关于跨河四腿铁塔基础抗倾覆计算的探讨

李 旭，魏永国，孙法治

（1.国网大连供电公司，辽宁 大连 116011；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

试验研究

关于跨河四腿铁塔基础抗倾覆计算的探讨

李 旭1，魏永国1，孙法治2

（1.国网大连供电公司，辽宁 大连 116011；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006）

紧邻河道或在河中设置的铁塔基础，除像常规铁塔基础一样进行上拔稳定、地基压力等方面的设计计算外，还应当将水流流速、水流冲刷等造成的基础倾覆力纳入基础抗倾覆稳定计算中进行重点校核，以“达维”台风中受洪水冲击倒塌的ZGU4型铁塔为计算实例，探讨受水流冲击、冲刷对铁塔基础抗倾覆稳定的影响及设计计算方法。

跨河道；铁塔基础；水流冲击；抗倾覆；计算方法

输电线路跨越工程有时需要在紧邻河道处设置铁塔，特殊情况下甚至需要在河中布置塔位。这些都对铁塔基础设计提出了较高要求，除像一般常规铁塔基础一样进行上拔稳定、地基压力等方面的设计计算外，还应当将水流流速、冲刷等造成的基础倾覆力纳入基础抗倾覆稳定计算中进行重点校核［1－2］。

由于输电线路杆塔基础的类别较多，因此，基础抗倾覆稳定的设计计算方法也不尽相同，例如，由于地基的工作机理不同，四腿铁塔单个基础与窄基铁塔及钢管杆独立基础的抗倾覆稳定性计算方法是不同的，两者绝对不能使用相同的计算方法和公式。另外，《输电线路杆塔基础设计技术规定》中未对四腿铁塔基础的单个上拔基础的抗倾覆稳定的设计计算方法及公式做出具体的规定，应尽快加以解决。通过分析探讨和试验，弄清抗倾覆稳定的基本概念和工作机理，以便正确合理地进行全面的基础抗倾覆稳定性设计工作。

2012年大连庄河地区受第10号台风“达维”影响，普降大到暴雨，强降雨造成碧流河、英纳河发生大洪水，造成66 kV荷碧线28—34号段倒塔3基、损害1基。本文以受洪水冲击倒塌的ZGU4型铁塔为计算实例，探讨受水流冲击、冲刷对四腿铁塔基础抗倾覆稳定的影响及设计计算方法。

1 对倾覆稳定问题的认识

众所周知，正确认识客观事物的规律是由感性认识逐步发展到理性认识。要想合理地解决基础倾覆的设计问题，必须弄清楚基础倾覆的物理概念。

1.1 基础倾覆的物理概念

a.挡土墙的倾覆及抗倾覆问题，如图1所示。它的一个侧向无任何支撑，因而在另外一个侧向土壤的主动土压力作用下，向没有任何支撑的一侧倾倒，称为倾覆，其抗倾倒的平衡点为O点。

挡土墙在右侧土壤的侧向主动土压力的水平分力作用下，向左侧倾倒，即倾覆。此时，挡土墙以O－O轴发生旋转而倾覆，挡土墙的底面基本与地基相脱离，因此不存在地基反力作用。故而倾覆力矩平衡方程式为

图1 挡土墙倾覆

式中：Kg为抗倾覆安全系数。

可看出，侧面没有任何支撑的铁塔基础，就如同把铁塔基础放置在地平面上，要想使其不倾倒，主要靠垂直重力来维持其稳定平衡，其稳定平衡点在基础底面的边缘处，所有外力对基础底面稳定平衡点的力矩总和，即为外倾覆力矩［3］。

b.当考虑铁塔基础侧面土抗力的稳定平衡作用时，此时铁塔基础的稳定平衡点，不在基础底面的边缘处，而是在地平面处。以此处为平衡力矩分界点，其外倾覆力矩等于所有外力对地平面处的力矩总和，与地基土壤内部反力产生的抵抗力矩相等，内外力矩得到平衡后，才能确保铁塔基础不会倾倒，而保持铁塔基础的稳定性。

c.在基础的倾覆稳定计算时，均不考虑地基反应力作用，因为使基础发生倾倒的外力是水平外力，当基础发生倾倒时，基础底面的大部分与地基相脱离，此时地基反应力作用几乎不存在，因而不可能参与抗倾覆力矩的作用，所以起平衡外倾覆力矩作用的一定是地基土壤的侧面土抗力。

d.斜插式（插入式）基础的受压基础不必进行倾覆稳定计算工作，因为斜插式基础的特点是基础的主要作用力通过基础的斜柱直接传递到地基上，而水平作用力非常小（忽略不计），因此不必进行基础倾覆稳定计算，但上拔基础应当进行基础倾覆稳定计算。

2 倾覆稳定控制条件的确定

2.1 上拔、下压对基础倾覆的影响

四腿铁塔基础倾覆稳定的计算受上拔基础的倾覆稳定的绝对控制。因为铁塔上拔基础（直柱式、斜柱式）的外倾覆力矩，上拔力矩和水平力矩的作用方向相同；而下压基础（直柱式、斜柱式）的外倾覆力矩，下压力矩和水平力矩的作用方向相反，上拔基础的工作条件及机理状态较下压基础差，因而铁塔上拔基础倾覆稳定起控制作用，而下压基础倾覆稳定则不起控制作用。特别是一般常规下压基础（基础主柱露出地面200～500 mm）倾覆稳定，由于外倾覆力矩太小，不必进行倾覆稳定计算；而当基础主柱露出地面＞500 mm时，由于外倾覆力矩较大，应当进行倾覆稳定计算；对于上拔基础，无论它的基础主柱露出地面多少，均应进行倾覆稳定计算。

2.2 控制条件分析

窄基铁塔或钢管杆独立式单独基础，基础倾覆问题比较直观。而宽基铁塔四腿分立式基础，由于四腿基础组成一个整体，主要的外倾覆力矩已经转化为四腿基础的上拔力和下压力，是保持铁塔基础整体稳定性的主要因素，而作用于基础主柱上的水平力，至使单个基础发生倾倒，这种单个基础倾覆的机理和现象，与窄基铁塔或钢管杆独立式单独基础的倾覆不同，因为四腿基础确实是存在整体稳定协调性的问题。但对于受水流冲击、冲刷影响的四腿铁塔基础倾覆稳定问题，则受单个塔腿基础极限抗倾覆力矩控制。因为受水流冲击、冲刷情况下，4个塔腿基础所受外倾覆力存在差异（水流方向、漂浮物冲击对这种差异影响较大），某一塔腿基础受力会首先超越极限倾覆力矩，开始发生倾覆，导致该塔腿上部相连铁塔主材变形，进而引发铁塔整体结构失稳，塔身整体变形后，基础作用力会重新分配，其他基础根据重新分配的基础作用力不同，或失稳（基础作用力增加），或保持稳定（基础作用力减小）。在“达维”台风灾害中受洪水冲击倒塌的铁塔证实了这一观点，如图2所示。

图2 “达维”台风洪水灾害中倒塌的铁塔

3 计算实例

本文以2012年受“达维”台风洪水灾害影响倒塌的ZGU4型铁塔为计算实例，探讨受水流冲击、冲刷对四腿铁塔基础抗倾覆稳定的影响及设计计算方法。倒塌的ZGU4型铁塔基础图如图3所示。

图3 倒塌的ZGU4型铁塔基础图

由于基础上拔稳定与倾覆稳定同时发生，其工作机理具有相关性：当上拔稳定达到极限状态时，基础侧面土抗力将遭到破坏，因此它不能参加抗倾覆稳定工作。与基础上拔稳定计算时一样，只有上拔倒锥土体的设计重量和基础的设计重量以及基础分担的铁塔重量参与抗倾覆稳定工作。

3.1 设计计算模型的建立

建立计算模型如图4所示，基础尺寸参见图2，锥土按普通粘土考虑，塔重采用ZGU4－24型铁塔重量。

图4 基础抗倾覆计算模型

3.2 设计计算方法及公式

上拔倾覆稳定平衡点取矩为

可得式中：γf为基础抗倾覆稳定附加分项系数；G邻土为相邻基础影响的土体；γE为水平力影响系数。

按上述模型及公式带入计算，该基础满足抗倾覆稳定条件。

下面考虑水流冲击及冲刷影响，流水对基础压强计算：

式中：ρ为水的密度，kg／m3；V为水流速度，m／s；Ks为基础柱的形状系数，正方形断面为1.5，长方形断面（长边与水流平行）为1.3，圆形断面为0.8，尖端形断面为0.7，圆端形断面为0.6。

流水压力的着力点，假定在设计水位线以下1／3水深处。

当基础设置在河床内时，还应考虑冲刷影响、流水压力、漂流物作用等。此时荷载组合宜取下列情况进行计算。

a.最大风荷载和相应冲刷深度（宜取最大冲刷深度的50%～70%），荷载系数为1.0。

b.最大冲刷深度和相应的风荷载（根据工程重要性及不同地区取用不同数值，但一般不宜小于最大风荷载的50%），荷载系数为1.0。

c.最大冲刷深度和相应的风荷载（根据工程重要性及不同地区取用不同数值，但一般不宜小于最大风荷载的50%），并考虑漂流物作用，所有荷载系数均取0.75。

局部冲刷深度计算公式为

式中：hb为局部冲刷深度，m；Kε为墩形基础，矩形Kε＝1.24，圆形Kε＝0.85；其他形取Kε＝1.2；Kμ为系数；d为河床土壤平均粒径，mm；b1为桥墩计算宽度，取迎水面宽度，当水流与迎水面有偏角时，按偏角折算，m；V为一般冲刷后的垂线平均流速，一般应采用计算一般冲刷时的冲止流速，但如发现冲止流速偏大或偏小的情况，也可采用设计洪水时的河槽平均流速，m／s；V0为起动流速，m／s；h为采用一般冲刷后的水深，即h＝hp，m；V0为墩旁起冲流速，m／s；n为指数。

考虑上述流水冲击及冲刷影响后，重新对模型上拔倾覆稳定平衡点取矩：∑M0＝0可得：

式中：Q为流水对基础压强，N／m2；A为基础受流水冲击计算面积，m2；G冲刷为考虑冲刷深度影响去除的土重，N。

按上述公式进行带入计算，原基础不再满足抗倾覆稳定条件，基础发生倾覆。

4 结束语

通过对实例的计算发现，流水冲击及冲刷对于基础抗倾覆稳定影响非常大，在紧邻河道处或河中设置的铁塔应当重点考虑流水冲击及冲刷对于基础抗倾覆稳定的影响。建议此类铁塔采用灌注桩基础或修建挡水堤，挡水堤迎水面应采用减小水阻的设计，并在基础设计计算时引入水流冲击冲刷作用对基础稳定的影响。

［1］中华人民共和国国家发展和改革委员会.架空送电线路基础设计技术规定［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［3］孙俊华.关于四腿铁塔大开挖的单个浅基础上拔倾覆及下压倾覆稳定计算方法的探讨［R］.2006.

Discussion on Calculation Resisting Overturning of Tower Foundation

LI Xu1，WEI Yong⁃guo1，SUN Fa⁃zhi2
（1.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Dalian，Liaoning 116011，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Tower foundation in a river or near a river need not only pulls up stability and calculates foundation pressure but only focu⁃ses check the calculation on resisting overturning.The ZGU4－type power tower is collapsed by the flood caused by the“Dawei”Ty⁃phoon is taken as a calculation example in this study.The impact and the calculation method for tower foundation when flow velocity and scour are discussed.

Across river；Tower foundation；Flow velocity；Resisting overturning；Calculation method

TM753

A

1004－7913（2016）08－0008－04

李 旭（1986—），男，硕士，工程师，从事送电线路设计工作。

2016－03－03）