特高压直流输电线路抗地震液化措施设计

蒋　锐，马玉龙，郑帅帅，黄　兴，刘翔云

（1.西南电力设计院，成都　610021；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）



特高压直流输电线路抗地震液化措施设计

蒋锐1，马玉龙2，郑帅帅2，黄兴1，刘翔云1

（1.西南电力设计院，成都610021；2.国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

摘要：以内蒙古锡盟—江苏泰州±800 kV特高压直流输电线路工程中某两基相邻塔位作为案例，对特高压直流输电线路抗地震液化措施的设计方法进行对比分析。对输电线路地震液化机理及抗地震液化措施进行总结，对案例在地震作用下的基础作用力采用振型分解反应谱法和时程分析法进行详细计算，结合地质条件和实际基础荷载进行技术多方案抗液化措施的经济性比较，推荐类似情况的特高压直流工程采用桩基础作为抗地震液化措施。

关键词：特高压；直流输电；地震液化；桩基础

0　引言

实际情况中，输电线路常常由于路径通道限制导致无法避让地震液化区域，若不采取措施则会发生地震液化沉陷，对输电线路工程安全性有较大影响，尤其对特高压直流输电线路的影响巨大。因此GB 50795—2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范》中12.0.9条规定：对位于地震烈度7度及以上的地区，且场地为饱和沙土和饱和粉土时，应考虑地基液化的可能性，并应采取必要的稳定地基或基础的抗震措施。由于特高压直流输电线路工程输送距离远，塔位分布广，塔位地质情况差别较大，因此在不同液化等级场地，抗液化措施经济性差别比较大。针对以上情况，选择内蒙古锡盟—江苏泰州±800 kV特高压直流输电线路工程设计包12段（山东乔庄乡北—口埠镇东北）某两基塔位，对不同的抗震液化处理措施进行综合分析。

1　输电线路地震液化机理及抗液化措施

由于饱和砂土的空隙全部被水充填，在地震作用下，这种趋于紧密的作用将导致孔隙水压力骤然上升，而在地震过程的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，使得原来由砂粒通过其接触点所传递的有效压力减小，当有效压力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成像液体一样的状态，即砂土液化现象。饱和粉土由于黏粒含量少，液性指数低，因而内聚力小，在地震力作用下也会发生液化。地震液化的危害主要有4种形式，即地基失效、侧向扩展及流滑、上浮、喷砂冒水。

通常抗液化措施按照处理原理可分为两大类。一类是对地基进行防止液化处理，此法能有效地改变地基性质，使其完全失去发生液化的条件，目前常用的措施有挖换法、加密法、排水法等；另一类是减缓液化危害处理，不去改变地基性质，允许发生液化，仅对基础采取措施，确保地基在发生液化时，不危害上部结构，主要采用桩基础法。

1.1挖换法

挖换法适用于表层处理，当可液化土层或软弱土层厚度不大，且距地面较浅时，可将其全部或部分挖除，回填人工压密的材料，如粗砂、砾石、碎石、矿渣、灰土、黏性土或其他性能稳定无侵蚀性的材料。

1.2加密法

直接振密法。使用振动器在饱和砂土中产生弹性波，砂土受震后，原有的颗粒重新排列，达到密实。工艺简单、但噪音比较大［1］。

沉管砂石桩法。采用振动或冲击的方法在砂土地基中预沉桩管成孔，达到设计深度后向桩管中倒入粗粒料，逐段振密或捣实粗粒料成桩。工艺简单、施工速度较快，是一种较理想的方法。但是，当地基中含有硬土层或大直径的砾石时，应用将受到限制。

振冲碎石桩法。采用振冲器，在振动水冲的联合作用下使振冲器下沉至预定深度。清孔后逐段填入碎石等粗粒料，每段填料均用振冲器振挤密实，达到要求的密实度后，施工下一填料段，直至地表。当砂土地基中含有较多粘粒或含有有机物质时要慎重使用该法。

强夯法。利用重锤由高处自由落下时产生的冲击波来使砂土地基密实。该法施工方便、速度快、费用低。当地基土含有较多的粘粒，渗透系数很小时不宜采用。

1.3排水法

用抽水方法降低地下水位，减小砂土地基的饱和度，在地震时孔隙水压力上升较小，土体无法液化。或者通过在地基中设置砾石排水桩，加大排水作用，使地震时土体产生的超孔隙水压力迅速消散，从而抑制其液化。各种排水法均较复杂，通常需要将周围地下水补给源阻隔，还需频繁进行抽水工作，花费巨大。

1.4桩基础法

桩身穿过液化土层，打入可靠的非液化土层，以桩尖支撑作用和桩体对桩周土的限制来抑制土体液化变形。施工方便、处理效果安全可靠。

2　抗液化措施案例分析

2.1地质条件及场地液化判断

选取内蒙古锡盟—江苏泰州±800 kV特高压直流输电线路工程包12段中某两相邻塔位，分别为1基直线塔和1基耐张塔，地形平坦，地质情况为粘性土、粉土和砂土交替沉积，地下水位0 m。其中，粉质粘土：黄褐色、褐黄色，多呈可塑状，局部为软塑状，一般厚度为1.0～4.0 m；粉土：黄褐色、灰黄色，呈中密状，多夹有粉质粘土薄层，一般厚度为1.5～3.5 m；粉（细）砂：灰黄色、灰色，多呈中密状，局部松散、稍密，厚度一般2～6 m。根据《中国地震动参数区划图》，地震动峰值加速度为0.10 g，对应地震基本烈度为7度［2］。根据原位测试、室内试验、相关规范得到的地基土主要物理力学性质指标见表1，根据《建筑抗震设计规范》进行地基液化等级判断见表2。

表1　地基土主要物理力学性质指标

表2　地基液化等级判断

2.2地震作用下基础作用力计算

结合本塔位液化等级和前述措施的描述，可以看出沉管砂石桩法和桩基础法是较为适合，因此选取这两种方法进行对比分析。其中直线塔拟采用方案A“大板基础+砂石桩方案”和方案B“单桩钻孔灌注桩方案”进行对比，耐张塔拟采用方案A“大板基础+砂石桩方案”和方案B“4桩承台钻孔灌注桩方案”进行对比。其中桩基考虑进入非液化层3 d，砂石桩考虑大板基础底板外缘外伸5 m范围内均布置，如图1、图2所示。

图1　直线塔两种方案示意

图2　耐张塔两种方案示意

地震情况下基础作用力计算边界条件为：直线塔采用Z27103A，呼高75 m，耐张塔采用J27102，呼高57 m，左转27°，场地50年超越概率10%（设防地震）的地表水平地震动峰值加速度为0.10g，对应地震基本烈度为7度，设计地震分组为2组，Ⅲ类场地类别，阻尼比0.03。

先采用反应谱法进行计算，然后分别作用唐山地震波、汶川地震波和一组人工合成波采用时程分析法计算，特高压直流线路铁塔和基础均按乙类构筑物（重点设防类）考虑［3］，采用通用有限元软件ANSYS进行计算。采用振型分解反应谱法计算，只取前3个振型。时程分析法采用先对杆塔考虑地震波的影响，然后和其他外荷载产生的影响进行荷载效应组合的方式，采用GB 50790—2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范中的11.2.1、11.2.3条内容规定公式

式中：γEh、γEV为水平、竖向地震作用分项系数，应按表3取值；γEQ为导、地线张力可变荷载的分项综合系数，取0.5；ψwE为地震基本组合中的风荷载组合系数，取0.3［4-5］。

表3　地震作用分项系数

表4　综合分析振型分解反应谱法和时程分析法结果

综合时程分析法和阵型分解反应谱法得到本次计算的基础作用力，常规工况下和地震工况下的基础作用力对比结果见表4。结果可以看出，计算的直线塔在地震作用下的基础作用力约为常规情况下的31%～41%，耐张塔在地震作用下的基础作用力约为常规情况下的59%～69%。

2.3不同抗液化措施技术经济性分析

根据上述地质情况和基础作用力对直线塔和耐张塔进行方案A、B的计算［6-8］，考虑其抗震结构措施，得到综合技术经济比较结果如表5所示。

表5　不同地基液化处理方案技术经济性比较

从计算结果可以看出，本案例塔位地震液化深度等，达到11 m以上，液化等级中等到严重，直线塔采用“大板基础+碎石桩方案”进行地基处理费用大于钻孔灌注桩方案约44%，耐张塔采用“大板基础+碎石桩方案”进行地基处理远费用大于钻孔灌注桩方案约12%。同时考虑到“大板基础+碎石桩方案”施工工艺比较复杂，施工工期长，施工成本更高，环境破坏大，因此这两基塔位均推荐采用钻孔灌注桩基础方案。

3　结语

特高压直流线路长，塔位分布范围广，在工程设计时需根据塔位实际情况，结合施工机械、施工场地、环境保护、经济性等因素合理选择抗液化措施。

本案例中直线塔在地震作用下的基础作用力约为常规情况下的31%～41%，耐张塔约为59%～69%。但由于地震下基础荷载与地震烈度、各塔型质量大小、铁塔质量分布方式、铁塔自振周期、场地类别、地震分组等都有密切关系，建议针对工程特点采用振型分解反应谱法和时程分析法进行综合计算。

对于类似于本案例中粘性土、粉土和砂土交替沉积的地质情况，当地震液化深度深，达到11 m以上，液化等级中等到严重的塔位，采用灌注桩基础比采用“大板基础+碎石桩方案”的抗

液化措施造价均更少。

由于“大板基础+碎石桩方案”施工工艺比较复杂，施工工期长，施工成本更高，环境破坏大，因此建议特高压直流工程尽量不大规模采用这种抗液化措施。

参考文献

［1］王余庆，孙建生.挤密桩法在加固可液化地基中的应用［J］.岩土工程报，1989，11（2）：18-25.

［2］GB 50260—2013电力设施抗震设计规范［S］.

［3］GB 50223—2008建筑工程抗震设防分类标准［S］.

［4］GB 50011—2010建筑抗震设计规［S］.

［5］GB 50790—2013±800 kV直流架空输电线路设计规范［S］.

［6］DL/T 5219—2014架空输电线路基础设计技术规程［S］.

［7］DL/T 5024—2005电力工程地基处理技术规程［S］.

［8］JGJ 94—2008建筑桩基技术规范［S］.

Design on Earthquake Liquefaction Resistance Measures of UHV DC Transmission Line

JIANG Rui1，MA Yulong2，ZHENG Shuaishuai2，HUANG Xing1，LIU Xiangyun1
（1. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610021，China；2. State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

Abstract:Taking two adjacent tower sites of No.12 segment of±800 UHV DC transmission line project from Ximeng to Taizhou as a design case，a detailed comparative analysis is conducted for design methods of earthquake liquefaction resistance measures of conventional UHV DC transmission line. The earthquake liquefaction mechanism and earthquake liquefaction resistance measures of transmission lines are summarized. The force on foundation under the action of earthquake is calculated detailedly by using vibration mode decomposition response spectrum method and time history analysis method for the selected case.According to the economical comparison of diverse technical liquefaction resistance measures considered with specified geological conditions and the actual load of foundation，the pile foundation is recommended as an earthquake liquefaction measure in similar UHV DC transmission line projects.

Key words:UHV；DC transmission；earthquake liquefaction；pile foundation

中图分类号：TM726

文献标志码：A

文章编号：1007－9904（2016）05－0053－04

收稿日期：2016-03-12

作者简介：

蒋锐（1984），男，工程师，从事输电线路结构设计工作。