特高压直流输电线路黄河大跨越基础选型及优化

张　发，张　剑，王世龙，何桂明

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南　250013；2.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东　临沂　276000；3.国网山东省电力公司检修公司，济南　250118）



特高压直流输电线路黄河大跨越基础选型及优化

张发1，张剑2，王世龙3，何桂明1

（1.山东电力工程咨询院有限公司，济南250013；2.国网山东省电力公司临沂供电公司，山东临沂276000；3.国网山东省电力公司检修公司，济南250118）

摘要：根据工程水文、地质情况，对黄河大跨越段基础设计原则、方案比选、具体基础选型及优化进行研究，特别对大跨越基础优化措施进行了详细对比分析。结果表明，参照实测各层土的侧阻、端阻力可以适当减小桩长；建议塔位地基土的物理力学指标应参照相应塔位的试验结果；根据本工程试桩情况，宜采用PPG后注浆方式减小桩底沉降。

关键词：±800 kV；特高压；直流；黄河大跨越；基础

1　工程概况

1.1跨越方案

±800 kV山西—江苏特高压直流输电线路工程黄河大跨越段采用“耐—直—直—耐”方式跨越黄河，跨越段塔型分别为JM-37、ZKT-100、ZKT-100、JM-57。

1.2水文情况

跨越处设计洪水位见表1。

表1　跨越断面处设计水位　m

跨越处100年一遇主槽最大冲刷水深为8.41 m，滩地冲刷水深为7.63 m，对应的垂线平均流速主槽为2.12 m/s，滩地为1.25 m/s。

根据防洪评价初步报告，自控导工程向右1 200 m为主槽，其他为滩地。工程两基直线塔可以认为位于主河槽内，两基锚塔可以认为位于滩地内。

根据DL/T 5504—2015《特高压架空输电线路大跨越设计技术规定》规定，本工程大跨越段基础均需考虑冲刷、水流压力的影响。

1.3地质情况

工程沿线场地处于区域构造相对稳定地段，避开断裂构造特别是全新活动断裂带。沿线地震动峰值加速度0.15 g，相应的地震基本烈度为7度；工程场地相对稳定，适宜进行项目建设。

沿线场地处于黄河主河槽中。塔位处地层主要为第四系全新统冲积层（Q4al）和第四系上更新统冲积层（Q3al），地层岩性为粉土、粉质粘土、粉砂、粉细砂。沿线地下水和地基土对混凝土结构及其中的钢筋具有微腐蚀性。同时，地基土存在不同厚度的液化，液化等级为严重。

2　大跨越基础设计原则

大跨越基础方案选择原则。在大跨越基础方案选择时，遵循下面的原则：结合工程地形、地质特点及运输条件，综合分析比较，选择适宜的基础型式；在安全、可靠的前提下，尽量做到经济、环保，减少施工对环境的破坏；充分发挥每种基础型式的特点，针对不同的地形、地质，选择不同的基础型式；对不良地基，提出特殊的基础型式和处理措施。

大跨越基础方案选择要求。根据我国目前超高压输电线路杆塔基础工程的设计和施工现状，并结合本工程黄河大跨越段工程地质情况，在基础方案选择时应考虑以下方面：应尽可能采取合理的结构型式，减小基础所受的水平力和弯矩，改善基础受力状态；应注重环境保护和可持续发展战略；应注重施工的可操作性和质量的可控制性。

3　大跨越基础选型

3.1大跨越基础桩型选择

黄河大跨越铁塔基础型式选择应遵循安全可靠、经济合理的原则。在选择基础型式时必须结合各塔型荷载情况，根据塔位工程地质、水文条件、施工可能性进行技术经济综合比较。

针对国内目前的技术条件［1］，主要有3种摩擦型桩：高强度预应力钢筋混凝土管形桩（简称PHC桩）、H型钢桩和钢筋混凝土钻孔灌注桩（简称灌注桩），各种桩基础的比较如表2所示。

根据各桩型的优缺点，H钢桩费用较高且使用经验较少，PHC打入桩和灌注桩在国内均有比较成熟的经验。由于堤内基础需要考虑冲刷和地面淤积及地震液化的影响，基桩的悬臂均较大，而H钢桩和PHC打入桩截面尺寸均较小，在悬臂较大的情况下，不能满足安全、可靠的要求，若增大H钢桩和PHC打入桩截面尺寸，则无法进行打入式施工。因此推荐采用具有丰富设计和施工经验的钻孔灌注桩基础。

表2　桩型对比表

3.2大跨越基础型式选择

参考哈郑线黄河大跨越基础设计经验，大跨越段基础均采用斜主柱低承台方案，将承台埋到自然地面以下，通过承台顶面的圆断面钢筋混凝土斜柱将塔腿位置抬高到2065年百年一遇洪水位以上。

高承台灌注桩和斜主柱低承台灌注桩基础如图1和图2所示，与高承台灌注桩基础相比，斜主柱低承台灌注桩基础具有以下优点。

图2　斜主柱低承台灌注桩基础

1）基础的主柱与塔身主材同坡度，与铁塔基础作用力的合力方向几乎完全一致，可有效减小塔腿对主柱、承台和桩身的弯矩，力学性能优越；

2）承台下移后，承台上部只有一根主柱存在水流压力（随运行年限增加，河床及水位逐年抬升，其影响渐趋明显），阻水面积和动水压力减小，因动水压力引起的桩身弯矩及承台弯矩相应减小；

3）承台下移后，基桩的反弯点下移，水平力的力臂明显减小，桩端弯矩显著减小，承台所承受的总弯矩变小，由此引起的基桩的下压力相应减小；

4）水平荷载和弯矩的减小，造成桩在计算地面处的水平位移也相应减小，从而可减小桩径和桩重；

5）桩径减小后，可减小承台的面积、厚度和重量；

6）下压力减小后，桩的长度可随之减少；

7）基础尺寸减小后，基础自重、动水压力和冲刷深度进一步减小，壅水高度和范围也相应减小，形成良性循环。

经计算，将承台移至自然地面以下，4桩方案时桩径可由1.4 m减为1.1 m。基础尺寸减小后，阻水宽度、壅水高度和壅水长度均相应减小，对行洪防汛有利，赔偿费用有所减少。

基础顶面需设置到100年一遇洪水水位以上，采用单桩悬臂长度过长，且上部不易做成斜柱，不考虑采用单桩。若采用两桩承台基础，过长的立柱尺寸使承台承受较大扭矩，故也不考虑采用两桩承台基础。采用3桩则承台受力复杂工程中较少采用。以直线跨越塔ZKT100（N1618）为例，相同计算原则下，对4桩、5桩、6桩方案（斜主柱低承台灌注桩基础方案）进行了计算，结果如表3所示。

表3　各基础方案材料量及造价比较

由于桩悬臂长度大，水流压力较大，桩直径不能取值太小，增加桩的数量，其水流压力相应增加，不能够有效减小桩径。当桩数由4根变为5根、6根时，桩径可由1.1 m减为1.0 m，但基础本体造价有所增加。

综合考虑基础本体造价、阻水宽度、壅水高度和壅水长度等因素，黄河大跨越段基础均推荐选用斜主柱低承台灌注桩基础（4桩方案）。

4　大跨越基础优化

4.1大跨越基础优化措施

4.1.1平面布置优化

承受较大的水平力和上拔力是输电线路铁塔基础区别于一般楼房建筑基础的最大特点［2］。由于较大水平力使得承台底下的每根桩受力不均匀，而目前的桩基设计方法，一般选取受力最大的那根桩的配筋和计算长度作为所有桩的配筋和设计长度，所以对多桩承台基础的设计优化，主要在于令承台底的每根桩受力更加均匀。调整平面布置形式和采用斜立柱连接铁塔和承台，可以令承台底下的每根桩受力更加均匀，减小桩长5～8 m。

根据选定的基础型式，其布置有3种型式，如图3～5所示。

图3　传统型

图4　承台旋转摆放型

图5　承台旋转摆放加斜立柱型

传统型各桩受力最不均匀，顺对角线的两根桩外侧受力最大、内侧最小。单桩桩顶承受的最大轴向力为

式中：Nmax为单桩桩顶所承受的最大轴向力，kN；N0为作用于承台顶面的竖向荷载标准值，kN；Qt为承台和其上土自重标准值，kN；Mx、My分别为作用在承台底面绕通过承台形心x、y轴的弯矩，kN·m；X、Y分别为桩沿x、y轴方向的间距，m。

承台旋转摆放型内侧的两根桩受力最小，外侧的两根桩受力最大，单桩桩顶所承受的最大轴向力

或

承台旋转摆放加斜立柱型水平力和竖向力产生的弯矩相互抵消，使得各桩受力更均匀。单桩桩顶所承受的最大轴向力

采用承台旋转摆放加斜立柱结构形式可使水平力的力臂最小，水平力对承台底产生的弯矩也最小，各桩的受力基本均匀，结果最经济，工程大跨越段中均采用此种布置形式。

4.1.2桩径优化

灌注桩的单桩承载力为

式中：Q为单桩承载力，kN；d为桩径，m；f为极限摩阻力，kN/m2；l为桩长，m。

单桩混凝土体积V为

当桩径d1小于桩径d2，且桩长相同时，d1桩的承载力为d2桩的d1/ d2倍，但是，d1桩的混凝土体积仅为d2桩的（d1/d2）2倍，由此可见，单桩承载力仅与桩径成正比关系，而体积却与桩径成平方关系，采用较小的桩径可以获得较优的经济指标。

相对来说，桩径小桩深大的桩基造价更低，材料量也省，因此，在满足线路安全可靠的前提下应优先采用桩径小的方案。

4.1.3水平连梁的布置

由于大跨越铁塔基础需要考虑液化和冲刷及水流压力的影响，桩的直径由水平荷载控制，通过连梁将4个基础连在一起，可将水平力合理分配到4个基础上，从而有效减小桩径，并使4个基础整体移动，减小塔腿的附加应力，增加线路安全性。

4.1.4桩侧土侧阻力、端阻力取值优化

岩土专业一般根据塔位所处的地貌单元，以及覆盖层成因类型，结合现场工程地质勘测及室内试验成果，并参照当地工程建设经验及将来施工条件，综合提供地基土的侧阻力、端阻力等推荐值。通过桩上拔、下压试验得到各层土的侧阻、端阻力实测值。各土层推荐值和实测值对比见表4、表5。从试验结果分析，当桩体达到承载力极限值时，桩端阻力约占极限承载力的8.0%，桩端阻力没有充分发挥。

从表4、表5可以看出，主要持力层范围内粉土、粉砂层实验实测值比经验值小，粉砂、粉细砂土层试验实测值均比按照经验推荐值大。

表4　下压侧阻力推荐值和实测值

表5　上拔侧阻力推荐值和实测值

4.2直线跨越塔基础优化

工程两基直线塔承台均按旋转45°布置。由上节论述可知，相对而言桩径小桩深大的桩基造价更低，但桩径过小设计地面处位移不容易满足。两基直线塔最大冲刷水深对应的桩悬臂长度达12 m，增设水平连梁可影响桩径大小和上部立柱的尺寸。直线塔考虑增设连梁和不设连梁两种方式的计算结果如表6所示。由表6可以看出，设置连梁可减小立柱弯矩约13%。同时设置连梁还便于攀爬机下部检修平台的安装。

表6　设置连梁对比情况

分别采用推荐侧阻力和实测侧阻力桩基的计算结果如表7所示。由表7可以看出，采用试验实测的侧阻力可以减小桩长3.0 m。

表7　不同侧阻力值对比情况

4.3锚塔基础优化

锚塔也从承台布置方向做了优化，承台中心线均指向铁塔中心。为了减小塔腿处位移和使4个基础受力协调，本工程锚塔均设置连梁。北岸锚塔JM-37和南岸锚塔JM-57分别采用推荐侧阻力和实测侧阻力桩基的计算结果如表8所示。

表8　不同侧阻力值对比情况

由表8和表9可以看出，采用试验实测的侧阻、端阻参数在同样桩径条件下锚塔桩长可以减小3.0 m。

5　结语

根据工程黄河大跨越段水文、地质情况，工程直线塔、锚塔基础通过优化承台布置方式、设置水平连梁、优化桩径等措施确保大跨越基础的安全性、经济性。按照试验实测各层土的侧阻、端阻力可以适当减小桩长；本次优化是基于在南岸锚塔位置的试桩测试成果，建议其他塔位地基土的物理力学指标还应参照相应塔位的试验结果；根据工程试桩情况，桩底沉降不易满足设计要求，宜考虑采用PPG后注浆方式减小桩底沉降。

参考文献

［1］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.

［2］DL/T 5219—2014架空输电线路基础设计技术规程［S］.

［3］GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.

Towers Foundation Type Selection and Design Optimization of UHV DC Transmission Line Crossing the Yellow River

ZHANG Fa1，ZHANG Jian2，WANG Shilong3，HE Guiming1
（1. Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250013，China；2. State Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000，China；3. State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Abstract:According to the engineering hydrology and geological conditions，the design principle，scheme selection，type selection and optimization of the tower foundation for the long-span crossing the Yellow River are studied，especially the detailed comparative analysis is done to the large span foundation optimization measures. Results show that the length of pile could be appropriately reduced refer to the side resistance and end resistance of each measured soil layer，the soil physical and mechanical indexes should be according to test results. Based on the test，a post-grouted PPG pile is recommended to reduce the pile settlement.

Key words:±800 kV；UHV；DC；long-span crossing the Yellow River；foundation

中图分类号：TM754

文献标志码：A

文章编号：1007-9904（2016）05-0019-05

收稿日期：2016-04-06

作者简介：

张发（1978），男，工程师，从事输电线路杆塔及基础设计工作。