输电线路软土地基基础方案研究

王丽欢,任亚宁,柴林杰,郭计元

(国网河北省电力公司经济技术研究院,石家庄 050021)

输电线路软土地基基础方案研究

王丽欢,任亚宁,柴林杰,郭计元

(国网河北省电力公司经济技术研究院,石家庄 050021)

针对软土地基具有高含水量、高压缩性、结构性显著等特点,结合杆塔基础所承受的荷载特性复杂的受力特点、工程造价及环境保护等要求,在常规杆塔基础型式上加以优化,提出了螺旋锚复合基础、新型CFG复合基础2种输电杆塔基础型式,通过计算分析,这2种基础型式具有较好的经济效益。

输电线路;软土地基;杆塔基础;经济分析

1 概述

近年来,我国特高压输电事业迅猛发展,架空线路越来越长,其费用越来越大,并且在输电线路的工程建设中,不可避免地要通过淤泥质土等软弱地质区。针对这种情况,以往多采用柔性大板基础、钻孔灌注桩基础、基础深埋或重力式基础等。虽能保证输电线路的运行安全,但开挖回填式基础具有材料用量较多,基坑开挖量大且开挖困难、土体扰动较大、投资较大、工期较长、植被破坏导致水土流失严重等缺点;而灌注桩适于有洪水冲刷的粘性土和砂土地基,其缺点是施工占地面积较大、施工工艺要求较高、且需要大型机具、进场费用昂贵,从而导致工程造价较高[1]。

科研设计人员根据杆塔基础的受力特点,并将“资源节约型、环境友好型”的设计理念贯穿于杆塔基础设计过程中。同时,在河北省南部电网印发的电网工程绿色建设导则下,提出适于软土地基中的少开挖甚至是零开挖的螺旋锚复合基础、新型CFG桩 板复合基础两种基础型式。因此,这2种基础型式具有较好的经济效益。

2 螺旋锚复合基础

螺旋锚基础是一种利用深层土体抗力的锚固结构,由一片或多片螺旋板等间距焊接在长螺杆或钢杆上,如图1所示。

图1 螺旋锚基础结构

在施工现场,通过机械方式在螺杆顶部施加一定扭矩使之旋入土层中,使螺旋锚基础具有良好的双向抗压和抗拉性能[2]。常用的有玻璃钢螺旋锚复合基础和金属螺旋锚复合基础。

2.1 螺旋锚复合基础及其特点

螺旋锚复合基础(如图2所示)是一种新型基础形式,它是在螺旋锚基础上进行改进所得,是由刚性基础承台与复合材料螺旋锚组成的输电线路杆塔的基础。通过承台和螺旋锚共同承担竖向荷载和水平作用,同时提高基础的抵抗竖向、水平变形能力。该种新型基础通过两种基础的复合作用,荷载小时可以采用承台柱基础和双锚型式,甚至只采用螺旋锚基础,荷载较大时可以采用承台柱基础和群锚的型式。

图2 螺旋锚复合基础示意

在软土地基中,玻璃钢螺旋锚复合基础以其轻质高强、占地少、对原状土破坏小的特点更加适用,并且其承载力较高、基础工程量较小、施工简单、操作方便、质量可靠易于控制,从而降低基础综合成本。同时,玻璃钢螺旋锚群作为整体抵抗上拔、下压、水平力,沉降小于普通基础;不易产生电腐蚀和化学腐蚀,后期维护费用低,且不易老化,能用于永久工程。加拿大等国已将玻璃螺旋锚用于超高压输电线路杆塔的基础和拉线地锚[3]。

2.2 玻璃钢螺旋锚复合基础的经济效益分析

以某工程中2种直线塔和2种耐张塔为例进行经济比较。造价比较列于表1。

表1直柔板式基础和玻璃钢螺旋锚基础材料量和造价比较

由表1可以看出,对于前两种直线塔的情况,由于基础主柱的直径和埋深均偏小,混凝土减少约48.35%,钢筋用量减少约18.56%,总造价减少约21.19%,经济效益比较明显。当后两种转角塔的基础作用力较大时,玻璃钢螺旋锚基础的经济性也能得到很好的体现,混凝土减少约35.09%,钢筋用量减少约12.02%,总造价减少约7.18%,同样具有具有较好的经济效益。

由此可见,随着基础作用力的增大,玻璃钢螺旋锚的效益增长速度变的缓慢,所以,在该条线路工程中,基础作用力较小的直线塔,使用玻璃钢螺旋锚更能体现出其优势。

3 新型CFG桩-板复合基础

3.1 新型CFG桩-板复合基础

传统的CFG桩是指在碎石桩体中掺加适量的石屑、砂、粉煤灰和水泥搅合从而制成的一种粘结强度较高的桩体,称之为水泥粉煤灰碎石桩,简称CFG桩[4]。

新型CFG桩是在传统CFG桩基础上进行适量配筋,由原来的低强度刚性桩[5],向柔性桩转变,通过与柔性大板共同来满足铁塔基础的上拔要求。通过柔性大板基础和新型CFG桩共同承担竖向荷载和水平作用,同时提高基础的抵抗竖向、水平变形能力[6]。该种基础即可以减小大板尺寸,又可以缩短桩长,适用于软土地基,且持力层或基岩埋深较大的地质情况,可减少基坑开挖量,同时CFG桩桩径较小,采用小型机械即可施工,对进场道路要求较低。如图3所示。

图3 新型CFG复合基础

由于CFG桩桩径较小,Ⅰ型直线塔采用3根桩与板相连,Ⅰ型转角塔采用4根桩与板相连,其材料量与造价见表2。

表2新型CFG复合基础和常规基础材料量和造价比较

表2新型CFG复合基础和常规基础材料量和造价比较

基础型式 混凝土/m3钢筋/tⅠ型直线塔 Ⅰ型转角塔 Ⅰ型直线塔 Ⅰ型转角塔灌注桩基础 52.91 76.38 8.37 9.57直柔大板基础 21.88 49.87 2.68 2.43新型CFG桩板复合基础 48.56 66.15 5.75 7.89

同时,采用这种组合方式,其极限承载力大于单桩基础和大板基础极限承载力之和,提高率约20%,同时可以减少混凝土量78%,钢筋量减少15.4%。在考虑基础承载30%、45%、60%荷载后,与桩基础相比基础工程造价分别降低约25. 23%、31.25%、38.68%。综合比较,采用新型CFG复合基础较合理。

3.3 主要材料与复合基础承载力确定

3.3.1 基础材料绿色环保

基于本文所提出的新型CFG桩-板复合基础,其原材料组成之一为粉煤灰。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一,年排放量高达1.8亿t[7]。发达国家已将其作为一种新的资源来利用,利用率高达70%～80%,而我国利用率仅为30%[7]。

粉煤灰回收利用,可以有效减少扬尘,大气污染,减轻对人体和生物造成危害;有效减轻电力企业3.1%的粉煤灰处置成本,同时,由于其成本低,进而可以有效降低杆塔基础造价。

3.3.2 复合基础承载力确定

式中:Q u为单桩极限承载力,k N;n为桩数,根; QLPF为无桩时大板极限承载力,k N;α为大板效应系数,主要与大板几何形式、尺寸、施工工艺及天然地基承载力有关。根据有限元和试验结果,单桩-板复合基础抗压时,α=0.8～1.0;群复合基础抗压时,α=1.2;单复合基础抗拔时,α =0.5。

a.改善了大板基础抵抗水平变形的性能,基础的水平位移较单桩基础和大板基础均小很多;同时提高了基础的受水平荷载的极限承载力,其极限承载力大于单桩基础和大板基础极限承载力之和,提高率约19%。

d.该新型基础型式利用大板柔性基础+桩基的组合形式,使这两种基础发挥各自的优点,同时弥补对方的不足,扬长避短。即减小了大板基础的尺寸,又减小了桩基的长度和数量。从而减少混凝土和钢筋用量,降低工程造价。

4 结束语

a.在软土地基中采用可自旋进入较深土层的螺旋锚基础,混凝土减少约41.72%,钢筋用量减少约15.29%,总造价减少约14.18%;

因此这2种基础型式均具有较好的经济效益。

[1] 杨二敏,严行健,仇凤鸣,等.免开挖输电线路金属锚基础应用与研究[J].电网与清洁能源,2010,26(2

[2] 郝冬雪,陈 榕,符胜男.砂土中螺旋锚上拔承载特性模型试验研究[J].岩土工程学报,2015,37(1):126132.

[3] 施月泉,谢 芳,冯 炳.复合螺旋锚基础在输电线路中的应用研究[J].绍兴文理学院学报,2013,33(9):4247.

[4] 薛新华,魏永幸,杨兴国,等.CFG桩复合地基室内模型试验研究[J].中国铁道科学,2012,33(2):712.

[5] 马明正,海振雄,叶阳升,等.高速铁路CFG桩复合地基沉降计算适用方法研究[J].中国铁道科学,2014,35(02)

[6] 倪辉辉,张大长,李布辉,等.输电杆塔结构新型复合基础下压承载力特性模拟分析[J].南京工业大学学报,2015,37 (5)

[7] 雷 瑞,付东升,李国法,等.粉煤灰综合利用研究进展[J].洁净煤技术,2013,19(3)

本文责任编辑:靳书海

Study on Soft Soil Foundation Scheme of Transmission Line

Wang Lihuan,Ren Yaning,Chai Linjie,Guo Jiyuan
(State Grid Hebei Economic Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Aiming at the soft soil foundation physical and mechanical properties are very complex,with high water content, high compression and visible structure.Meanwhile,Based on the complex stress characteristics of tower,engineering cost and environmental protection and other requirements,this paper puts forward two transmission tower foundation,they are respectively helical anchor composite foundation,new CFG pile-composite foundation.After calculation,these two basic types have good economic benefits.

transmission line;soft soil foundation;transmission tower foundation;economic analysis

TU475.9

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王丽欢(1986-),女,工程师,主要从事输电线路结构设计工作。