柱基礎(chǔ)。地下水埋藏較淺時,宜采用直柱基礎(chǔ),以減小支模難度。

1.1.3 開挖回填基礎(chǔ)存在問題

在地形條件較差的山區(qū)輸電線路中,土方開挖對原始地貌破壞大,對環(huán)境影響大,有沖刷情況時,容易造成水土流失現(xiàn)象。所以,有時還需要修建一定的防護(hù)措施來保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,工程總體造價會相應(yīng)增加。

1.2 原狀土基礎(chǔ)

原狀土基礎(chǔ)是利用機(jī)械(或人工)在天然土(巖)中直接鉆(挖)成所需要的基坑,將鋼筋骨架和混凝土直接澆筑于基坑內(nèi)而成的基礎(chǔ)。工程中較常用的有掏挖基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)和巖石嵌固基礎(chǔ)。

原狀土基礎(chǔ)施工時以土代模,直接將鋼筋龍骨架豎直放入挖好的坑內(nèi),混凝土一次澆注成型,減少對土體的擾動,能充分發(fā)揮原狀地基土的承載性能,具有良好的抗拔能力和較大的橫向承載力;同時基礎(chǔ)混凝土澆筑時不需要支模,澆筑完成后不需拆模、回填,大大縮短施工工期。通過土體的抗剪承載力及基礎(chǔ)自重(掏挖基礎(chǔ)和巖石嵌固基礎(chǔ))或地基土與基礎(chǔ)混凝土間的摩擦力(挖孔樁基礎(chǔ))承載。掏挖基礎(chǔ)因底部擴(kuò)大的原因,一般適用于基礎(chǔ)作用力較小的鐵塔基礎(chǔ);挖孔樁基礎(chǔ)施工開挖量較小,對環(huán)境破壞小,適用于地下水較深的土、強(qiáng)風(fēng)化巖石塔位。挖孔樁基礎(chǔ)施工時,需在開挖好的坑壁外圍澆筑混凝土護(hù)壁,避免基坑坍塌造成安全事故。樁基礎(chǔ)施工完畢后,常采取低應(yīng)變法或超聲波進(jìn)行樁身完整性檢測,樁長一般不大于15 m。巖石嵌固基礎(chǔ)因只能用于強(qiáng)風(fēng)化及以下巖石地基中,常規(guī)土質(zhì)地基不滿足使用條件,本文不再詳細(xì)論述。

1.2.1 掏挖基礎(chǔ)

根據(jù)DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》要求,掏挖基礎(chǔ)采用剪切法進(jìn)行設(shè)計計算。掏挖基礎(chǔ)型式簡單,一般掏挖成圓柱形,基坑土石方開挖方量較小,基礎(chǔ)造價較低,既利用了原狀土強(qiáng)度較高的特性,又能減少水土流失,有利于塔基的穩(wěn)定,擋土墻、護(hù)坡等輔助保護(hù)措施相對較少,此基礎(chǔ)型式具有較好的安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。掏挖基礎(chǔ)立柱直徑一般不小于0.8 m,為滿足基礎(chǔ)混凝土抗拔和抗壓承載力,基礎(chǔ)擴(kuò)大頭要滿足一定的高度,但基礎(chǔ)底部擴(kuò)大頭尺寸不宜過大,基底展開角不大于45°,以免坑壁坍塌,造成施工危險。

1.2.2 挖孔樁基礎(chǔ)

挖孔樁同掏挖基礎(chǔ)具有同樣的優(yōu)良特性,其適用于地質(zhì)條件一般但基礎(chǔ)作用力較大的塔位。全部采用機(jī)械或人工挖掘,混凝土澆筑完畢后養(yǎng)護(hù)即可,工序簡單。基礎(chǔ)施工方式能保證塔基地形免遭破壞,減少植被受損。在山區(qū)塔位機(jī)械難以到達(dá)地區(qū),人工挖孔樁基礎(chǔ)有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

1.2.3 原狀土基礎(chǔ)機(jī)械化施工

國家電網(wǎng)有限公司基建部提出深入推進(jìn)輸變電工程機(jī)械化施工的要求,隨著新型施工機(jī)械的研發(fā),且機(jī)械施工效率高,安全性高,原狀土基礎(chǔ)的機(jī)械化施工水平有了長足的發(fā)展,各種旋挖鉆可以滿足不同直徑基礎(chǔ)的開挖要求。旋挖鉆施工時,直線塔基礎(chǔ)在滿足安全可靠條件下可以縮小基柱直徑,降低工程量;原狀土基礎(chǔ)采用機(jī)械化施工可取消基坑護(hù)壁要求,節(jié)約工程本體費(fèi)用,縮短施工周期[4]。

2 鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段,設(shè)計人員對輸電線路直線塔的基礎(chǔ)選型已基本達(dá)成共識,在條件允許的情況下優(yōu)先選用掏挖基礎(chǔ)型式,在基坑難以掏挖成型或地下水位較高情況下則選擇臺階基礎(chǔ)型式。但是對于轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)的選型,不同人員對各類基礎(chǔ)型式的選擇有較大差異。經(jīng)與多位輸電線路工程技術(shù)人員交流后得知,有部分人員的設(shè)計思路是110 k V輸電線路轉(zhuǎn)角塔采用板式直柱基礎(chǔ),220 k V 輸電線路轉(zhuǎn)角塔采用板式斜柱基礎(chǔ)。但部分技術(shù)人員對這個方案是否為最優(yōu)選擇持有懷疑態(tài)度,例如當(dāng)?shù)叵滤惠^高時,板式基礎(chǔ)底板需要綁扎鋼筋,施工工序較臺階基礎(chǔ)復(fù)雜,施工周期也長,板式直柱基礎(chǔ)的造價有可能比臺階基礎(chǔ)更高。還有部分技術(shù)人員認(rèn)為板式斜柱基礎(chǔ)柱是傾斜布置,鋼筋綁扎、支模板相對困難,對此類基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性存疑,不愿意采用板式斜柱基礎(chǔ)[47]。

不同的基礎(chǔ)型式均能滿足結(jié)構(gòu)本身的受力要求,但是不同基礎(chǔ)的選型對工程造價及施工現(xiàn)場能否順利實施具有相當(dāng)大的影響,有可能造成工程最終造價超概算,甚至嚴(yán)重的可能導(dǎo)致無法按期完工。因此,有必要對各類基礎(chǔ)型式的造價及應(yīng)用情況進(jìn)行分析比較,以便于工程人員在基礎(chǔ)選型時參考。

3 輸電線路轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)分析比較

現(xiàn)以新疆常見地質(zhì)條件為例:粉土地質(zhì),稍密-中密,中腐蝕性,土壤重度16 k N/m3,地基承載力特征值fak=120 k Pa。按無地下水和有地下水(1.5 m)2種情況,選取110 k V 和220 k V 2個電壓等級各一組轉(zhuǎn)角塔,分別計算相應(yīng)的大開挖基礎(chǔ)和原狀土基礎(chǔ)工程量,并進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)比較,基礎(chǔ)設(shè)計時鋼筋采用HRB400 和HPB300,混凝土采用C35和C25強(qiáng)度等級,基礎(chǔ)外表面環(huán)氧瀝青漆防腐。

3.1 110 k V 轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)分析

選取110 k V 輸電線路工程中常用塔型的一組4個轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行基礎(chǔ)分析,根據(jù)DL/T 5219—2014設(shè)計技術(shù)規(guī)程要求,采用TFOD 輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計軟件進(jìn)行計算,得出110 k V 各轉(zhuǎn)角塔型在無地下水和有地下水2種地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)型號和工程量,見表1和表2,在有地下水情況時,基礎(chǔ)不宜選用掏挖基礎(chǔ)和挖孔樁基礎(chǔ)型式[8]。表中塔型Ⅰ代表0°~20°轉(zhuǎn)角塔,Ⅱ代表20°~40°轉(zhuǎn)角塔,Ⅲ代表40°~60°轉(zhuǎn)角塔,Ⅳ代表60°~90°轉(zhuǎn)角塔。基礎(chǔ)型號中TJ代表臺階基礎(chǔ),ZZ 代表板式直柱基礎(chǔ),TW 代表掏挖基礎(chǔ),WZ代表挖孔樁基礎(chǔ),例如TJ2333 代表臺階基礎(chǔ),底板寬2.3 m,埋深3.3 m。

表2 110 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)工程量對比(1.5 m 地下水)

表3 110 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)造價對比表 萬元

根據(jù)表1和2對各基礎(chǔ)工程量進(jìn)行造價計算分析,得出各基礎(chǔ)型號的造價數(shù)值,見表3。

將表3中臺階基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)分別與板式直柱基礎(chǔ)進(jìn)行造價對比分析,詳見圖1。

據(jù)圖1可知,在無地下水情況下,掏挖基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),造價是板式直柱基礎(chǔ)造價的55%~70%,且轉(zhuǎn)角度數(shù)越大,造價節(jié)省越多;其次為臺階基礎(chǔ),其造價為板式直柱基礎(chǔ)造價的91%~97%;板式直柱基礎(chǔ)造價最高。在1.5 m 地下水情況下,Ⅰ、Ⅱ型轉(zhuǎn)角塔臺階基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于板式直柱基礎(chǔ),Ⅲ、Ⅳ型轉(zhuǎn)角塔板式直柱基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于臺階基礎(chǔ),但兩者的造價差別不大,基本在5%以內(nèi),可根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件進(jìn)行具體選擇,如遇流砂等地質(zhì)情況時,建議選用臺階基礎(chǔ)型式,工序簡單、施工快、減小地下水的影響。

表1 110 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)工程量對比(無地下水)

圖1 110 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)造價對比

3.2 220 k V 轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)分析

選取220 k V 輸電線路工程中常用塔型的1組4個轉(zhuǎn)角塔進(jìn)行基礎(chǔ)分析,采用和110 k V 相同的地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計計算,各基礎(chǔ)型式工程量見表4和表5。

表4 220 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)工程量對比(無地下水)

表5 220 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)工程量對比(1.5 m 地下水)

根據(jù)表4和5對各基礎(chǔ)工程量進(jìn)行造價計算分析,得出各基礎(chǔ)型號的造價數(shù)值,見表6。

表6 220 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)造價對比表 萬元

將表6中板式直柱基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)、挖孔樁基礎(chǔ)分別與板式斜柱基礎(chǔ)進(jìn)行造價對比分析,見圖2。

圖2 220 kV轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)造價對比

據(jù)圖2可知,在無地下水情況下,掏挖基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu),造價是板式斜柱基礎(chǔ)造價的66%~70%,但是Ⅲ、Ⅳ型轉(zhuǎn)角塔的掏挖基礎(chǔ),因底部擴(kuò)大尺寸較大,施工人員的安全難以得到保證且底部混凝土不容易振搗密實。基礎(chǔ)選擇的時候應(yīng)慎用;其次為挖孔樁基礎(chǔ),是板式斜柱基礎(chǔ)造價的82%~95%,隨著轉(zhuǎn)角度數(shù)加大,節(jié)省比例逐漸降低;再次是板式斜柱基礎(chǔ)。板式直柱基礎(chǔ)造價最高,是板式斜柱基礎(chǔ)造價的115%~125%。在1.5 m 地下水情況下,板式直柱基礎(chǔ)造價是板式斜柱基礎(chǔ)的104%~110%,相比較而言板式斜柱基礎(chǔ)更優(yōu)。

4 結(jié)論及建議

(1)直線塔基礎(chǔ)選型時優(yōu)先選用掏挖基礎(chǔ)型式,在基坑難以掏挖成型或地下水位較高情況下選擇臺階基礎(chǔ)型式。

(2)110 k V 轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)選型時優(yōu)先選用掏挖基礎(chǔ)型式,在無地下水但基坑難以掏挖成型的情況下選擇臺階基礎(chǔ)型式;在地下水位較高的情況,臺階基礎(chǔ)和板式直柱基礎(chǔ)造價基本相當(dāng),可根據(jù)具體的地質(zhì)及施工條件進(jìn)行選擇。

(3)220 k V 轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)選型時優(yōu)先選用掏挖基礎(chǔ)型式,但是Ⅲ、Ⅳ型轉(zhuǎn)角塔的掏挖基礎(chǔ)應(yīng)慎用,建議選用挖孔樁基礎(chǔ)或板式斜柱基礎(chǔ);在地下水位較高的情況下,板式斜柱基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于板式直柱基礎(chǔ);在山區(qū)或地勢陡峭塔位,綜合考慮后,可選擇人工挖孔樁基礎(chǔ)。

(4)針對不同的基礎(chǔ)型式選擇合適的施工機(jī)械,在條件允許的地區(qū),積極推廣機(jī)械化施工,提高機(jī)械施工比例。

(5)鐵塔基礎(chǔ)的選型影響因素比較多,除了造價因素外,地形條件、地質(zhì)條件、荷載特性、施工可行性、環(huán)境保護(hù)等都是需要考慮的因素,故在具體工程的設(shè)計過程中不可生搬硬套,需要進(jìn)行有針對性的分析后確定合理的基礎(chǔ)類型。