输电线路浅海地区基础选型研究

2015-07-05王智飞

电力安全技术 2015年2期

王智飞，刘泉

（国核电力规划设计研究院，北京 100095）

输电线路路径会受到厂区(站区)地理位置的影响，线路在海中立塔的情况也时有发生。基础工程是输电线路工程体系的重要组成部分，选择适合的基础型式，对保障线路安全运行至关重要。

海阳核电500 kV线路工程为海阳核电厂1期2×1 250 MW机组接入系统送出工程，同时也是海阳核电厂第一备用电源，因此，保证该线路的安全运行至关重要。该线路出线段村庄密集，已无线路走廊通道，需在海中立2基铁塔，其所经海域距岸边渔船码头200～300 m，上覆层为淤泥及细砂，海底为基岩，在该区域建设的铁塔基础受海水的腐蚀较强，同时受海潮波浪的影响，且在其周围常有小型渔船活动，铁塔基础工作环境恶劣，工程实施具有一定难度。

1 基础主要设计参数

1.1 水文气象条件

线路所经海域设计基准风速为31 m/s(基准高度为10 m)，地面粗糙度为A类。受潮位影响塔位自然地面高程为-0.80 m，常年潮水位为2.46 m，百年一遇高潮位淹没水深为4.36 m。塔位受潮流、波浪共同作用引起的冲刷深度为3.12 m。

1.2 地质条件

(1)粉细砂，松散、饱和、级配不良；地基土承载力特征值fak=70 kPa，层厚为0～3.80 m。

(2)粉质粘土混粉细砂，呈软塑状态、饱和；地基土承载力特征值fak=70 kPa，层厚为3.80～6.30 m。

(3)粉质粘土，呈可塑状态，局部混碎石，碎石粒径一般为0.50～1.50 cm；地基土承载力特征值fak=120 kPa，层厚为6.30～8.50 m。

(4)泥质砂岩，全风化呈硬土状，原岩组织结构完全破坏；地基土承载力特征值fak=260 kPa，层厚为8.50～13.50 m。

(5)砂岩，强风化呈碎块状；地基土承载力特征值fak=350 kPa，层厚为13.50～15.00 m。

(6)砂岩，中等风化、细粒结构、层状构造；地基土承载力特征值fak=800 kPa。

根据GB18306—2001《中国地震动峰值参数区划图》，线路沿线地震动峰值加速度为0.05 g(相应地震基本烈度为6度)，不考虑地震液化的影响。

1.3 设计荷载

设计荷载主要考虑铁塔正常荷载、涌潮荷载等，波浪力及水流力作为基本可变荷载参与荷载组合。计算考虑正常的地面高程和百年一遇潮水作用下塔基发生局部冲刷时的最低地面高程2种情况与各相应荷载工况的组合，最大基础作用力如表1所示。

表1 基础作用力设计值kN

2 基础方案设计

根据工程地质情况，提出以下3种基础设计方案。基础施工方式为，施工前根据地基处理范围设置围堰，施工完成后向围堰内回填土，作为永久性围堰，以防御船只冲撞并方便运行维护。

2.1 方案1：方台阶式基础+地基处理

该方案主要通过振冲碎石桩对9.00 m深度内的软弱地基土进行处理。振冲法适用于碎石土、砂土、粉土、人工填土等地基加固处理，在水电水利工程中有成熟的应用经验。振冲碎石桩桩径为1.00 m，中心间距为1.50 m，处理后地基承载力特征值不低于120 kPa。处理后清除表层1.00 m范围内的土层，使基础底面嵌入处理层1.00 m深。台阶式独立基础表面刷防腐涂料，以抵抗海水侵蚀。

基础上拔荷载由基础自重及上覆土抵抗，由于基础主柱悬臂较大，为提高其抗弯能力及减小基础柱顶位移，基础主柱采用变截面圆台结构。经估算，需处理地基范围为35.00 m×35.00 m，基础底板宽为11.00 m×11.00 m，基础高度为8.50 m。

由表2可知，基础下压、上拔承载力均满足要求，拟定的基础型式基本合理。

表2 方案1基础计算成果

2.2 方案2：复合沉井式基础

该方案的基础上部为重力式基础，下部为薄壁钢筋混凝土沉井。开挖基坑时，沉井作为坑壁支护结构，使开挖工作得以顺利进行，施工完毕后沉井成为基础本体的一部分。

该方案的整个筒身高为9.00 m，穿透淤泥层，作用于基岩上。筒身每组装一段后，开始下沉，如此往复，直至达到指定标高。沉井自重下沉系数见式(1)：

式(1)中：Q为井自重重力；F为沉井下沉过程所有最大浮力；h为最大下沉深度；l为沉井外壁周长；f为单位摩阻力，取土层单位摩阻力加权平均值。

f按式(2)计算:

式(2)中：fi为第i层土单位摩阻力，kPa；hi为第i层土层厚度，m；n为沿沉井下沉深度不同类别的土层。

沉井尺寸为15.00×15.00 m，混凝土容重为25.00 kN/m3，由各土层摩阻力可得f=(15×3.80+18.00×2.50+30.00×2.70)/(3.80+2.50+2.70)=20.30 kN/m2。代入(1)式计算可得K=0.97，由此可知，沉井自重基本能满足下沉要求。为保证其顺利下沉，可沿井外壁周围灌水，以减少阻力，加快下沉速度。井筒在下沉过程中，应保持不间断开挖，以防止井筒出现偏位或倾斜。

沉井就位后，在井筒内部回填碎石土，并用混凝土封闭顶面，然后在沉井上建设台阶式基础，该方案如图1所示。

2.3 方案3：群桩式高桩承台基础

群桩式高桩承台为海岸码头和桥墩基础的常见结构，由基桩和上部承台组成。设计时需对桩径、桩长、桩数、承台尺寸和布置高程进行比较选择分析。为节省材料、减小波浪水流对承台的作用，承台的尺寸需按照满足桩身净距和上部构造要求的最小尺寸确定。

图1 复合沉井式基础

经优化设计采用9根基桩，桩径为1.40 m，单根桩长为16.00 m，桩基入土深度为15.20 m，桩尖进入中风化砂岩层。承台厚度为2.00 m，宽度为11.60 m，承台柱顶高程为4.50 m，露出常年水位2.00 m，以方便上部结构施工。承台桩基础布置如图2所示。

由于基础围堰在桩基础施工完成后回填，且围堰内土并非原状土体，其对桩基础承载力的有利影响有限，因此计算时不考虑围堰土体对承台桩基础的作用，按照高桩承台基础计算程序进行。该程序的编制基于m法。由群桩基础单桩偏心荷载下压稳定计算：

单桩或群桩非整体破坏时基桩上拔承载力：

式(3)和(4)中：qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为极限端侧阻力标准值；Ψsi，Ψp为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数；u为桩表面周长；λi为抗拔系数。

承台桩水平位移根据《建筑桩基技术规范》附录C.0.3计算，其中桩水平变形系数α为：

式(5)中：m为桩侧土水平抗力系数的比例系数；b0为桩身的计算宽度；EI为桩身抗弯刚度。

图2 承台桩基础布置

通过计算，承台桩基础由水平变形位移控制，单桩承载力满足要求且有一定裕度，计算结果如表3所示。

表3 方案3基础计算成果

由表3可知，计算桩身内力、应力，桩基在水平面处水平位移均满足要求，该基础方案合理。

3 基础型式选择

根据以上3种基础型式的设计方案，从基础结构特点、施工条件及经验、适用的自然条件、基础总造价等方面进行比较(见表4)，选用群桩式高桩承台基础为海阳核电500 kV送出工程浅海基础。

表4 3种基础方案综合比较

由于海水对桩身具有腐蚀性，基桩外设钢护筒，钢护筒壁厚由海水对钢结构的腐蚀速率和钢护筒施工2个因素确定。选取钢护筒上段4.00 m长壁厚δ=14.00 mm，下段壁厚δ=16.00 mm，并保证钢护筒下端部进入风化岩石基面以下不小于1.00 m；钢护筒上段与承台底部钢筋焊接浇筑后伸入承台，如图3所示。

由于钢护筒长径比和径厚比均比较大，采用打桩方式直接将钢护筒打入基岩难度大，施工时先使用钻孔机械成孔至钢护筒规定的基岩底部，后将钢护筒落入桩孔。灌注桩采用反循环工艺成孔或清孔，每根桩的混凝土一次浇成。施工顺序依次为：钻孔—落入钢护筒—钻桩孔至设计深度-浇筑桩身混凝土—凿桩头并回灌至设计桩长—焊接钢护筒外壁钢筋爪—钢爪焊接处喷锌并外刷防腐剂—铺设混凝土垫层—绑扎承台钢筋、浇筑承台混凝土—承台外刷防腐剂—回填夯实围堰。