風積沙地區加筋地基鐵塔基礎技術經濟研究

霍曉波，戴永明，李治國

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司,山西 太原 030000)

1 研究背景

中國是荒漠遍布較為廣泛,總面積達70多萬平方千米[1]。荒漠區域包含了大量的太陽能、風能等清潔資源。由于光伏風電裝機容量迅速擴大,這些荒漠區域迫切需要修建輸電線路以優化供電系統結構,滿足清潔能源外送需要。

荒漠風積沙是在干旱、半干旱區長時間形成的獨特特性的沙,其物理力學特性和水成沙及普通區域的砂土有很大不同。同時由于現場的基礎施工材料欠缺,且施工難度較大,因此方案設計時須兼顧技術可行性與經濟性[2]。目前,對于風積沙地區輸電線路基礎的研究,大多更注重在工程技術方面。而在方案比選階段,各方對設計方案經濟合理性比較關注。所以,很有必要對風積沙區域的輸電線路不同種類基礎費用進行綜合測算,本文以青海地區某±800 kV特高壓輸電線路工程和220 kV輸電線路工程為例,對同一地區類似地質條件下的不同類型基礎加以深入研究分析,從而獲得既方案可行又造價合理的基礎設計方案。

2 風積沙地區巖土工程條件

輸電線路的特點決定了鐵塔基礎受到拉或豎向向下荷載和較大的橫向荷載作用,地基必須具備較強的抗拔、抗壓性能[3]。然而,風積沙作為輸電線路鐵塔基礎的主要工程地基,與常規地基相比,重要的物理力學特征包括:

1)含水率指標低,部分區域接近零。2)松散且黏聚性較小,抗剪強度較低。3)受風力影響,級配粒度差,多為細砂[4]。4)在施工過程中,水分散失快,基坑開挖成型較差。

顯然,風積沙中存在著顯著的不良工程地質特征,且以上力學特征使得風積沙地基土中的輸電線路鐵塔基礎抗壓強度容易達到,但上拔穩定性較差。風積沙不經過任何處理可以直接作為地基土設計輸電線路基礎時,如果充分發揮了其抗壓強度,則抗拔力和抗傾覆力量明顯欠缺;如果充分利用了抗拔和抗傾覆的強度,則抗壓強度浪費。所以,將其地基處理并改善風積沙的抗拔特性也是一項技術需求。

本文選擇的典型工程風積沙塔位處細沙層厚度大,地貌類型為沙漠,如圖1,圖2所示,地形稍有起伏。

3 常規基礎設計方案

該標段風積沙塔位處細砂層厚度大,普遍達到10 m～30 m左右,細砂層密實程度從地表往下呈稍密、中密、密實,輸電線路鐵塔基礎設計時為避免淺層稍密情況風積砂的惡劣地質狀況,應選擇灌注樁支撐,并盡可能減小樁徑、增加樁長度,以充分利用深度達到中密或密實狀況的風積沙較好的力學性能。

松散的風積沙天然含水率較小(為0%～2%),而且滲透系數大、透水性較強,造成灌注樁基礎鉆孔時不能采用泥漿護壁等常規的鉆進方式成孔,即使能勉強成孔也無法保證良好的成孔品質,因此需要被動使用鋼護筒的方法完成鉆進。

經詳細計算,常規板式基礎和灌注樁基礎材料量見表1。

表1 常規板式基礎和灌注樁基礎材料量對比表

4 抗拔加筋復合地基設計方案

4.1 筋材選型

按照交通運輸、建材等領域建設所使用的土工合成建筑材料種類,一般分為土格柵、土工織物、土工膜、土工布等。土工薄膜是一類以高分子材料聚合物為主要原料的防水阻隔型建筑材料,但不能用作抗拔補強使用。土工格柵、土工布有良好的抗拉特性,因此可用作加筋材料[5]。

根據中國電科院關于風積沙加筋地基抗拔改良機制,以及各種土工材料力學特性對補強效應的影響研究,結果表明:

1)在達到抗拔極限時,風積沙加筋復合地基地表裂紋比無加筋風積沙地基更寬,而筋材結構可以起到基礎傳導作用的效果功效。2)加筋材料通過對基礎的下拉影響,起到風積沙地基補強和改進的作用。3)復合地基加筋材料拉伸強度對抗拔特性影響較小。4)風積沙復合地基加筋材料的選取型主要參照因素為伸長率和摩擦系數,土工格柵的抗拔性能優于土工布。

因此,綜合加筋材料有關原型試驗結果,根據相關規范,本工程加筋材料采用聚丙烯雙向土工格柵,規格型號為TGSG3030,網孔不大于40 mm×40 mm(如圖3所示)。

4.2 土工格柵布設

加筋復合地基板式基礎在上拔荷載影響下,基底周圍筋材明顯抬起,由此產生對基底的制約下拉效應,實現風積沙地基抗拔性能加固改進。

從試驗結果來看,筋材影響區下呈喇叭狀發散,尤其下部,而該區域恰恰為加固性能較好的地區區段。所以,土工格柵敷設要采用下列準則:

1)筋材布置于板式基礎以上地基土中,基礎埋深區域內自下至上,土工格柵鋪設面積逐漸變大,呈倒梯臺狀;2)土工格柵加筋層間距為0.2 cm～0.5 cm,基礎埋深區域內自下至上,土工格柵層間距逐漸增加;3)土工格柵布置時,底板邊緣由下至上按30°擴散角(倒梯臺側面與豎直角角度)布設在最上面一層,每層四周超出擴展影響面1 m。

±800 kV線路工程和220 kV線路工程地基土中土工格柵布設如圖4,圖5所示。

4.3 抗拔加筋復合地基基礎設計方案

經詳細計算,在與常規板式基礎和灌注樁基礎相同技術條件下,抗拔加筋復合地基基礎材料用量見表2。

表2 抗拔加筋復合地基基礎材料量統計表

5 不同電壓等級不同基礎方案費用測算

5.1 測算依據

為使該計算結論具備相當的代表性,本次兩個電壓等級不同方案費用計算對共性計算參數作了必要的約定。具體包括:

1)基本造價根據各個電壓級別單獨計算,其中地貌特征為荒漠,而地質特征為細砂。

2)按照2018版最新預規和定額進行費用計算,最終費用為本體工程費與編制基準期價差之和。

3)目前建設項目案例在青海省,故取費標準按Ⅱ類地區考量,目前青海地區社會保險費為24.5%、住房公積金為12%。

4)材料輸送的平均距離按一般工程考慮,車輛運距統一設置為25 km,人力運距沙漠地形條件設置為0.8 km,因為荒漠地區干旱,水的車輛運距按25 km考慮。

5)定額中需單獨計算的材料主要為基礎材料,依據青海省建設工程造價站發布的《青海工程造價管理信息》,土工格柵根據本項目的實際采購價格,具體如表3所示。

表3 定額未計價材料選價一覽表

6)人工、材料及機械調整系數文件參照最新定額[2023]1號文執行。

7)因風積沙地區灌注樁基礎成孔性差、基礎澆筑困難大,故每基基礎考慮5萬元鋼護筒措施費。

5.2 費用測算結果

對各電壓級別不同基礎設計方案按照以上標準進行費用計算,其計算結果如表4所示。

表4 不同基礎設計方案單基費用測算

由表4可知,±800 kV線路抗拔加筋復合地基基礎每基投資約33萬元,較常規板式基礎投資減少約7.41萬元,減少約18.5%,較灌注樁基礎投資減少約17.13萬元,減少約34.4%;220 kV線路抗拔加筋復合地基基礎每基投資約7萬元,較常規板式基礎投資減少約0.98萬元,減少約12.2%,較灌注樁基礎投資減少約2.41萬元,減少約25.5%。

6 結論

本文總結了風積沙地區復合加筋地基線路桿塔基礎設計方案,同時依托青海地區±800 kV和220 kV線路工程,對常見三種基礎設計方案進行了對比分析,并根據最新標準和文件、案例所在地取費及材料價格等,針對各電壓等級、各基礎設計方案逐一計算相關費用,得出如下結論:

1)疏松的風積沙自然含水量較低、滲透系數大,灌注樁成孔性較差、樁體穩定性較差,實施困難度大,且為保障基礎效果易引發生態損害與污染。

2)土工柵格加筋對基礎底部的制約下拉效果,以達到風積沙地基抗拔性能的進一步改善。

3)根據風積沙區域環境,相比于常規板式基礎設計方案、灌注樁基礎設計方案,抗拔加筋復合地基基礎設計方案是最經濟的。

4)±800 kV單回路直線塔抗拔加筋復合地基基礎每基投資約為33萬元,220 kV單回路直線塔抗拔加筋復合地基基礎每基投資約為7萬元。

5)抗拔加筋復合地基基礎造價較常規板式基礎投資減少約10%～20%,較灌注樁基礎投資減少約25%～35%。

6)根據本文計算后得到的±800 kV,220 kV電壓等級抗拔加筋復合地基基礎費用,可作為方案比選、投資計算的依據,也可作為工程造價人員和相關機構的現階段參照指標。

7)本文針對青海風積沙地區抗拔加筋復合地基基礎案例進行梳理分析測算,為進一步擴大應用范圍,建議后續擴大搜集案例區域。