山區線路承壓水地基基礎治理及沉降觀測研究

辜良雨，劉翔云，張利如，甘運良，翟洪利

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663)

0 引 言

承壓水具有埋藏深、水頭高、易受外力的影響形成自流水等特點，對地基基礎存在較大的危害性。平原地區輸電線路通常采用預制方樁、管樁、沉井、沉箱或機械施工灌注樁基礎等基礎形式，可有效降低承壓水的不利影響。西南地區多山少路，道路交通條件差，輸電線路建設施工受到很多外部因素制約，基礎施工機械化率較低，承壓水地區通常采用人工開挖的方式進行板式基礎的施工。因此，難以避免地存在不同程度的地基擾動、回填不均、基坑支護困難等施工問題，可能導致基礎出現不同程度的沉降和偏移。在承壓水的作用下可能導致基礎墊層不規則隆起，并進一步加大沉降和偏移，對輸電線路的安全穩定運行造成較大影響。

目前國內外對于承壓水地質條件下的輸電線路柔性板式基礎的沉降治理尚無系統的研究[1-4]，結合云南山區某特高壓線路工程實例，數值模擬對山區輸電線路承壓水地區采用柔性直柱大板基礎出現的偏移、不均勻沉降等問題進行了分析，提出了有效的治理措施，并通過近2年的長期持續觀測對治理效果進行了實踐驗證。驗證結果表明所提出的治理措施具有良好的效果，對類似工程問題的處理具有借鑒和推廣價值。

1 承壓水相關規定

1.1 承壓水定義

建筑工程中通常將充滿于2個穩定隔水層(或弱透水層)之間的含水層中的重力水，稱承壓水，如圖1所示。

圖1 承壓水埋藏

承壓水主要有以下特性：1)承壓性，承受靜水壓力；2)補給區、承壓區和排泄區的分布較為明顯；3)補給區具有潛水的特點；4)埋藏深度大，動態穩定。

1.2 承壓水地基設計和施工要求

國內關于山區輸電線路承壓水地基基礎設計和施工的相關理論和案例較少，僅有限的幾本規程規范做出了基本要求如下：

1)GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》[6]

附錄W.01條規定：當上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時，如圖2所示，基坑底抗滲流穩定性可按式(1)驗算。

圖2 基坑底抗滲流穩定驗算

(1)

式中：γm為透水層以上土的飽和容重，kN/m3；t+Δt為透水層頂面距基坑底面的深度，m；pw為含水層水壓力，kPa。

2)GB 1004—2015《建筑地基基礎工程施工規范》[7]

第7.3.4條規定：承壓含水層頂埋深小于基坑開挖深度，應采取有效的降水措施，將承壓水水頭降低至基坑開挖面和坑底以下，如圖3所示。當驗算基坑承壓水穩定性不滿足式(2)要求時，應通過有效的減壓降水措施，將承壓水水頭降低至安全水頭埋深以下。

圖3 承壓含水層

(2)

式中：k為基坑抗承壓水穩定性系數；γ為土的容重，kN/m3；H為基坑底距承壓含水層頂板的距離，m；γw為水的容重，kN/m3；h為承壓水頭高于含水層頂板的高度，m。

2 工程案例分析

2.1 案例概況

西南地區某特高壓直流線路工程AJ106塔位C、D腿基礎墊層施工后出現基底隆起現象。經現場勘察，C、D腿基坑開挖未按設計要求支護，且開挖的土石方未按設計要求外運，而是在基坑周邊堆放形成集中堆載，C、D腿已澆筑的基礎墊層局部有隆起現象，如圖4所示。

圖4 基礎墊層隆起

AJ106塔位于中山斜坡中下部，整體地形坡度為10°～15°?；镜刭|條件為：塔位0～9.8 m為可塑粉質粘土混碎塊石；9.8～13.7 m為稍密碎石；13.7～17.1 m為強風化泥巖，再以下為中風化泥巖；勘探期間地下水深10.4 m，靜止水位0 m，為承壓水。

該塔位處于大片農田中，因塔位附近無交通條件且塔位下坡側有民房和大棚等設施，設計采用了直柱板式基礎，各腿基礎配置均為DJ6563，底板寬6.5 m×6.5 m，基礎埋深5.4～6.0 m。各腿相對位置見圖5所示。

圖5 AJ106塔位各腿相對位置

結合現場調查情況研究表明：該基坑未支護，也未按設計要求放坡，坑邊有大量棄土堆載；基坑開挖后長時間暴露，在承壓水作用下造成基坑一定程度的隆起。因此，確定采用漿砌塊石回填反壓的應急處理措施。考慮到基底擾動、回填土沉降固結等不利因素，對基礎地腳螺栓采取了加長措施。

采用漿砌塊石反壓處理后，經觀測，未見繼續隆起?；A澆筑回填完成后，經過測量，C、D腿基礎高程與設計理論值相比有下沉，且C、D腿之間距離較設計理論值減小約60 mm。根據隱蔽工程驗收記錄分析，上述偏移沉降主要發生在基礎澆筑完成后。

2.2 基礎沉降影響數值分析

根據AJ106塔位現場實際情況，結合SmartTower鐵塔計算軟件和ANSYS有限元分析軟件，開展了基礎沉降對基礎和鐵塔的影響分析，并對基礎沉降的治理效果進行了數值分析，為制定基礎處理方案提供了依據。

2.2.1 沉降對基礎的影響分析

AJ106塔轉角為左轉20°04′，大風運行工況下，A、B腿為下壓腿，C、D腿為上拔腿。根據各主要施工階段，基礎加載分析分為3個階段。

階段1：基礎回填完成后，各腿承受的回填土及基礎自重產生的下壓力約6116 kN。

階段2：鐵塔組立完成后，各腿增加下壓荷載320 kN，水平荷載約38 kN。

階段3：架線完成后，架線后基礎作用力理論極限值如表1所示，表中：Tmax為最大上拔力；TX、TY分別為最大上拔力對應的橫擔方向和垂直橫擔方向的水平力；Nmax為最大下壓力；NX、NY分別為最大下壓力對應的橫擔方向和垂直橫擔方向的水平力；正、反向風速為設計風速27 m/s。

表1 架線后基礎作用力

C、D腿基礎施工全過程加載情況分析見表2。

表2 C、D腿基礎加載情況分析

基礎沉降會引起基礎水平力明顯增大，沉降前后的最大基礎作用力對比見表3。

表3 沉降前后基礎作用力對比

依據表1—表3可以得出如下結論：

1)鐵塔組立完成后，相比當前基礎回填的狀態，其下壓荷載增加約6%，對地基變形影響較小。

2)架線完成后，在各類計算工況下C、D腿基礎理論上均承受上拔力，無下壓力，對地基變形是有利的。

3)架線完成后，偶爾存在反向風作用。雖然此時C、D腿基礎可能產生下壓荷載，但下壓力遠小于鐵塔組立完成后的下壓力，且反向風屬于瞬時荷載，對地基變形影響也非常微小。

4)所有工況作用下各基礎(包括D腿偏心受力基礎)在考慮基礎沉降后的承載力經均滿足要求，無需對基礎本體進行特殊處理。

2.2.2 沉降對鐵塔的影響分析

輸電線路鐵塔基礎沉降分為均勻沉降和不均勻沉降。工程實踐和理論計算分析表明：1)各腿的均勻沉降對鐵塔受力影響較??；2)兩腿穩定、其余兩腿同步沉降也基本沒有影響；3)各腿都不均勻沉降且持續加大會導致鐵塔各控制尺寸發生改變，產生較大的次內力，對桿件受力產生不利影響。

有限元計算分析表明，當AJ106塔位各腿的相對不均勻沉降達到20 mm時，理論上會引起塔腿以上第2個隔面角部斜材，見圖6(a)中標紅桿件，螺栓抗剪強度不足。補強后繼續加大不均勻沉降至28 mm時，塔腿以上第2個隔面交叉斜材超限破壞，見圖6(b)標紅桿件。

(a) BC腿 (b) CD腿

圖6 不均勻沉降超限后鐵塔構件應力

因此，治理方案首先需采取有效措施，減小各腿的不均勻沉降，并在后期分階段持續監測，一旦不均勻沉降值接近20 mm，就須立即采取應急處理預案，如打臨時拉線、加墊鋼板等。

2.3 基礎處理方案確定

相關研究表明[8]，基坑未采取降排水措施、墊層澆筑前基底有擾動且未處理、未按規定進行放坡和支護、回填時機械碾壓等是造成輸電線路大板式基礎不均勻沉降的主要原因。

對AJ106塔位現場開展了補充勘探，包括探坑、探井和地質點調查，并進行了工程地質鉆探、標貫試驗和土工試驗，再次確認了場地穩定性、地質分層情況與原設計一致。根據補充勘探及土力學分析結果，并結合現場實際情況確定基礎的偏移沉降主要由以下因素造成：

1)基礎澆筑后，重力荷載增加，使擾動土進一步壓實，引起基礎沉降；

2)回填的漿砌塊石之間存在空隙，基礎澆筑和基坑回填后，受壓力影響，漿砌塊石被擠密壓縮，間隙減小，引起基礎偏移和不均勻沉降；

3)反壓用的漿砌塊石未滿漿滿鋪且基礎未按要求分層回填夯實，如圖7所示，以及單側施工和反復碾壓等因素導致了基礎偏移和不均勻沉降進一步加大。

圖7 漿砌塊石反壓施工現場

針對AJ106塔位基礎不均勻沉降和偏移問題，根據前述現場調查和數值模擬計算結果，分析認為目前基礎根開及相對高差已不滿足驗收規范要求，需采取下列處理措施：

1)不均勻沉降矯正：在C、D基礎加墊鋼板，減小基礎頂面高差至滿足驗收規程要求，對于加墊鋼板后基礎頂面與塔腳板間的縫隙，按驗收規程要求采用水泥砂漿回填密實。

2)偏移矯正：重新加工D腿塔腳板，通過調整塔腳板上地腳螺栓孔位，保證鐵塔各腿根開滿足驗收規程要求。對基礎進行偏心受力驗算，滿足承載力要求。

采取上述處理措施后，基礎不均勻沉降和偏移問題得到了有效處理，各項參數均滿足現行輸電線路施工及驗收規程[9]的相關要求。

3 治理效果長期觀測驗證

根據工程經驗，在后期組塔、架線施工過程中由于施工擾動和桿塔加載可能會導致基礎沉降和偏移進一步擴大。同時，該工程為特高壓直流線路工程，輸送容量巨大，作為南方電網的骨干輸電網絡，不允許其遺留安全隱患。因此，對AJ106塔位從施工到運行持續進行了為期近2年的基礎沉降和偏移觀測，對治理效果進行了充分驗證。

3.1 長期觀測方案

AJ106塔位在2019年10月完成基礎澆筑，2020年3月完成鐵塔組立，2020年5月完成架線，2020年8月竣工投運。根據相關規范[9-11]中沉降觀測的要求，對AJ106塔位制定了更為嚴格的長期觀測計劃，整個觀測期為2年，共計觀測75次，詳見表4。

表4 AJ106塔位沉降偏移長期觀測計劃

本次持續觀測分別在AJ106塔位各腿基礎頂面、塔腳板及地腳螺栓上固定測點，并通過在100 m外農房墻壁貼反光片對測量數據進行高精度修正，始終將人工持鏡造成的測量誤差影響控制在毫米級。

3.2 觀測結果

雖然鐵塔組立期間頻繁有大型施工機械進出塔位，對各腿基礎回填土層反復碾壓，對觀測數據有一定影響，但是各項觀測數據均未出現持續擴大的變化趨勢。各項數據指標變化主要是由于基礎地基自然沉降、頻繁持續降雨回填土沉積固結以及人工持鏡測量誤差3個因素共同作用的結果。

表5的根開數據表明，AJ106塔位各施工階段的根開值均滿足現行施工及驗收規程[9]對根開誤差不大于±0.2%的要求。

表5 現場觀測根開數據

圖8為AJ106塔位各基礎根開變化趨勢圖，可以看出基礎根開前期變化幅度相對稍大，但是到2020年7月以后根開值已基本收斂趨于穩定狀態。

(c) AD腿 (d) AB腿圖8 各腿基礎正面根開變化趨勢

表6的各腿基礎沉降數據表明，自2020年9月30日至2021年11月5日的100天內，AJ106塔位各腿基礎的最大沉降速率均小于0.04 mm/d，滿足建筑變形測量規范[11]對沉降速率的要求，基礎沉降已經達到了穩定狀態。

表6 各腿基礎沉降值數據

4 結 論

上面結合工程實例，通過理論和數值模擬對山區輸電線路承壓水地基采用直柱大板基礎出現的偏移沉降問題進行了分析和治理，并結合2年的長期持續觀測對治理效果進行了驗證。驗證結果表明，采用所推薦的治理方法是有效可靠的，可以為今后的工程實踐提供指導。

針對山區輸電線路承壓水地基建議采取以下措施，可有效減小或消除基礎偏移沉降等可能出現的各類問題：

1)在交通條件具備前提下，承壓水地基建議優先采用灌注樁基礎，穿透承壓水層，同時應采用有效的降水、排水和防護措施；

2)承壓水地基采取大開挖基礎時，應根據承壓水埋深、水頭高度等參數，進行基坑抗滲流穩定性計算，并加強坑壁支護，嚴禁在坑口堆載；

3)對承壓水水頭過大導致基底隆起的，應立即采取反壓措施，如漿砌塊石反壓；

4)應加強現場施工監督，按要求采取坑壁支護、棄土外運、基坑分層回填夯實以及反壓的漿砌塊石應滿漿滿鋪等保證施工質量的措施；

5)對基礎可能發生偏移和不均勻沉降的塔位基礎，應適當加大地腳螺栓孔徑和出露長度，以便后期調節塔腳板高度，抵消偏移和不均勻沉降對鐵塔的不利影響；

6)各腿基礎不均勻沉降加大后可能首先導致腿部以上隔面斜材和螺栓失穩破壞，對可能出現不均勻沉降塔位的上述桿件和螺栓應進行適當加強處理；

7)施工期間應定期進行基礎偏移、沉降觀測，尤其是基坑回填前必須采集相關數據，一旦發現問題及時處理，消除隱患。