山区输电线路转角塔压力型锚索承台基础研究

麻 坚，袁建国，应 健，肖志鹏，吕 庆，王真理

（1.金华电力设计院，浙江 金华 321016；2.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321017；3.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058）

0 引言

输电塔是输电线路穿越山地丘陵等复杂环境的关键电力设备，其基础型式是否合理关系到输电工程建设成本，而且一旦出现问题，将对电网安全构成威胁，甚至诱发重大事故。 因此，输电塔基础的选型和设计是高压输电线路设计中的重要内容[1-2]。

长距离输电线路在山区不可避免地会遇到复杂的地形和地质条件，使得铁塔基础依存的地基性状差异极大。 地形条件、地质环境、地基承载力和铁塔所受荷载是基础选型和设计的关键因素[3-4]。 输电线路中的转角塔，受力不对称，其上拔工况是铁塔基础设计中的控制性荷载[5]。 尤其，对于大角度转角塔，荷载大，对基础的抗拔承载力要求高。 我国东南沿海山区存在大量的覆盖层厚、下覆基岩工程性状好的复合地层。 对于这类“上土下岩”的二元结构复合地层，目前一般的铁塔基础设计方案，如板式基础[6]，通过增加基础埋深，利用基础的覆土和自重来提供抗拔力。 对于上拔荷载高的大角度转角塔，需深挖深埋才能满足抗拔设计要求，不仅将大大增加土石方开挖量，破坏生态环境，而且需扩大承台尺寸，增加混凝土、钢材等材料用量和运输成本，提高基础造价。 而普通岩石锚杆基础[7-8]一般用于下覆基岩较浅的情况，对于覆盖层较厚的地层，由于锚杆长度限制，为了使锚杆锚固到下覆基岩层，需增加基础埋深，造价高、不经济。 此外，普通岩石锚杆基础多为传统的全长粘结型锚杆，受到锚杆材料强度、直径以及锚杆、岩体与砂浆粘结力影响，其抗拔承载力有限，需要布置较多数量的锚杆才能满足较大上拔与水平荷载的大角度转角塔的受力需求。

针对上述覆盖层较厚的“上土下岩”复合地层，本文提出了一种适用于山区输电线路转角塔的压力型锚索承台基础。 采用高强度钢绞线（抗拉强度1 860 MPa）作为锚索材料。 通过锚固板挤压受力使得内锚固端处于受压状态，获得较高单根锚索的抗拔承载力。 由于锚索为柔性材料，可以由钻孔穿过厚覆盖层锚入基岩，充分利用下覆基岩的锚固性能，提供稳定、可靠的抗拔力，因此更适合具有厚覆盖土的地层条件。 此外，通过倾斜方式对称布置，可满足基础的竖向抗拔承载力和侧向抗滑稳定性。 而基础承台仅需满足下压承载力要求即可，大大缩小承台尺寸和埋深，减少基础土石方开挖量，缩短工期，降低钢砼材料用量和运输需求，不仅有利于保护环境，而且降低了基础造价。

1 压力型锚索承台基础

1.1 压力型锚索承台基础型式

压力型锚索承台基础由锚索和承台两部分组成，如图1 所示。 锚索采用高强度、低松弛钢绞线。 锚固段采用压力型内锚结构代替全长粘结的拉力型锚杆。 锚索可倾斜对称布置，穿过覆盖层锚入基岩，能有效提高基础的抗拔和抗水平承载力。 锚索倾斜对称布置不仅可以提供抗水平承载力，而且还能解决内锚段的群锚效应问题。 承台采用板式基础，由下压荷载和地基承载力控制其埋深和尺寸，相比于常规的板式基础，由于无需考虑上拔工况，可大大缩小基础底板尺寸和所需埋深，减少基础开挖量及对环境的破坏，经济环保。

图1 压力型锚索承台基础结构

采用压力型锚索来代替拉力型锚索的目的在于：拉力型锚索的内锚固段由于采用全长粘结的锚固方式和传力机制，在上拔荷载作用下，注浆体在锚索受拉变形较大部位会出现应力集中，从而造成锚固段的拉剪渐进破坏。 而压力型锚索通过在锚索根部设置承压板，通过无粘结钢绞线将外部上拔荷载传递到承压板，并通过承压板挤压锚孔底部的注浆体和围岩，保证整个锚索受力过程中，灌浆体处于受压状态（见图2）。 由于砂石注浆材料的抗压强度比抗拉强度高，因此压力型锚索能充分发挥注浆体抗压强度高的优势。 此外，压应力状态下注浆体不易开裂，具有更好的防腐性和耐久性。

目前，压力型锚索在各类锚固工程中已有广泛应用[9-12]。 总体而言，锚索的破坏机理主要是锚索材料被拉断和锚索从锚孔中被拉出2 种。 采用压力型锚索形式，可充分发挥锚索材料强度高、下覆基岩完整以及锚固性能好的特点，从而大幅提高抗拔力。 此外，对于上拔荷载特别大的情况，为提高锚索的极限抗拔承载力，避免应力集中问题，可根据承载力需要采用具有多级承压板的压力分散型锚索，如图3 所示。 通过在不同深度设置锚固承压板，将外锚头荷载分散作用在不同深度的注浆体和围岩中。

图2 压力型锚索结构

图3 多级压力分散型锚索结构

1.2 压力型锚索承台技术特点和优势

对于覆盖层厚、下覆基岩工程性状好的山区复合地层及上拔荷载较大的输电线路转角塔的基础，采用压力型锚索承台基础将克服现有常规输电塔基础的不足，其技术特点和优势有：

（1）基础受力合理、安全可靠。 基础下部采用锚索代替锚杆，采用高强度钢绞线替代钢筋，抗拔承载力大且可靠性高；压力型锚索承台基础上拔和下压工况受力分别考虑，上拔工况由锚索承担，下压工况由承台承担，受力明确、分工合理；采用压力型内锚结构，将外部拉力作用传递到完整基岩中，可提供安全、稳定、可靠的抗拔承载力；锚孔注浆体处于受压状态，将充分发挥注浆体抗压强度优势，有效避免因应力集中造成的锚索渐进破坏。

（2）适应机械化施工要求，有效减少人力需求。 预应力锚索孔的钻造、注浆、张拉均可利用各种机械设备自动或半自动完成，所需人工相对较少，可满足机械化施工的要求，降低劳动强度，提高施工效率。

（3）造价低、工期短、环境效益显著。 由于承台仅需考虑下压荷载作用，大大缩小了承台的尺寸和埋深，经济性好。 施工上由于避免了较大规模的土方开挖和基坑支护，可大大缩短工期。 施工过程中，机械化程度高，施工速度快，施工工作面小，基础开挖和维护工程量小，可有效降低对场地基岩面、林木植被的破坏，减少施工过程中的碳排放量以及对环境的影响，环保效益突出。

（4）适用性好。 针对塔基上部覆盖土厚的特点，通过钻造深孔，可将输电塔所需的抗拔力传递至稳定地层；对于土层厚度不同的地层条件，可通过调整锚索长度灵活设计，具有极高的场地适用性；对于不同规模的铁塔，锚索吨位可根据所需抗拔力灵活设计，采用压力分散性内锚结构，可改善锚索的受力条件，进一步提供更大的锚固力；锚索施工工艺简单，锚索直径小，相关施工机械便于运输，适合于山顶、山坡等大型机械不便使用的山区。

2 压力型锚索承台基础设计

2.1 承台的设计计算

承台主要承受输电塔下压荷载，由地基承载力要求确定其底板尺寸。 由于输电线路转角塔主要考虑上拔工况，下压荷载较小，为方便施工，减少土方开挖，承台基础的设计埋深一般控制在2 m以内，承载力验算按照规范推荐的方法计算[13-15]，不再赘述。

2.2 压力型锚索的抗拔力计算

倾斜布置的锚索主要轴向抗拉，利用轴向拉力的竖向分量承受上拔荷载，水平分量承受水平荷载。 因此，确定锚索轴向抗拉承载力是设计的关键。 如图4 所示，锚索的倾斜角（竖向夹角）α和轴向抗拉承载力Nt可分别由下式确定：

式中：T 为单根锚索需承担的上拔力；Nx，Ny分别为单根锚索需承担的水平抗力。

图4 压力型锚索承台平面布置

由于压力型锚索在上拔荷载作用下不会出现锚索及套管沿与注浆体交界面被拔出的破坏模式，因此其抗拉承载力主要由锚索材料的极限抗拉强度、锚固承压板处的注浆体抗压强度、注浆体与钻孔壁之间的粘结抗剪强度综合确定，计算方法主要按照《岩土锚杆（索）技术规程》[16]《建筑边坡工程技术规范》[17]的相关规定计算。 简述如下：

（1）锚索截面积应满足锚索钢绞线抗拉强度要求：

式中：fptk为钢绞线的抗拉强度标准值；Kt为锚索的抗拉安全系数，对永久锚索取1.8；As为锚索的总面积，与钢绞线根数n 及其直径d 有关。

（2）锚固承压板面积应满足注浆体抗压强度要求：

式中：Kp为注浆体局部抗压安全系数，取2.0；Ap为锚固承压板与注浆体横截面的净接触面积；Am为注浆体的横截面面积；η 为有侧限注浆体的强度增大系数；fck为注浆体抗压强度标准值。

（3）锚索的最小锚固段长度按下式计算，取其中的较大值：

式中：K 为锚固体的抗拔安全系数；fmg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值；D 为锚固段的锚孔直径；Ψ 为锚固长度对粘结强度的影响系数；fms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值；d 为钢绞线的直径；ξ 为界面粘结强度降低系数。

2.3 压力型锚索的技术要求

（1）锚索可根据荷载情况选用4～7 股d=9.5～12.7 mm 组成的高强度钢绞线，抗拉强度标准fptk=1 860 MPa。

（2）锚索的钻孔直径可相应取D=90～150 mm。

（3）注浆材料选用M35～M40 水泥砂浆。

（4）根据基础所受水平荷载与上拔荷载的比例，锚索采取对称倾斜布置，竖向倾角采用15°～25°。

（5）注浆前应仔细清孔，注浆管与锚索同时放入孔内，采取随注随拔、自下而上连续注浆的方式，必要时二次注浆，提高锚索的抗拔承载力。

（6）锚索与承台连接处的承台配筋应局部加强。

3 技术经济性比较

针对工程中15 mm 冰区Ⅱ型转角塔、20 mm冰区Ⅱ型转角塔，对厚土山区塔位分别采用压力型锚索承台基础和常规单根挖孔桩基础的工程量进行对比分析。 对比分析时覆盖层厚度假定为5 m，对比结果如表1 所示。 表中结果表明，在相同地质、地形条件下，采用压力型锚索承台基础可减少混凝土量约20%～25%，基础钢材量约略有增加，综合造价较常规挖孔基础可节省10%～15%，经济效益显著。

因此，对工程中覆盖层较厚、下伏基岩性状较好的山地塔位，尤其是上拔荷载相对较大的转角塔，推荐采用压力型锚索承台基础这一新型基础型式。

表1 不同基础型式材料用量对比（单个基础）

4 结语

压力型锚索承台基础是一种新型的输电塔基础型式，对山区上覆土层较厚的“上土下岩”复合地层有较大的技术优势，特别是针对上拔荷载较大的输电线路转角塔基础技术优势显著。 压力型锚索承台基础，受力合理，不仅能够充分利用下覆完整基岩的锚固承载力，提供安全、稳定、可靠的抗拔作用，而且可有效减小承台尺寸和埋深，减少基础的土石方开挖量和材料用量，缩短工期，降低造价。 从而减少常规的铁塔基础需因大规模开挖施工对山区环境植被造成的破坏，缓解深埋基础对大型施工机械的需求。 压力型锚索承台基础施工工艺简单，可采用轻型化、小型化设备实现机械化施工，具有较好的社会效益和经济效益。