半固定沙漠地区超高压输电线路基础抗拔研究
2015-10-21安培卿王恒
安培卿 王恒
【摘要】在沙漠半固定沙丘如何考虑基础上拔关系到工程的经济性及安全稳定性。针对古尔班通古特沙漠半固定沙丘的地质特性，进行了750kV铁塔基础的抗拔试验研究。结果表明，基础深宽比接近1是比较合理的，而且上拔角按现行基础规定进行设计是偏于危险的。该结果为五彩湾-芨芨湖-三塘湖750kV输电线路工程沙漠地区的基础设计提供了依据。
【关键词】半固定沙丘；输电线路；斜柱板式基础；上拔角
Uplift bearing Capacity Research of Foundation of ultrahigh Voltage Transmission Line in Semi-fixed Desert Area
AN Pei-qing， LEI Guang-jie，WANG Heng
（Henan Electric Power Survey & Design Institute， Zhengzhou 450007， China）
For semi-fixed desert area， uplift bearing capacity of foundation is directly related to the economy and the security. For geological features of Gurbantonggute Desert semi-fixed dunes， uplift bearing capacity of 750kV transmission line tower was researched. The results showed that depth –to-width ratio closed to 1：1 is more reasonable， and uplift angle according to the current regulations is somewhat dangerous.The results provide a reference for the foundation design of Wucaiwan-Jijihu-Santanghu 750kV transmission line project.
Key words： semi-fixed desert area； transmission line； inclined-column slab foundation； uplift angle
引言：國家电网规划建设的五彩湾-芨芨湖-三塘湖750kV输电线路工程经过新疆古尔班通古特沙漠。该沙漠是中国第二大沙漠，同时也是中国面积最大的固定、半固定沙漠[1]。本工程经过沙漠区域大部分为半固定沙丘，半固定沙丘有一定的流动性，但与风积沙形成的流动沙丘又有明显区别[2]。在现行基础设计规定[3]中，对沙漠地区线路基础的计算方法及参数选取没有明确的规定。国外有学者对穿越沙漠的输电线路基础有过一些研究[4]，国内学者也有相关的研究成果[5-6]，但对超高电压等级的线路在半固定沙丘的研究，尚未见相关报道。
1、半固定沙丘基础抗拔试验
1.1 基础抗拔试验与上拔角取值
为了五彩湾-三塘湖750kV输电线路基础设计的安全稳定性，在新疆古尔班通古特沙漠进行了基础现场抗拔试验。以本工程沙漠地区使用较多的直线塔型ZB341B-45为例，按照现行基础规范[3]，采用粉砂上拔角22°进行斜柱板式基础计算，设计了4个不同尺寸的基础。
ZB341B-45基础作用力为：
1）下压荷载工况：N =1847 kN，Nx = 255kN，Ny = 229 kN
2）上拔荷载工况：T =1512 kN，Tx = 213 kN，Ty = 193 kN
本工程沙漠基础的岩土设计参数见表1。
表1 岩土设计参数
Table 3 Geotechnical design parameters
指标
层号 层厚 密实度 重力密度γ（kN/m3） 天然密度ρ
（g/cm3） 黏聚力c
（kPa） 内摩擦角Φ
（°） 承载力特征值fak
（kPa）
层①粉细沙 1.0～2.0m 干燥、松散 16 1.53 0 18 120
层②细沙 3.0～4.0m 稍密～中密 16 1.62 0.05 20 140
层③细沙 4.0～5.0m 湿、中密 16 1.65 0.05 25 160
层④砾砂： 大于3m 中密～密实 19 1.80 0 30 220
注：地下水位埋深>10m。
基础结构及其尺寸如图1和表2所示。
图1 斜柱板式基础示意图
Fig.1 Flexible slab foundation schematic
表2 试验基础参数
Tab 2 Foundation parameters for testing
基础编号 H/m B/m h/m a/m H/B
XZ1 3.5 4.2 0.3 0.5 0.83
XZ2 3.8 3.9 0.3 0.5 0.97
XZ3 4 3.7 0.3 0.5 1.08
XZ4 4.3 3.4 0.3 0.5 1.26
荷载试验采用慢速荷载维持法[8]。按荷载上拔设计值的1/10进行荷载分级，逐级等量加载，初始荷载值为分级荷载的2倍。对与上拔设计值对应的水平力Hx和Hy按照同一分级荷载所对应的荷载值施加。因为与上拔力相比，水平力Hx和Hy小很多，仅为上拔力的12%～15%，所以试验中仅测量基础的竖向位移。上拔荷载位移曲线如图2所示。
分析各基础上拔荷载试验的荷载位移曲线，规律基本一致，即前期为线性增长，后期呈曲线变化。加荷初期，基础位移由基础底板上土体压缩变形引起，位移很小，位移曲线基本表现为直线段；随着荷载的加大，基础上的土体进入塑性阶段，基础竖向位移明显变大，地表开始出现裂缝，位移增加速率增大，位移曲线为非线性缓慢上升段；随荷载进一步加大，土体破裂面迅速开展并直至破坏，基础竖向迅速增大，破裂面随即开展至土体表面，地基产生整体破坏。
图2 基础荷载位移曲线
Fig.2 Load vs. displacement curve of different testing foundations
根据基础荷载位移曲线，按文献[8]规定确定基础极限抗拔承载力，计算地基上拔角，计算结果如表3所示。
表3 基础上拔角计算值
Tab 3 The calculated uplift angles of foundations
基础型号
XZ1 16.1 93.4 11.1 265.2 1496.2 14.1
XZ2 16.1 93.2 10.0 240.24 1543.5 14.6
XZ3 16.1 92.6 9.3 222.72 1572.1 14.8
XZ4 16.1 91.0 9.1 218.16 1564.8 14.7
根据表3的计算结果，得到我国半固定沙漠地区上拔角均值为14.55°。按照现行基础设计技术规定，直线杆塔应考虑附加分项系数1.1，得到上拔角设计值约为13.23。而现行技术规定中，粉砂上拔角为22°，细砂上拔角为26°，明显偏大，在基础抗拔设计时是偏于危险的。
2、结论
1.半固定沙丘与风积沙沙漠相比，有其特有的工程地质特性，由于稀疏植被的固定作用，使得沙丘流动性相对较小，从而表层覆盖层的粉砂层一般小于1米。
2. 半固定沙丘基础设计中，斜柱板式基础的深宽比大时，对于提高抗拔承载力是有利的。但在深宽比接近1时，提高幅度很小。当埋深加大时，考虑到大开挖基础基坑坑壁放坡较大，土方开放量较大，建议深宽比接近1进行设计。
3 与现场试验结果进行比较，可知按照现行基础规定[3]进行设计是偏于危险的。当然，由于试验数据较少，具有一定的离散性，后续还应该进行大量的试验研究确定合理的上拔角范围，以指导工程设计。
参考文献
[1] 吴正. 风沙地貌学[M]. 北京： 科学出版社， 1987.
[2] Lu Xianlong，Cheng Yongfeng. Review and new development on transmission lines tower foundation in China[C]. 2008 CIGRE Session Technical Programme，B2-215，Paris，2008.
[3] 东北电力设计院. DL/T5219-2005. 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
[4] Murray E J， Geddes J D. Uplift behaviour of plates in sand [J].Journal of Geotechnical Engineering Divesion. ASCE 1987，113（3）：202-215.
[5] 劉文白，刘占江.沙漠地区输电线路铁塔基础抗拔试验[J].岩土工程学报，1999，21（5）：564-568.
[6] 鲁先龙，程永锋，张宇. 输电线路原状土基础抗拔极限承载力计算[J]. 电力建设，2006，27（10）：28-32.
[7] 陈仲颐，周景星，王洪瑾. 土力学[M]. 北京：清华大学出版社，2007.
[8] Minoru Matsuo. Study of uplift resistance of footing [J]. J. Soils and Foundations， 1967， 7（4）：1-37.
作者简介：1.安培卿（1982-）男，山西朔州人，硕士，工程师，主要从事输电线路铁塔和基础研究。2.王恒（1979-）男，河南郑州人，硕士，高级工程师，主要从事输电线路研究。
