高压输电线路铁塔基础选型设计及其优化

陶冶

摘要：高压铁塔是输电线路的重要支撑设施，其基础构造与输电线路的稳定运行直接相关，因此从电力输电安全角度来讲，输电线路铁塔基础选型设计研究具有重要作用。据此，本文结合影响高压铁塔基础选型的因素，浅析高压输电线路铁塔基础选型设计及其优化。

关键词：输电线路；铁塔；基础设计

中图分类号：TM72 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

0引言

我国输电线路建设的升级增加了高压铁塔的承重荷载，从而影响了铁塔基础的稳定性和安全性。铁塔基础一般易受滑坡、水文地质等非人为因素及施工工艺不良、设计方案欠合理等人为因素的影响，即可能造成铁塔基础沉降、位移或变形，甚至引起铁塔倒塌。输电线路工程中的人力消耗、材料、进度和造价等的占比较大。据此，在高压输电线路铁塔基础工程中，应针对不同的影响因素，选取相应的铁塔基础型式。分别针对在软土地基与岩石地基环境下，高压输电线路铁塔基础选型的设计与优化。

1软弱地基环境下铁塔基础选型的优化设计

输电线路工程应按既定的路径敷设线路，因此铁塔将不可避免地分布在地质条件复杂的环境中，应根据输电线路铁塔的受力特征，解析其基础型式的经济性和安全性。根据实践经验，影响高压输电线路铁塔基础选型的因素包括：铁塔所在位置所决定的土力学性质；铁塔与基础的相互作用和受力变形特征。因此，在联合式高压输电线路铁塔基础设计中，应明确铁塔基础的受力规律。

1.1基础的受力规律

针对联合式输电线路铁塔基础，其主要特征是埋深浅，因此可通过整体浇制基础来解决板式基础上拨、基坑开挖难度大及基础根开小等问题，且应先确定高压铁塔基础受力的规律，即利用ANSYS有限元软件分析高压铁塔基础的荷载，由此得到基础底部边缘所受上部荷载压力的最大值，此时基础底部所受拉应力最大，究其原因是铁塔基础的主要制作材料一般为钢筋混凝土，而其刚度与土壤的差别较大。据分析，土体位移点的最大值出现在基础底部，且高压铁塔基础底部中心点到土层的距离与其沉降位移量呈反比，但无论土层如何加深，应力依然存在。据此，若将联合式基础应用在软弱土塔位中，则应先准确计算出土层地基的承载力，并标明铁塔基础底部的尺寸；而若将其应用在土层较硬的环境中，铁塔基础下部极易出现受压、弯曲等问题，则在高压铁塔基础设计时，应先详细勘察线路敷设沿线的地质情况，然后再据此确定配筋比例，以免配筋偏差破坏铁塔基础。

1.2目标函数

综上分析，输电线路沿线的地质条件及铁塔基础所受的外力将会对铁塔基础的选型产生影响，而一旦将塔型和塔距确定，便可确定铁塔基础所受的承载力。其中，铁塔基础的尺寸和型式取决于其所在地土层的特性，而铁塔基础承载力的标准值则可通过土层参数加以确定，注意根据土层参数所得的基础深度与宽度修正系数、底板上土的加权重度均值、地面下土的重度、基础埋深与基础的承载力特征值相关，即基础承载力的特征值应比由铁塔基础荷载所决定的基础自重力大。据此可得，目标函数 ，其中， 表示基础承载力特征值的修整值； 表示基础承载力的标准值； 表示基础宽度的修正系数； 表示基础深度的修正系数； 表示地面下土的重度； 表示底板上土加权重度的平均值； 表示基础宽度； 表示基础的埋深。根据这一目标函数可知，应通过详细勘察，准确确定铁塔基础的持力层所在，这是优化高压输电线路铁塔基础选型设计的重要条件。

1.3工程概况

在某输电线路铁塔基础工程中，广泛分布有软土层，且通过对线路沿线的地质情况进行勘察发现，其土层的物理指标如表1所示。

根据表1所示的土层物理指标，并结合前文所述的铁塔基础受力特征及据此所建立的目标函数，可确定将联合式铁塔基础应用在本工程中具有可行性。另据表1所列数据，该输电线路铁塔基础的持力层应选在第二层，即粉砂层，而据此便可确定铁塔基础的埋深和尺寸。

综合上述内容，与独立式铁塔基础相比，联合式铁塔基础具有整体性好和稳定性高的优点，同时根据这一地区软土层分布广泛且线路为中等荷载的条件，最终确定选择联合式铁塔基础。但在铁塔基础选型中，首先应算出基础的承载力及优选控制数值，联合式铁塔基础的承载力一般应小于设计值的4/5；其次，在软土层上，联合式铁塔基础的埋深较浅，则这一做法既可提高基础的排水效果，又可提高原地基表层原状土硬壳层在整个工程中的作用。另外，在软弱土层上，联合式铁塔基础易因内、外在因素的影响而出现沉降量累积。其中，在内在因素的影响下，铁塔基础易发生下列两种变形：一是由铁塔负载分布失衡引起的合理变形，其是一种合理的铁塔形态位移，且其会在时间的推进中不断趋于稳定；二是铁塔施工负载分布偏离设计分布所致的变形，一般从局部上来看，这种变形的危害较小，但从变形的累积效应而言，其将会严重威胁铁塔的安全。在外在因素的影响下，铁塔易发生如下变形：一是基础变形，即基础土壤在铁塔的重力压实作用下发生沉降；二是由风力因素、季节性地下水变化、周期性温度变化和地基构造不均等所致的地基沉降。据此，针对初次用到的铁塔基础，应先分析和计算其变形情况，应将其最大压力侧变形幅值控制在20mm以内，以免地基沉降变形引发局部开裂等质量问题。

2岩石地基环境下铁塔基础选型的优化设计

某500kV线路沿线分布了大量存在严重风化的裸露基岩，且这些岩石的类型包括凝灰岩、石炭系砂岩、花岗岩和砂页岩等。在真型试验中，决定选取两种岩石基础为测量点，即Y40、Y40+2.5，其中Y40区为岩体风化严重的砂页岩结构，且其表层覆有厚约50mm的基土，而Y40+2.5区分布有浅灰色的石炭系砂岩，且其表层夹杂了风化沙砾。据此，该线路沿线以岩石地质为主，具体为风化严重的软质岩石，则选用Y型嵌固式铁塔。一般而言，岩石嵌固基础的稳定性主要取决于上拨力，而利用岩石表面等垂直分量可抵消这一上拨力，其中在这些垂直分量中存有极限强度 。因此，在岩石地基环境下，高压输电线路铁塔基础的承重与尺寸设计应突出对 （kN/m2）的控制。

通常而言，Y倒锥体侧的表面积 ，则岩石极限抗剪力的垂直分量 ，由于铁塔基础的上拨力应比岩石极限抗剪力的垂直分量小，则可得 。在上述函数式中， 表示基础上拨的安全系数； 表示基础设计上拨力，kN； 表示基础的预埋深度，m； 表示Y型基础底部的直径，m。据此，便可设计出测试点Y40与Y40+2.5处的开挖尺寸，详见表2。

参照表2所示参数开展铁塔基础施工，并在铁塔基础竣工后，用500t油压千斤顶、应变测量仪和静载仪测量基础。测量结果表明，测试点Y40和Y40+2.5在4200kN上拨力条件下的位移量很小，则可确定表2所示的设计参数满足工程要求。

3结语

为了保证输电线路的可靠运行，应结合实际优化铁塔基础的选型设计，并针对不同的地质条件，制定针对性的处理方案和基础设计方案。本文根据影响高压输电线路铁路基础选型的因素，浅析了联合式基础在软土地基环境中的应用，然后再简要论述了Y型嵌固式在岩石地基环境中的应用，注意无论采用何种型式，在设计中，都应先开展线路沿线地质勘察，并根据勘察结果分析铁塔基础的受力特征，最后再采用相关函数对其设计参数加以优化，以保证铁塔基础稳定级输电线路安全运行。

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