特高压输电线路岩石锚杆基础选型与设计

2014-02-14侯中伟郑卫锋

电力建设 2014年10期

侯中伟，郑卫锋

(1 国网北京经济技术研究院，北京市102209;2 中国电力科学研究院，北京市100192)

0 引言

岩石锚杆基础是通过将水泥砂浆或细石混凝土注入植有锚筋的岩孔内，使得锚筋与岩体胶结成整体承受上部结构荷载的一种基础型式［1-5］。过去，岩石锚杆基础在我国山区低电压等级输电线路工程中的应用可分为直锚式和承台式2 种类型，它们的应用地质条件和杆塔基础荷载条件不同。一方面，直锚式基础适用于覆盖层薄或者裸露的岩石地基中，而承台式基础适用于地表有较薄覆盖层的岩石地基中。另一方面，直锚式基础主要用于基础作用力较小塔位，而承台式基础主要用于基础作用力较大塔位。

岩石锚杆因具有较小的基础混凝土用量和土石方开挖量，可减少水泥、砂石、基础钢材及弃土的运输量，特别是在地形复杂的高山地区。此外，岩石锚杆基础机械化施工程度高，显著降低了人工开挖或爆破作业对基础周围岩石基面、林木植被的损害，因而具有较好的经济与环保效益。

当前，随着我国灵州—绍兴±800 kV 直流、雅安—武汉1 000 kV 交流等特高压输电线路工程的建设，越来越多的输电线路需经过山区。以雅安—武汉1 000 kV 特高压交流输电线路为例，全线地形中一般山地占38.62%，丘陵占27.18%，高山大岭占19.16%，平地占10.91%，河网泥沼占4.13%。同样，灵州—绍兴±800 kV 特高压直流输电线路工程也需要途径大量的山区或丘陵地区，其中一般山地占46.5%，丘陵占20.8%，高山大岭占5.1%。上述2个特高压输电线路均具备岩石锚杆基础应用的地质地形条件，但由于特高压输电线路工程杆塔荷载大，且线路途径的山区往往有2 ～3 m 的覆盖土层或强风化岩层，传统岩石锚杆基础型式一般难以满足特高压工程需要。本文根据特高压输电线路荷载大与岩石地基覆盖层厚的特点，提出特高压工程岩石锚杆基础适用型式、破坏模式及其承载力计算、施工和质量检测等方面的建议，为特高压工程中岩石锚杆基础的推广与应用提供参考。

1 基础选型与构造要求

1.1 基础型式

结合特高压输电线路荷载特征及岩石锚杆基础研究成果，在特高压工程中可采用图1 所示的群锚基础型式。图1(a)显示了覆盖层和岩石地基的层状分布;图1(b)为直柱型群锚基础，其在覆盖层采用方形或圆形直柱混凝土基础与上部杆塔结构连接，直柱部分嵌入基岩一定深度后与岩石群锚基础连接并形成岩石群锚基础;图1(c)为柱板型群锚基础，其在覆盖层中采用混凝土柱板结构型式，立柱以偏心或不偏心形式与上部杆塔结构连接，底板嵌入基岩一定深度后与岩石群锚基础连接，从而形成岩石群锚基础。

图1 特高压工程岩石锚杆基础型式Fig.1 Rock anchor foundation in UHV transmission line

1.2 构造要求

(1)岩石锚杆基础钻孔直径D 一般为锚杆直径d 的2 ～3 倍。根据当前岩石锚杆施工机具技术水平，钻孔直径宜取100 ～120 mm。

(2)已有研究成果表明，增加岩石锚杆群锚基础钻孔之间的距离b 能够提高其抗拔承载能力，但是随着锚孔间距b 的增加，图1 中基础立柱或承台底板尺寸都将明显增加，加上特高压输电线路山区斜坡地形的存在，必然影响岩石锚杆基础的使用范围。根据已有试验成果，可通过优化锚孔间距b 来减小承台尺寸，建议图1 所示的特高压输电线路岩石锚杆基础锚孔间距b 为D 的3 ～4 倍。

(3)上部立柱可设计成斜柱或采取偏心结构型式，也可采用地脚螺栓预偏等型式提高岩石锚杆群锚基础水平承载性能，且立柱或基础底板的嵌岩深度不应小于0.5 m。

(4)为保证钻孔中的锚筋居中，宜在锚筋顶部、底部各设置1个定位支架固定锚筋;同时，为方便施工过程中人工钢钎捣固或微型振动棒振捣，在锚筋其他部位不再设置其他固定措施。

(5)可在锚筋顶端采用一侧贴焊的机械锚固措施以降低锚筋锚入承台的基本锚固长度，从而减少承台高度并保证锚入承台内锚筋的锚固要求。

(6)锚筋优先采用高强螺纹钢(HRB400)，直径一般小于40 mm。灌浆料宜选用细石混凝土且强度等级不低于C30。

2 岩石群锚基础破坏模式及其承载力

如图2 所示，岩石群锚基础是由3 种材料(锚筋、浆体、岩体)、2个界面(锚筋－细石混凝土界面、细石混凝土－岩石界面)组成的承载和传力系统，上拔荷载往往是岩石群锚基础的设计控制条件。

图2 岩石锚杆群锚基础极限承载力计算示意图Fig.2 Ultimate uplift beating capacity calculation of rock anchor-group foundation

上拔荷载作用下，岩石群锚基础的破坏模式可能有5 种情况，分别为图3 所示的4 种单锚基础破坏以及图2 所示的岩石整体剪切破坏。设计中需要分别对上述5 种破坏模式的每一种模式进行设计和评价，从而最终对岩石锚杆基础的整体稳定性做出评价。

图3 岩石锚杆单锚基础的可能破坏模式Fig.3 Possible failure modes of rock anchor foundations

2.1 锚筋自身拉断破坏

如图3(a)所示，当锚杆所受拉力超过锚筋的屈服强度时，锚筋就会被拉断，对应的极限承载力如式(1)所示。

式中:fyk表示锚筋的屈服强度标准值;An表示锚筋的净截面积。

实际工程中，T1可通过提高锚筋的材料强度等级与直径得到提高。

2.2 锚筋和细石混凝土的结合面滑动破坏

如图3(b)所示，当锚筋和细石混凝土之间的粘结强度不足以抵抗拉拔荷载时，锚筋和细石混凝土的结合面就会发生粘结破坏，导致锚筋杆体被拔出，对应的极限承载力如式(2)所示。

式中:d 表示锚筋直径;τa表示锚筋和细石混凝土间的粘结强度;la表示锚筋传力的有效锚固长度。

在满足有效锚固长度的前提下，T2可通过提高锚杆杆体锚筋的材质与细石混凝土强度等级得到改善。

文献研究表明，锚筋和细石混凝土间的粘结强度τa符合凯尔文问题［6］，其理论解沿长度方向呈类似于对数螺旋曲线分布。实际工程中，为便于设计，τa在受力范围内取平均值。

锚筋和细石混凝土的粘结强度τa主要由3 部分作用力组成:(1)胶着力。胶着力是锚筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力，这种吸附作用力一般很小，仅在受力阶段的局部无滑移区域起作用，当接触面发生相对滑移时该力即消失;(2)摩擦力。摩擦力是混凝土收缩握裹锚筋而产生的阻滑作用力，接触面的粗糙程度越大，锚筋与混凝土之间的摩擦力就越大;(3)咬合力。咬合力是锚筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力，对于光圆锚筋其咬合力很小，对于螺纹锚筋咬合力是由于锚筋肋间嵌入混凝土而产生的。上述3 部分力中咬合力起控制作用，因此，锚筋应采用高强度的螺纹筋。

表1 为相关规范［1，7-8］中规定的τa取值标准，结合输电线路行业自身特点，τa可根据细石混凝土强度等级取值，C20 时取 2 000 kPa，C30 时取3 000 kPa。

表1 相关规范中的τa 取值Tab.1 Reasonable Values of τa in relevant codes kPa

文献研究［9-13］与现场真型试验［14-18］结果表明，锚筋抽出破坏状态下的最大锚固力出现在(9 ～15)d 的深度范围内，分布的最大深度为(45 ～60)d 的深度，并不是在锚筋长度范围内无限制延伸。结合输电线路行业自身特点，la可根据基岩风化程度确定，未风化或微风化时取25d，中等风化时取35d，强风化时取45d。

2.3 细石混凝土和岩体的结合面滑动破坏

如图3(c)所示，若细石混凝土和岩体之间的粘结强度较低，则破坏可能发生在细石混凝土和岩体的结合面上，导致细石混凝土与锚筋形成的锚固体被拔出，对应的极限承载力如式(3)所示。

式中:τb表示细石混凝土和岩体间粘结强度;lb表示锚固体传力的有效锚固长度。

T3主要由钻孔孔壁周围岩体的抗剪强度决定，孔壁周围的抗剪强度随岩体自身条件、锚杆埋置深度与钻孔直径、细石混凝土施工工艺等因素不同而存在很大的差异。文献研究表明，细石混凝土和岩体间的粘结强度τb也符合凯尔文问题［6］，其理论解沿长度方向呈类似于对数螺旋曲线分布，为便于设计，τb也是在受力范围内取平均值，表2 为相关规范［1，7-8］中规定的τb取值标准。

由表2 可知，输电线路岩石锚杆基础设计中，τb取值偏小，可适当提高。此外，锚固体抽出破坏一般发生在软岩地质条件下，τb影响范围较长，但并不是在埋深范围内无限制延伸。根据输电线路行业自身特点，lb可根据基岩风化程度确定，未风化或微风化时取25D，中等风化时取35D，强风化时取45D。

2.4 岩体剪切破坏

岩体剪切破坏分为2 种情况，一是群锚基础中的单锚发生局部岩石剪切破坏，二是群锚基础发生整体岩石剪切破坏。

(1)单锚岩体剪切破坏。如图3(d)所示，在锚筋底端采取有效锚固的情况下，可能内部岩土体产生剪切破坏，甚至会出现近似于锥形破坏面的拔出岩体破坏，造成基础整体失效，其对应的极限承载力如式(4)所示，T4主要与岩体自身力学性质有关。

式中:τs为岩石等代极限剪切强度;ls为锚固长度。

(2)群锚岩体整体剪切破坏。如图2 所示，当锚杆布置较密时，岩土体受力区的重叠必然会引起应力叠加和锚杆位移的叠加，就可能造成岩土体的破坏，对应的极限承载力如式(5)所示，在特高压大荷载条件下，T5往往成为设计控制条件。

表2 相关规范中的τb 取值Tab.2 Reasonable Values of τb in relevant codes kPa

式中:a 为群锚的外切直径;Qf为基础自重。

岩石等代极限剪切强度τs一般不能通过常规岩土工程勘测手段直接获得，需根据现场试验结果按照45°剪切滑动面假设反算求得。目前，边坡工程、公路路基、铁路路基、建筑行业等相关规范中无τs取值。

已有现场试验结果表明，对于不同风化程度的软硬岩石，τs值一般都大于现行电力行业标准的规定值。鉴于此，τs值宜通过现场真型试验确定。若无试验条件，工程设计中也宜取规范规定的上限值。

表3 为相关规范［7-8，19］中ls取值范围，由表3 可知，对于建筑工程、边坡工程、基坑工程，均存在最佳的锚固长度范围。

表3 相关规范l s取值Tab.3 Reasonable Values of τs in relevant codes

已有输电线路岩石锚杆基础现场试验表明，上拔荷载在锚杆中的传递范围并不是在埋深范围内无限制延伸，而是存在一定的临界深度。图4 为灵州—绍兴±800 kV特高压直流输电线路宁夏段单锚试验结果，其中锚杆长度为3、4.5 和6 m 这3 种埋深。总体上看，随着锚筋长度增加，单锚轴力衰减迅速;在1 ～3 m 埋深范围内，轴力均匀分布;当埋深大于3 m 后，锚筋轴力明显减小。因此，为保证特高压输电线路安全，岩石锚杆单锚长度应大于3 m。但考虑到锚杆实际应力有效传递范围、施工钻孔难易程度，建议ls取值不宜超过6 m。

图4 不同锚筋埋深下锚杆轴力沿埋深分布Fig.4 Axial forces along embedment depth for single anchor with different length

2.5 岩石锚杆群锚基础极限承载力

结合图2 和图3 所示的5 种破坏模式，取最小承载力作为锚杆基础的极限抗拔承载力，如式(6)所示。

式中:TE为岩石锚杆基础抗拔极限承载力。

3 施工要求

考虑到输电线路杆塔基础的行业特点，岩石锚杆基础施工需重点解决施工钻机的轻便性、施工质量的可控性等关键技术。

在施工过程中，需注意以下几点:

(1)钻孔施工应以机械作业为主，尽可能采用干钻成孔，并确保岩石构造的完整性不受破坏。在施工中需“准确就位、规范操作、注意环保”。

(2)锚孔成型后应及时清孔，孔洞中的石粉、浮土及孔壁松散活石应清除干净。

(3)细石混凝土浇筑前应进行二次清孔并对孔壁充分润湿，易风化的岩石应尽量缩短开孔与灌注之间的时间间隔。

(4)细石混凝土的细石粒径宜为5 ～8 mm，砂子宜采用中砂，并可根据需要掺入水泥用量3% ～5%的膨胀剂或防水剂。

(5)混凝土灌注要求每300 ～500 mm 分层灌注并振捣密实，推荐采用微型振动棒或人工捣固钎进行振捣施工。

4 质量检测

由于岩石地质条件的复杂，锚杆基础在施工过程中应加强现场的检测与验收工作，确保岩石锚杆基础工程应用的安全可靠性。

锚杆质量检测主要包括现场验收试验与声波反射法［8，20］。验收试验准确可靠，但试验过程复杂，只能进行少量抽检，表4 为相关规范中规定的试验数量;声波反射法适用于检测锚杆长度和锚固密实度。

表4 相关规范规定的验收试验数量Tab.4 Acceptance test number in relevant codes

结合特高压输电线路工程行业特点，由于一基铁塔4个塔腿的地质地形条件不尽相同，建议验收试验按照＞5%且每腿不少于1 根的检测数量进行。

5 结语

特高压输电线路工程中采用岩石锚杆基础，可有效提高机械化作业程度，减少施工弃土，有效保护环境。本文根据岩石锚杆基础理论研究、现场试验和实际工程应用成果，提出了特高压工程岩石锚杆基础适用型式、破坏模式、承载力计算及其关键设计参数取值、施工和质量检测等方面的建议，可为我国特高压输电线路工程中岩石锚杆基础的推广应用提供参考。

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