强风化岩扩底锚桩基础在220kV新港输电工程中的应用

王茂成，范士锋，孟庆波，李 强，刘德华，于 斌，白玉石

（1.烟台电力设计院，山东省烟台市，264002；2.山东电力集团公司，济南市，250001；3.海南中海电力工程有限公司，海口市，570003；4.烟台供电公司，山东省烟台市，264000）

0 引言

以往，对于强风化岩地基，220kV输电线路直线塔基础一般按立柱板式基础或斜柱板式基础设计。近年来，各地对强风化岩石锚桩基础作了一些试验研究与尝试[1-11]，嵌固式基础和锚桩基础以具有经济、环保等特点逐步得到推广应用。考虑到强风化岩裂隙复杂，雨后存在渗水现象，锚杆的锈蚀问题不可忽视；破坏性试验过程中，试验锚杆从等径锚桩内抽出或等径锚桩从岩体中脱出的现象，说明了锚杆和锚桩的锚固措施需要完善。2008年，山东电力集团公司科技立项（2008A-14），并联合烟台供电公司、烟台电力设计院、海南中海电力工程有限公司和山东电力工程咨询院完成了“有覆土层的强风化岩锚桩基础结构模型的研究”[12]。本文介绍220kV新港输电工程38号、39号、40号双回双分裂直线塔实施全方位高低腿的扩底锚桩基础的设计、试验和经济性比较情况，研究双桩结构的可行性。

1 扩底锚桩基础的设计与单锚杆试验

2008年10—12月，在烟台地区220kV新港输电工程中，对位于开发区九目山顶、地质为中/强风化岩的38号、39号、40号直线塔实施了全方位高低腿的扩底锚桩基础，维持了原有地形地貌，经济效益、水土保持效果非常明显。以往板式基础需要降基面并护坡，而通过38号、39号、40号基础设计与施工，扩底锚桩基础基本不需降基面，也不需护坡。

38号塔位于九目山的西半坡，4个塔腿的上部地质为强风化岩，下部为中等风化岩；39号塔位于九目山顶，A、D塔腿的地质为强风化岩，B、C塔腿的地质为中等风化岩；40号塔位于九目山的东半坡，4个塔腿的地质为强风化岩。

根据2008年春季南方冰灾经验和国家电网公司有关最新设计技术规定，塔型选择和基础设计均按提高1个强度等级考虑。38号、39号、40号基础按文献[1]推荐的结构模型设计。根据塔位周围的地形，38号和40号基础按全方位高低腿和不等高承台设计，39号基础按等长腿和不等高承台设计。

经理论计算，3基直线塔基础锚孔中心距为0.4m，锚孔直线段为φ130 mm×4.0m（39号塔B、C塔腿为φ130 mm×2.8m），锚孔扩底为φ230 mm×0.4m，材质为35号钢的锚杆M60（39塔B、C塔腿为M42），锚板为φ120 mm×40 mm，承台和锚桩混凝土规格为C30，承台嵌入强风化岩层深度为0.5m，嵌入中等风化岩层为0.3m。以地势最低的塔腿处为±0.0（或铁塔呼称高的零点），经现场测量和地质勘探后，确定3基扩底锚桩基础的设计尺寸如表1所示。40号塔C腿扩底锚桩基础施工图，如图1所示。

图1 40号塔C腿扩底锚桩基础施工图Fig.1 The leg C’s enlarged base anchor pile foundation of NO.40 tower

表1 有覆土层的3基扩底锚桩基础的设计尺寸Tab.1 The designed dimension of enlarged base anchor pile foundation with a layer of overburden

试验锚杆选用M60型6.8级螺栓（材质为40Cr），设计抗拔力为840 kN，屈服抗拔力为1 350 kN。选择每基塔位地质最薄弱的地方做2～4个试验锚杆，试验锚杆下端带直径略小于锚孔直径的圆形锚板，并以2个螺母上、下夹紧。经28天养护期后，分别做试验锚杆的拉拔试验。对40号塔的1、2号未镀锌试验锚杆和3、4号热镀锌试验锚杆对比试验，如表2所示。由试验结果可知热镀锌锚杆较未镀锌锚杆的上拔位移大，但均在允许范围之内，因此，带锚板的热镀锌锚杆可以作为基础锚杆，这样就解决了锚杆的混凝土保护层不够的问题。

表2 220kV新港输电线路40号塔锚杆拉拔试验结果Tab.2 The pullout testing data of the foundation anchor rod of NO.40 tower

2 扩底锚桩基础和板式基础经济性比较

在38号、39号、40号塔扩底锚桩基础和板式基础的造价对比过程中，人力运距为1.0 km，汽车运距为10 km，基础所处地形攀登困难，确定为高山地形。若采用板式基础，38号和40号塔位因地势较陡，需分别降基面3.0m和1.5m。

比较扩底锚桩基础和板式基础的预算汇总表可知，2种基础在工地运输费和土石方工程费方面差别很大，基础工程费相差不大；在不考虑试验锚杆费用的前提下，扩底锚桩基础较板式基础节省费用58.8%。图2为39号和40号塔组立后效果图。39号塔基础充分利用地形地貌，未破坏周围的地表面凸出的岩体；40号塔基础根据自然形成的地形坡度设计全方位高低腿和不等高基础承台，不降基面不护坡，少破坏林木，保持水土不流失，从而实现环保型基础。

图2 扩底桩基础组立效果Fig.2 Erection of enlarged-base piles

钻孔期间准确勘探塔位的地质条件，并且设计阶段取强/中风化岩抗剪强度的下限，可省略试验锚杆步骤，从而节省试验费用。由于4桩直锚并未发挥出单锚的抗拔性能，为减少直锚中的桩数提供可能。

3 锚桩基础的双桩结构

3.1 几种基础锚杆布置方案的比较

以往基础工程设计中，无论阶梯型基础（俗称大块基础）、板式基础、掏挖基础，还是岩石基础，角钢塔的塔脚板均由4个预留孔（地脚螺栓或锚杆）组成。3种基础的锚杆布置方案如图3所示。

方案1是一种常规的设计方案，塔脚板上的4个预留孔（或锚杆）布置与铁塔上主角钢的重心线成对称布置，以保证各锚杆均匀受力，如图4所示。文献[1]试验证明，同一地点的直锚桩（由4根单锚桩组成）极限抗拔力是单根锚桩的1.5～2倍，而通过理论计算公式[5-6]可得出直锚桩极限抗拔力基本是单锚桩的1.2～2.1倍（强风化硬质岩抗剪强度取17～30 kPa），因此，对于岩石锚杆基础而言，方案1并非最佳设计方案。若在塔脚板的主角钢的重心位置预留单孔，由于主角钢尺寸限制，导致预留孔过小，也无法用扳手拧紧螺母。

图3 3种基础锚杆布置方案Fig.3 The anchor bolt layout of three types of foundations

图4 方案1塔脚板俯视图Fig.4 The top view of tower foot pad of scheme 1

方案2和方案3的每个塔腿均按2个锚杆设计，方案2按正交铁塔对角线布置，方案3按铁塔塔脚板主角钢的对角线布置，如图4所示；当承台完全抵抗水平力时，方案2和方案3在基础受力方面没有明显的差别。若承台较高、不能完全抵抗水平力，当顺线路方向和横线路方向的水平力大致相同时，比如国网典设2G模块220kV双回双分裂塔型，方案3在基础稳定性方面优于方案2；当基础主要受横线路方向的水平力时，比如国网典设1G模块110kV双回塔型，方案2和方案3中的2个锚杆连线应横线路方向，并与铁塔塔脚板主角钢的重心线成对称布置。根据文献[12]，当覆土层较厚导致承台较高时，来自塔腿的双向水平力在承台与直锚变形衔接面产生的附加弯矩较大，为直锚基础的强度薄弱点之一，锚杆的直径主要受到该截面的抗拉强度控制。

3.2 高强钢地脚螺栓

通过38号、39号、40号塔岩石基础的理论计算，方案1基础的锚杆大致为M42～M60型，材质为35号钢；若将方案1改为方案3，锚杆直径将增大，以致无法满足锚孔中心距、锚孔直径和锚杆直径的倍数关系。我国1000kV特高压线路基础首次选用了8.8级高强钢地脚螺栓，替代4.8级地脚螺栓，可降低费用40%～50%[13]。8.8级螺栓的屈服强度为640 N/mm2，抗拉强度设计值取屈服强度的0.7倍，即448 N/mm2，其抗拉强度相当于35号钢（190 N/mm2）、45号钢（210 N/mm2）同等规格的2倍多。因此，对于220～500kV双回直线塔双桩结构，8.8级螺栓完全可以满足工程设计要求。

3.3 方案2或方案3的构造措施

不设锚杆的2个孔预埋与锚杆相同规格的短螺栓，螺栓伸入承台0.3m即可，上端螺母与塔脚板应有3～5 mm的间隙（也不能填充混凝土），避免短螺栓受拉、拔出，短螺栓的作用是：与其他2个锚杆一起抵抗塔脚板因水平力在承台上而可能发生的侧移。另外，塔脚板预留孔是锚杆或螺栓直径的1.3～1.5倍，因此垫板应与塔脚板焊接。

4 结论

通过220kV新港输电工程38号、39号、40号基础设计、施工与经济比较，在不考虑试验锚杆费用的前提下，扩底锚桩基础较板式基础节省费用50%以上。若设计前准确勘探塔位的地质情况，并且设计阶段取强/中风化岩抗剪强度的下限，施工阶段注重塔位周围及各深度的地质情况，可省略试验锚杆步骤，从而节省试验费用。理论研究表明，双桩结构适合于强风化岩锚杆基础，可以大幅度降低扩底锚杆基础的费用，大致为40%左右，工期缩短一半左右。对于220～500kV双回直线塔双桩结构，8.8级螺栓完全可以满足工程设计要求。

[1]费香泽，程永锋，苏秀成，等.华北地区输电线路岩石锚杆基础试验研究[J].电力建设，2007，28（1）：26-28.

[2]秦庆芝，毛彤宇，刘学军，等.华北地区岩石锚杆基础设计及试验研究[J].电力建设，2007，28（4）：22-33.

[3]宋永发.送电线路岩石锚杆基础试验研究[J].岩土工程学报，1995，17（4）：89-94.

[4]宋永发，甘凤林，金载南，等.群锚基础承载力的计算方法[J].东北电力学院学报，1996，16（1）：52-56.

[5]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2005：530-533.

[6]DL/T 5219—2005架空送电线路基础设计技术规定[S].北京：中国电力出版社，2005：80-86.

[7]张乐文，汪 捻.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学，2000，23（5）：627-631.

[8]严行键.浅述岩石锚桩基础在输电线路工程中应用和改进[J].中国电力，1999，32（8）：23-29.

[9]王茂成，林则良，孙玉红，等.关于柱梁节点结构设计的探讨[J].工业建筑，2005，35（Z1）：232-234.

[10]何思命，雷孝章.全长粘结式灌浆锚杆锈胀机制研究[J].四川大学学报，2007，30（6）：30-35.

[11]苏秀成，高学彬.岩石锚杆基础施工工艺[J].电力建设，2007，28（4）：25-29.

[12]刘福卿，王茂成，蒋瑞金，等.有覆土层的强风化岩锚桩基础结构模型的研究[J].电力建设，2009，30（8）：42-46.

[13]刘振亚.特高压交流输电技术研究成果专辑（2007年）[M].北京：中国电力出版社，2008：407-416.