输电线路铁塔基础选型设计及其优化对策研究

朱宁

（江苏中孚电力工程设计有限公司，江苏 南京 210000）

国内各地输电线路铁塔建设过程中，均是通过基础把荷载传送至地基内，因此地基与基础如果发生质量问题，则会对整体输电线路运行安全、稳定性造成严重的影响，甚至引起人员伤残问题，不利于和谐社会的建设、发展。远距离输送是输电线路的典型特征，所通过路径的自然环境对地基条件的复杂性、不稳定性起到了决定性作用。既往有大量实践表明，差异化的工程水文土质、滑坡、施工工艺不合理、设计偏差等，均可能成为铁塔基础出现形变、移位或不均匀沉降等诱因，严重时造成铁塔坍塌，引起十分恶劣的电力事故。通常而言，如果地质、水文条件等因素存在差异，通常会结合作用原理的不同，选择使用适宜的铁塔基础类型，采用适宜的方法进行优化，这是铁塔实现安全、稳定运行的重要基础。

1 项目案例

某区域正好处于一条即将建设输电线路的既定路径内，为了能使输电线路运行的安全性、稳定性得到更大保障，应积极做好铁塔基础的施工工作。而维持及巩固铁塔基础稳定性是实践中应重点考虑的问题。施工前期设计应充分调查分析工程所在地的土层指标进行规范测定，具体实测结果被统计在表1内（砂质淤泥质粉土、粉砂分别简称为土质I、II）。参照铁塔基础的选型要求，本项目的铁塔基础型式是联合式，综合分析表1内的数据信息，能够确定基础的受力层次是第二层，据此便能进行分析测算，进而掌握铁塔基础的各项基础数据。

表1 土层物理指标统计情况

2 分析影响铁塔基础设计情况的主要因素

在建造输电线路过程中，对路径提出的要求较严格，这也就预示着铁塔基础经常被建设在地质条件复杂的环境内，因而应结合基础受力属性，科学分析基础设计型式的稳定性、经济性。从宏观上分析，影响铁塔基础设计效果的因素主要有两个：一是自身所处方位决定了土力学性质，输电线路路径、位置是事先确定好的；二是铁塔和基础两者的互为作用及受力变形特征。

2.1 铁塔基础受力的内在规律

埋深相对较浅显是联合式输电线路铁塔基础的主要特征，通过对本基础进行全面的浇制，能够较好地应对其基础根开偏小、基坑挖掘难度较大与板式基础频繁上拔等现实问题，在软弱土塔位表现出极高的适用性。首先，需要科学分析铁塔基础的受力规律，为确保分析结果的科学性，利用ANSYS有限元软件分析铁塔基础上各种类型的荷载，测得基础底部边界承受的上部荷载压力的最大值，此时，基础底部承受的拉应力也会达到最大值，分析以上现象的成因，主要是由于铁塔基础通常是钢筋砼，以上这种材料和土壤之间在刚度上存在显著差异。其次，结合系统化分析结果能够获知，基础底部为土体的最大位移点，如果土层和基础底部中心距离越远，其形成的沉降位移量也会降低，而伴随土层深度值的增加，应力并不会完全消除。最后，结合以上分析所得，将联合式基础用于软弱土塔位，先要精确测算出土层的实际地基承载力，确定基础底部的具体尺寸。如果联合式基础建设在土质偏硬的地质环境下，进而软弱土层相比较，其受力状态出现明显改变，基础下方可能会出现不同程度弯曲、受压等状况。综合以上做出的分析，可以认定在铁塔基础设计选型前，要对输电线路沿线地质条件全面勘测，结合实际受力状况确定配筋比例，以防现实操作中配筋偏差使铁塔基础形成严重损害。

2.2 设定目标函数

综合如上阐释内容，不难发现，影响铁塔基础设计选型的主要有两大因素，一是地质条件，二是外力作用。如果实践中确定了塔型及塔距，此时，其基础的承载力大小也相应确定下来。土层自身的参数特征是影响基础型式及尺寸的主要因素，土层参数对基础承载力的标准值还起到了决定性作用。产生影响的因素主要包括地质条件与外力。而由土层参数决定的基础宽度与深度修正系数、基础地下土的自重、底板上土层持有的加权平均重度、基础实际埋深等均影响着基础承载力特征值的大小，其理应高于基础自重力，铁塔基础荷载对基础自重力起到了决定性作用。据此，可以确定如下的目标函数：

式中，fa、fak分别是修正后的基础承载能力特征值、标准值；ηb、ηd分别是为基础宽度、埋设对应的修正系数；r是埋土的总重量；B是基础宽度；rs是埋土的加权平均重量；ht代表的基础埋深。

从中不难发现，对铁塔基础设计参数形成影响的因素较多。因此在设计工作正式开展前，一定要精确测定有关指标具体值，确保塔位的地质勘测工作顺利推进，掌握基础的持力层，这样才能进一步提升铁塔基础型式和尺寸设计的科学性。

3 设计优化方法

分析联合式铁塔基础用于本项目建设阶段的原因，最主要是因为和其他类型的铁塔基础相比，其在稳定性、安全性两大方面更占优势。外加工程所在地区土质相对较为松软，限制条件相对较严格苛刻，所以最后决定使用联合式铁塔基础型式。首先，正式设计基础设计前，要精准地测算出基础投用阶段自身所需承载的载荷，本工程选定的铁塔基础的承载力通常低于实际设计数值的80%，这是基础自身实现最稳定的基础条件。其次，联合式铁塔基础的埋深相对较浅显，并且是由浇筑建设而成，因此，这种基础型式应用阶段能为排水创造便利条件，并且能使土层顶层的硬质层将自身的固定功能充分发挥出来，但因为下层的土质状态较为松软，所以基础下沉、位移等不良情况的发生率相应增加，若以上的改变是相对合理的，那么当沉降量与位移量抵达一定限值时，就可以自动调整到最优状态。但是，如果能确定是因为施工操作偏差引起的变形问题，则很可能对铁塔整体安稳性形成极大的不良影响。最后，工程所在地的水文地质、气候等客观条件等均可能会影响铁塔基础的状态，可能对其沉降、位移过程起到诱导作用，因此在基础具体设计时，应着重分析变形参数，将最大压力侧变形幅值控制在20mm以下。

4 结语

在设计与选择铁塔基础型式时，应明确前期选址是影响最后设计效果的主要因素，在控制基础建设成本的基础上，也要扎实推进工程场地的前期选址工作。尽量选择地势平整、地质条件较好的区段，规避断层等土质偏差的地段。面对铁塔项目建设中遇到的各种不良地质状况，则要尽早采用科学、合理的方法处理，并依照不同的工程水文、地质条件，比较筛选出适用型的铁塔基础设计方案，最大限度地优化基础建设质量。