輸電線路淺海地區(qū)基礎選型研究

王智飛，劉 泉

（國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100095）

輸電線路路徑會受到廠區(qū)(站區(qū))地理位置的影響，線路在海中立塔的情況也時有發(fā)生。基礎工程是輸電線路工程體系的重要組成部分，選擇適合的基礎型式，對保障線路安全運行至關重要。

海陽核電500 kV線路工程為海陽核電廠1期2×1 250 MW機組接入系統(tǒng)送出工程，同時也是海陽核電廠第一備用電源，因此，保證該線路的安全運行至關重要。該線路出線段村莊密集，已無線路走廊通道，需在海中立2基鐵塔，其所經(jīng)海域距岸邊漁船碼頭200～300 m，上覆層為淤泥及細砂，海底為基巖，在該區(qū)域建設的鐵塔基礎受海水的腐蝕較強，同時受海潮波浪的影響，且在其周圍常有小型漁船活動，鐵塔基礎工作環(huán)境惡劣，工程實施具有一定難度。

1 基礎主要設計參數(shù)

1.1 水文氣象條件

線路所經(jīng)海域設計基準風速為31 m/s(基準高度為10 m)，地面粗糙度為A類。受潮位影響塔位自然地面高程為-0.80 m，常年潮水位為2.46 m，百年一遇高潮位淹沒水深為4.36 m。塔位受潮流、波浪共同作用引起的沖刷深度為3.12 m。

1.2 地質(zhì)條件

(1)粉細砂，松散、飽和、級配不良；地基土承載力特征值fak=70 kPa，層厚為0～3.80 m。

(2)粉質(zhì)粘土混粉細砂，呈軟塑狀態(tài)、飽和；地基土承載力特征值fak=70 kPa，層厚為3.80～6.30 m。

(3)粉質(zhì)粘土，呈可塑狀態(tài)，局部混碎石，碎石粒徑一般為0.50～1.50 cm；地基土承載力特征值fak=120 kPa，層厚為6.30～8.50 m。

(4)泥質(zhì)砂巖，全風化呈硬土狀，原巖組織結(jié)構(gòu)完全破壞；地基土承載力特征值fak=260 kPa，層厚為8.50～13.50 m。

(5)砂巖，強風化呈碎塊狀；地基土承載力特征值fak=350 kPa，層厚為13.50～15.00 m。

(6)砂巖，中等風化、細粒結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造；地基土承載力特征值fak=800 kPa。

根據(jù)GB18306—2001《中國地震動峰值參數(shù)區(qū)劃圖》，線路沿線地震動峰值加速度為0.05 g(相應地震基本烈度為6度)，不考慮地震液化的影響。

1.3 設計荷載

設計荷載主要考慮鐵塔正常荷載、涌潮荷載等，波浪力及水流力作為基本可變荷載參與荷載組合。計算考慮正常的地面高程和百年一遇潮水作用下塔基發(fā)生局部沖刷時的最低地面高程2種情況與各相應荷載工況的組合，最大基礎作用力如表1所示。

表1 基礎作用力設計值kN

2 基礎方案設計

根據(jù)工程地質(zhì)情況，提出以下3種基礎設計方案?；A施工方式為，施工前根據(jù)地基處理范圍設置圍堰，施工完成后向圍堰內(nèi)回填土，作為永久性圍堰，以防御船只沖撞并方便運行維護。

2.1 方案1：方臺階式基礎+地基處理

該方案主要通過振沖碎石樁對9.00 m深度內(nèi)的軟弱地基土進行處理。振沖法適用于碎石土、砂土、粉土、人工填土等地基加固處理，在水電水利工程中有成熟的應用經(jīng)驗。振沖碎石樁樁徑為1.00 m，中心間距為1.50 m，處理后地基承載力特征值不低于120 kPa。處理后清除表層1.00 m范圍內(nèi)的土層，使基礎底面嵌入處理層1.00 m深。臺階式獨立基礎表面刷防腐涂料，以抵抗海水侵蝕。

基礎上拔荷載由基礎自重及上覆土抵抗，由于基礎主柱懸臂較大，為提高其抗彎能力及減小基礎柱頂位移，基礎主柱采用變截面圓臺結(jié)構(gòu)。經(jīng)估算，需處理地基范圍為35.00 m×35.00 m，基礎底板寬為11.00 m×11.00 m， 基礎高度為8.50 m。

由表2可知，基礎下壓、上拔承載力均滿足要求，擬定的基礎型式基本合理。

表2 方案1基礎計算成果

2.2 方案2：復合沉井式基礎

該方案的基礎上部為重力式基礎，下部為薄壁鋼筋混凝土沉井。開挖基坑時，沉井作為坑壁支護結(jié)構(gòu)，使開挖工作得以順利進行，施工完畢后沉井成為基礎本體的一部分。

該方案的整個筒身高為9.00 m，穿透淤泥層，作用于基巖上。筒身每組裝一段后，開始下沉，如此往復，直至達到指定標高。沉井自重下沉系數(shù)見式(1)：

式(1)中：Q為井自重重力；F為沉井下沉過程所有最大浮力；h為最大下沉深度；l為沉井外壁周長；f為單位摩阻力，取土層單位摩阻力加權(quán)平均值。

f按式(2)計算:

式(2)中：fi為第i層土單位摩阻力，kPa；hi為第i層土層厚度，m；n為沿沉井下沉深度不同類別的土層。

沉井尺寸為15.00×15.00 m，混凝土容重為25.00 kN/m3，由各土層摩阻力可得f=(15×3.80+18.00×2.50+30.00×2.70)/(3.80+2.50+2.70)=20.30 kN/m2。代入(1)式計算可得K=0.97，由此可知，沉井自重基本能滿足下沉要求。為保證其順利下沉，可沿井外壁周圍灌水，以減少阻力，加快下沉速度。井筒在下沉過程中，應保持不間斷開挖，以防止井筒出現(xiàn)偏位或傾斜。

沉井就位后，在井筒內(nèi)部回填碎石土，并用混凝土封閉頂面，然后在沉井上建設臺階式基礎，該方案如圖1所示。

2.3 方案3：群樁式高樁承臺基礎

群樁式高樁承臺為海岸碼頭和橋墩基礎的常見結(jié)構(gòu)，由基樁和上部承臺組成。設計時需對樁徑、樁長、樁數(shù)、承臺尺寸和布置高程進行比較選擇分析。為節(jié)省材料、減小波浪水流對承臺的作用，承臺的尺寸需按照滿足樁身凈距和上部構(gòu)造要求的最小尺寸確定。

圖1 復合沉井式基礎

經(jīng)優(yōu)化設計采用9根基樁，樁徑為1.40 m，單根樁長為16.00 m，樁基入土深度為15.20 m，樁尖進入中風化砂巖層。承臺厚度為2.00 m，寬度為11.60 m，承臺柱頂高程為4.50 m，露出常年水位2.00 m，以方便上部結(jié)構(gòu)施工。承臺樁基礎布置如圖2所示。

由于基礎圍堰在樁基礎施工完成后回填，且圍堰內(nèi)土并非原狀土體，其對樁基礎承載力的有利影響有限，因此計算時不考慮圍堰土體對承臺樁基礎的作用，按照高樁承臺基礎計算程序進行。該程序的編制基于m法。由群樁基礎單樁偏心荷載下壓穩(wěn)定計算：

單樁或群樁非整體破壞時基樁上拔承載力：

式(3)和(4)中：qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值；qpk為極限端側(cè)阻力標準值；Ψsi，Ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應系數(shù)；u為樁表面周長；λi為抗拔系數(shù)。

承臺樁水平位移根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》附錄C.0.3計算，其中樁水平變形系數(shù)α為：

式(5)中：m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b0為樁身的計算寬度；EI為樁身抗彎剛度。

圖2 承臺樁基礎布置

通過計算，承臺樁基礎由水平變形位移控制，單樁承載力滿足要求且有一定裕度，計算結(jié)果如表3所示。

表3 方案3基礎計算成果

由表3可知，計算樁身內(nèi)力、應力，樁基在水平面處水平位移均滿足要求，該基礎方案合理。

3 基礎型式選擇

根據(jù)以上3種基礎型式的設計方案，從基礎結(jié)構(gòu)特點、施工條件及經(jīng)驗、適用的自然條件、基礎總造價等方面進行比較(見表4)，選用群樁式高樁承臺基礎為海陽核電500 kV送出工程淺?；A。

表4 3種基礎方案綜合比較

由于海水對樁身具有腐蝕性，基樁外設鋼護筒，鋼護筒壁厚由海水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕速率和鋼護筒施工2個因素確定。選取鋼護筒上段4.00 m長壁厚δ=14.00 mm，下段壁厚δ=16.00 mm，并保證鋼護筒下端部進入風化巖石基面以下不小于1.00 m；鋼護筒上段與承臺底部鋼筋焊接澆筑后伸入承臺，如圖3所示。

由于鋼護筒長徑比和徑厚比均比較大，采用打樁方式直接將鋼護筒打入基巖難度大，施工時先使用鉆孔機械成孔至鋼護筒規(guī)定的基巖底部，后將鋼護筒落入樁孔。灌注樁采用反循環(huán)工藝成孔或清孔，每根樁的混凝土一次澆成。施工順序依次為：鉆孔—落入鋼護筒—鉆樁孔至設計深度-澆筑樁身混凝土—鑿樁頭并回灌至設計樁長—焊接鋼護筒外壁鋼筋爪—鋼爪焊接處噴鋅并外刷防腐劑—鋪設混凝土墊層—綁扎承臺鋼筋、澆筑承臺混凝土—承臺外刷防腐劑—回填夯實圍堰。

圖3 承臺表面及鋼護筒外防腐示意

1 DL/T5214—2005水電水利工程振沖法地基處理技術規(guī)范[S].

2 何廣訥．振沖碎石樁復合地基[M]．北京：人民交通出版社，2001.

3 潘 琳，呂 平，趙鐵軍，等．海工鋼筋混凝土的腐蝕與防護[J]．建筑施工，2005(11).

4 方孝伍．500 kV線路海中鐵塔基礎設計[J]．電力勘測設計，2010(6).

5 JGJ94—2008建筑樁基技術規(guī)范[S].