输电线路山区工程基础设计特点及处理方法

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1、输电线路山区工程基础设计特点及处理方法葛保斌 董建尧（华东电力设计院 上海 200063）【摘要】本文通过对山区工程基础的类型、设计和施工的特点以及可能出现的问题，提出了一些处理意见和解决的方法，从而达到节约工期、节省投资、保护环境等目的，以供线路结构专业的同行参考。【关键词】山区线路 基础设计 基础处理前言安全可靠、经济合理、技术先进是以往输电线路工程的基础设计的原则，如今随着人们环保意识的加强，环境保护、水土保持问题日益被社会各方和建设单位的重视，有的地方甚至提出了更高的要求。有效地保护环境、保护山区林木植被，不破坏绿化也顺应了目前建设资源节约型、环境友好型社会的潮流，这对山区地形输电线路

2、的设计、施工和运行维护提出了更高的要求。1山区工程可选用的基础型式目前我国输电线路杆塔基础大致可分为利用原状土和非利用原状土两大类，利用原状土基础材料量省，承载能力高。签于山地和丘陵地区地基承载力较高，但覆盖层厚度各区域不尽相同，因此，基础型式考虑尽量利用原状土，对地基覆盖土层较厚及非岩石地基，推荐使用斜插式板式基础、半掏挖的柔性配筋板式基础和掏挖式基础；对岩石裸露或覆盖地很薄的塔位可采用岩石锚杆式基础和嵌固式基础，根据山区特有的地质条件进行优化设计，以进一步节省基础工程的投资，减少基坑的开挖和植被的破坏。1.1直柱式、斜插式板式基础一般，在平地输电线路中，钢筋混凝土现浇板式基础应用较多，此类

3、基础主要优点是充分利用钢筋混凝土薄底板的受湾性能，可以节省混凝土用量，降低基础造价。该类基础与铁塔的连接方式有两种，即地脚螺栓式和角钢斜插式。由于没有偏心弯距，角钢斜插式板式基础比地脚螺栓式板式基础要节约混凝土和钢材。若在山地和丘陵地带使用斜柱式基础，对施工过程中的基础根开控制和插入角钢的就位要求较高。若设计考虑不周或施工不当极易引起基础外侧边坡不够或基础根开不准，因此山地和丘陵地带较平缓场地的板式基础（不易掏挖成形的）可以采用斜柱式，但在山坡较陡的塔位最好采用地脚螺栓直柱式基础。为使基础受力合理，充分利用地基强度，板式基础设计中，主柱与底板根据负荷设置一定偏心，这种基础型式在以往线路工程中使

4、用，均获得较好的经济效益。但是板式基础基坑土方量较大，回填土质量较难保证，底板钢筋绑扎较麻烦，施工工序繁琐。1.2掏挖式基础、半掏挖式基础对覆盖土很厚的岩石地基或者土质好的非岩石地基，若地基土的特性满足掏挖基础的要求的话，将优先采用掏挖基础。这种基础形式在以往山区工程中应用较多，与传统的基础相比具有如下特点：原状土地基承载力高、变形小，消除了回填土质量不可靠带来的安全隐患；“以土代模”，基坑开方量较少，施工方便，节省钢材；施工作业时占地不大，施工措施得当可保证基础外侧边坡不受影响，可以充分地利用原状土的力学性能；但基础施工过程中对于掏挖工艺要求较高。此外，斜柱式半掏挖基础具有主角钢斜插式基础水

5、平力和弯矩小的优点。因此对土质较好的地基，将优先采用掏挖式、半掏挖基础，可提高基础抗拔和抗倾覆稳定性，对原有地形、地貌的影响降到最低，达到环保的要求。经过比较，当基础作用力较大时，掏挖式基础比板式基础混凝土方量大，因此在设计过程中应根据现场实际情况以及塔型基础作用力进行混凝土方量、开放量和环保等方面的综合考虑，从而达到节省基础工程的投资、保护环境的目的。1.3岩石（嵌固式）基础嵌固式岩石基础与传统的基础相比具有如下特点：原状基岩承载力高、变形小，消除了回填土质量不可靠带来的安全隐患；“以岩代模”，基坑开方量极少，施工方便，不需要立柱钢筋和底板钢筋；施工作业时占地不大，可以充分地利用原状基岩的力

6、学性能；在施工时把岩基挖成倒锥形体，将斜插角钢或地脚螺栓用砼直接浇入嵌固式或半嵌固式基础中，既节省了石方开挖量，又大大减少混凝土的使用量，在山区使用较合理，又方便施工，具有显著的经济效益。1.4岩石（直锚式）基础直锚式岩石基础采用机械钻孔，将底脚螺栓直接锚固于灌浆的岩石孔内，借岩石本身、岩石与细石混凝土和细石混凝土与锚筋的粘结力来抵抗上部铁塔结构传来的外力。直锚式岩石基础的经济性及施工简单是显而易见的。影响岩体承载力的主要因素是夹层和节理裂隙，在施工时设计人员必须逐基到位，逐基逐腿进行鉴定，采取加大锚固深度等措施，以确保基础的安全可靠。这种基础对岩石的要求较高，施工难度较大，施工费用较高。图一

7、山区工程常用基础形式一览图2山区工程基础设计和施工面临的问题探究以及应对策略以往山区工程的基础设计和施工一般存在以下的问题：一是基础形式单一，施工时往往简单地采用大开挖的形式施工，导致塔腿基面大、开方量大，造成了山区植被破坏和水土流失；二是铁塔根开小，基础作用力大，基础内边坡难以满足设计要求。如今有效控制土方开挖量、防止水土流失、保护环境已成为了山区工程所面临的难题。笔者认为首先勘测测量成果的准确性是设计的先决条件。塔位地形和塔基断面测量结果的准确性将直接影响到基面降低的数值和高低腿配置的准确性。其次，设计的方法也是一个重要的因素，一般在确定塔腿布置方案时有两种思路，一种是常规思路，即开土方平

8、整出4个基础平面如图二。这种思路设计过程比较简单，基础种类单一。另一种思路则是基于少开方或不开方考虑的，设计过程较为繁杂，基础种类相对常规做法要多，并且更为灵活，但是工地设计代表的工作量会增加，并且需要施工单位的配合。就第二种思路来说，为了达到少开基面甚至不开基面土方的目的，目前主要从以下几方面着手：图二常规开基面造成开方量大2.1从基础本身考虑通过500kV龙政直流、500kV三广直流和500kV福建与华东联网等工程的实践，山区覆盖层主要以硬塑粘性土为主，并夹有碎石，覆盖层厚度一般35m，覆盖层以下多为风化程度不同的岩石。对于山区地质为硬塑粘性土的情况，掏挖基础和半掏挖基础的形式可大量应用于

9、基础受力较小的直线塔，而对于承受长期荷载基础作用力较大的转角塔和终端塔则不经济。掏挖基础的主要优点在于不需要基面大面积开挖，基坑施工直接从自然地面起向下，但是掏挖基础对地质要求相对较高，土质需具有一定的塑性和密实度，基坑必须能够掏挖成型。掏挖基础和平板柔性基础基坑开挖方式如图三所示。图三板式基础和掏挖基础基坑开挖量大小比较图中虚线以上部分为需要开挖的土方，可以明显地看出掏挖基础的土方量远小于平板基础。而且，掏挖基础底板不需要配置钢筋，因此大大节省了钢材耗量。当基础作用力较小时，掏挖基础的混凝土方量也比平板基础略小。但是当基础作用力较大时（例如500kV以上双回路杆塔）掏挖式基础比板式基础混凝土

10、耗量大，以500kV宣城至富阳输电线路工程中SZT23直线塔为例，指标分析如下表1：（指标均为单基耗量） 指 标 分 析表1基 础 类 型混凝土耗量（m3）钢 材 耗 量（kg）地 质 类 型平板基础13.21158.3硬塑土、土夹石掏挖基础15.6614.8平板基础8.2948.5中等、强风化岩石掏挖基础8.12570.76故对于基础作用力较大的塔型基础仍可以考虑采用柔性平板基础，可以在开挖方式上采用半掏挖的方式施工，同样能达到减少开方、保护环境的目的。但是这种开挖方式对施工的要求较高。而对于岩性非常好的塔位，可以适当采用岩石基础，这种基础和基岩连成一体，理论上不需要保护距离或上拔角的限制。

11、当然，采用加高基础立柱来实现减少土方量的目的，不失为一个很好的办法。通常在设计基础时，按加高露头处理，而在具体施工时则按加大埋深处理，保持露头不变，深埋主要是为了满足基础上拔角的要求，如图四。图四基础露头加高示意图原则上保护点以上的原状土体应予以保留，这实际上增加了基础的安全度，因此这种方法更趋于保守。山区的地形较为复杂，可能出现需要加高基础立柱的情况大概有以下两种：各塔腿间的高差较小，均小于高低腿的最小级差，这种情况不必采用高低腿配置，可以根据最高腿为基准，加高其它基础立柱露头的方法整平塔腿，如图五。图五基础露头加高做成平腿各塔腿间高差较大，为了满足高低腿级差而加高基础立柱，立柱加高露出地面

12、的范围一般可控制2m以内，并且在设计加高基础时，除了需要进行上拔和下压稳定计算外，必要时还需进行基础抗倾覆验算。2.2从铁塔设计考虑 目前山区铁塔一般均采用全方位高低腿，高低腿的级差应根据山区的实际地形配备，一般级差以11.5米为单位，最大级差达到7.59米。高低腿的设计很大程度上避免了基础施工对原状山体的破坏，但对于设计而言，第一个影响是按高低腿设计的铁塔基础作用力要比平腿设计的基础作用力大，以500kV龙政直流输电线路G5塔45m呼高的计算为例，基础作用力和塔材的差异如下表3。从表中可以看出，由于采用了全方位高低腿设计，基础作用力增加了大约10，塔材耗钢量增加了大约7。高低腿和平台的指标差

13、异表2设计方案塔腿最大高差基础作用力（kN）塔腿主材规格单基塔重（吨）上拔下压主材斜材平腿设计0469.87661.97L16014L100718.81高低腿设计4.5538.22730.2L16016L110820.13采用高低腿形式的基面，应注意高腿内边坡的稳定问题。以往对于在山区使用的铁塔，设计上要求尽量将根开减小，以减少铁塔的基面降低，但是当根开比较小、同时又采用大开挖时，内边坡稳定问题非常突出，由于开挖基坑需要满足一定的放坡要求，常常会出现高腿内边坡保护距离不够，必须采用挡土墙或护坡等补救措施，增加了不必要的工程量。而且，铁塔主材的内力随铁塔根开的减小而增大，这势必导致增加铁塔单基基

14、础的混凝土量和钢筋用量。避免这种情况最好的方法就是使用掏挖基础，由于掏挖基础的基坑开口仅比立柱稍宽，基面非常小，因此一般不会出现内边坡的问题。板式基础采用半掏挖施工方式时也能达到或接近掏挖基础的效果。当确定高低腿的配置时。为了尽可能减少开方量，就需要确定以哪条腿的标高为基准来确定其他塔腿的长度。理论上以四个基础中的任何一个作为标准都可以，通常可采用如下做法：以塔位中心桩为0.0标高，查看每个基础中心自然地面的标高之间的高差，将符合级差的塔腿基础标高作为参照点，其他基础与参照点比较，做适当的加高或开基面，以求符合高低腿级差。总的效果是达到开方量最小。但是，当铁塔根开较小时，常常会发生低腿的基坑放

15、坡影响到了高腿的基础稳定保护的土体。为了避免影响到高腿基础的安全，尽量保证低腿与高腿之间内边坡的山体为原状山体，应尽量以最低腿的标高为基准点。当然还有一种理想状况，就是四个基础之间的高差正好都是高低腿级配，并且基础露出自然地面而加高的高度在设计范围内，这种情况下理论上无需降基面。2.3从施工方面考虑。如何处理弃土，一直是山区工程需要考虑解决的问题。以往工程中开挖基坑回填过后产生的余土都是直接推下山坡，对环境影响很大，并且破坏了山区的整体景观和环境。弃土由于非常松散，等到植被覆盖需要几年的时间，一旦遇到集中的降雨，弃土被山上形成的汇水冲刷向下，还可能引起规模不等的泥石流，在以往工程中曾出现过类似

16、的情况，余土沿山间冲沟冲入山下的村庄，造成了一定的财产损失。虽然余土问题主要是施工单位考虑，但是在设计时应考虑对余土处理的说明和设计交底。例如龙政直流、三广直流施工中，施工单位在塔位下方用麻袋装土垒简易的土墙，降低开挖时余土影响的范围，对于运输方便的地区，要求将余土外运，在安全的地方妥善处理等。采用砌筑挡土墙的方式解决保护距离不够和余土问题。线路工程中的挡土墙设计和施工方法都比较简单，单基工程量并不大，但是也应该从设计和施工两方面认真加以研究，防止事故的发生。从以往工程的经验看，挡土墙倒塌的原因从设计角度分析主要有以下几种：a）对挡土墙周围地形调查了解不够，特别是挡墙后面有无排水设施（如截洪沟

17、）和它的排水走向。为了得到一个清晰的明确的概念，光坐在办公室看地形图往往不能解决问题，必须到现场实地踏勘。b）对各种自然因素估计不够，特别是集中在雨季的雨量和墙后的汇水面积。c）挡土墙排水要求考虑不周，其中主要是墙后汇水面上的地表水的排除易被忽略。d）山区地基软硬不均，地基强度相差很大，挡土墙又常需跨越很长地段，设计上有时忽略了变形缝位置应与地基强度相适应，致使挡土墙沉降不均，逐渐开裂而倒塌。e）土壤与基岩间因流水的侵蚀常形成一层软弱面。如果土体失去平衡，土壤就会沿此面滑动。有些挡土墙就是因为设计上没有考虑到这一层软弱面的滑动而倒塌的。特别是有的挡土墙在旱季施工，雨季雨水很大，部分雨水浸入软弱

18、面，虽然使用多年的挡土墙也会突然倒塌。从施工方面考虑，挡土墙倒塌的原因有如下几种：a）不按图纸施工，挡土墙灰浆强度不够，基面埋深不够或者没有达到要求的持力层上。b）抢进度，组砌方法不正确，砂窝、孔洞、干研缝都有。c）不按设计要求做好墙后排水，这是挡土墙倒塌的主要原因。很多挡土墙光见排水孔不见淌水，就是墙后填土没有按要求做好滤水层和隔水层，排水孔形同虚设，实际水还是流到墙基，软化地基造成挡土墙倒塌。此外，挡土墙建成后，墙后应按设计要求填土分层夯实，到墙顶标高处要及时封闭或采取必要的排水措施，防止地表水浸泡填土，增加土压力。d）有的挡土墙工程量大，采用分段施工，形成土体新的临空面。在雨水侵蚀下，土

19、壤临空面极易塌方。根据上面的分析，挡土墙是山区施工中达到环境保护目的的重要措施，但是它毕竟是一种补救开方量过大时的补救措施，适当的应用是必要的。但不可随意使用。另外，笔者认为在编制初步设计概算书时，是否可以考虑列入一笔施工结束后对塔位绿化的费用，这样可以促使施工单位增强环境保护的意识，提高工程的质量。3工程实例介绍在山区工程中，由于送电线路距离长、跨越区域广、沿途地形与地质条件复杂、地基土物理性质差异性较大，设计和施工需要考虑的边界条件较多，但其中最富变化和最难于定量分析的是地基问题，地基条件将直接影响和决定基础的选型与设计。现通过介绍500kV宣城至富阳输电线路工程个别塔基的基础处理，总结出

20、切实可行的经验方法，供线路结构专业的同行参考。以500kV宣城至富阳输电线路工程231塔（SKT60）为例：本塔立于山坡上，地质情况为中等风化岩石，线路前进方向左侧下方有盘山公路，距塔位中心桩仅为35米左右，山坡坡度约为35，若采用常规基础势必造成基面降方量巨大（本塔呼高高、基础根开大，初步估算需开土方为600 m3左右），而塔位附近有盘山公路，多余的弃土不易堆放，更不能直接堆到公路边，对来往车辆造成安全隐患，因此如何减少土方量、保证施工工期、减少对周边环境的影响、满足设计要求摆在了设计的面前。根据本塔实际使用档距，对本塔基础作用力进行了一定的折减（即采用实际的基础作用力），采用直柱式板式基础

21、，上拔角取0，在基础四周或三个面布置钢筋混凝土式挡土墙，挡土墙水平主筋插入山体中，形成环抱山体的趋势，从而使多余的弃土可以回填至挡土墙内，基础开方量大为降低，减少对周边环境的影响。水平主筋植入山体一方面可以使挡土墙连成一个整体，另一方面也可以承担水平推力的作用；而垂直锚筋所提供的抗拔力可有效地阻止该挡土墙基础联合体的倾覆问题。具体情况详见如下插图与照片。通过上述处理方法，使塔基基面降方量达到最低，从而达到节约工期、节省投资、保护环境等目的。以上观点供线路结构专业的同行参考，如有不同建议敬请提出宝贵意见。A腿A腿B腿B腿C腿C腿参 考 文 献1架空送电线路基础设计技术规定（DL/T 52192005）2建筑地基基础设计规范（GB 500072002）3500kV架空送电线路勘测技术规程（DL/T 51222000）4我国输电线路基础工程现状与展望（鲁先龙，程永锋 国电电力建设研究所电力建设2005年11月）作者简介：葛保斌：男，华东电力设计院电网处工程师。联系电话：02122015949；董建尧：男，华东电力设计院电网处送电结构主任工程师。联系电话：02122015941。