魯固特高壓直流黃河大跨越基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

張麗娟，姚元璽

（山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

魯固特高壓直流工程跨越黃河線路長(zhǎng)度3.702 km，跨越斷面處兩岸大堤寬約3.3 km，主河槽距離左岸較近，寬約600 m，左岸灘地寬約700 m，右岸灘地寬度約2 000 m，右岸灘地較左岸灘地開(kāi)闊。左岸灘地直線跨越塔位于黃河主河槽人工約束石頭堤防外側(cè)，右岸灘地須立兩基直線跨越塔。

大跨越桿塔產(chǎn)生的基礎(chǔ)作用力較大，地質(zhì)條件差，設(shè)計(jì)洪水位較高，水文沖刷深度大，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需特殊考慮。結(jié)合黃河跨越段的地質(zhì)情況、水文特點(diǎn)、跨越塔基礎(chǔ)受力特點(diǎn)，對(duì)跨越塔的基礎(chǔ)型式、布置方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，介紹了基礎(chǔ)計(jì)算的外部荷載組合以及結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，保障大跨越基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，減少了施工對(duì)環(huán)境的破壞，施工的可操作性和質(zhì)量的可控制性強(qiáng)。

1 地質(zhì)水文條件

1.1 水文條件

線路黃河跨越處設(shè)防水位為17.85 m，50 年河床淤積抬高后，設(shè)防水位為21.98 m。根據(jù)工程防洪評(píng)估報(bào)告，設(shè)防流量洪水條件下，灘地三基跨越塔位最大沖刷水深分別為11.46 m、14.49 m、14.49 m，對(duì)應(yīng)的最大沖刷深度分別為7.28 m、11.01 m、9.11 m。

黃河下游河道由西南流向東北，由于河道緯度的差異，導(dǎo)致平均氣溫下段比上段低3～4 ℃，下段封河早、開(kāi)河晚、冰層厚；上段封河晚、開(kāi)河早、冰層薄。封河時(shí)下端封河早，易形成冰塞阻塞河道，壅高水位，漫灘受災(zāi)。灘地流冰要素參考主槽一般年份流冰要素確定，冰塊尺寸為50 m×50 m，最大冰厚0.4 m，最大冰速按1.0～2.5 m／s 考慮。

對(duì)于灘地塔位，須考慮洪水期漂浮物的影響，伴隨洪水漂浮物主要為樹(shù)木、農(nóng)作物、房梁、柴草等。樹(shù)木一般長(zhǎng)20 m 左右、樹(shù)干直徑0.3～0.4 m，房梁一般長(zhǎng)5 m、直徑0.4 m 左右，農(nóng)作物、高稈作物一般長(zhǎng)3 m 左右。

1.2 地質(zhì)條件

跨越段塔位地處黃河漫灘，巖性主要有黏土、粉土和砂土。地層上部粉土為褐黃色，稍密，濕或很濕，局部夾粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂薄層；粉質(zhì)黏土為褐黃色，軟塑狀態(tài)為主，局部可塑狀態(tài)；粉細(xì)砂為灰黃色，松散，飽和，夾粉質(zhì)黏土薄層。地層下部粉土為灰黃色，稍密或中密，很濕，局部夾粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土薄層；粉質(zhì)黏土為灰黃色，可塑或硬塑狀態(tài)，局部軟塑狀態(tài)；粉細(xì)砂為褐黃色，中密或密實(shí)，飽和。

勘探深度內(nèi)地下水類(lèi)型第四系孔隙潛水，主要賦存于粉土、砂土地層中，勘測(cè)期間地下水穩(wěn)定水位埋深為0～3.6 m，塔基處常年最高水位埋深接近自然地表。

塔位處場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟土，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，參照GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)地地震基本烈度為7 度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.65 s，同時(shí)場(chǎng)地分布有全新世（Q4）粉土、砂土，應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地土地震液化判別［1］。按照標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果，擬建場(chǎng)地屬中等或嚴(yán)重液化場(chǎng)地，最大液化深度20 m。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 基礎(chǔ)型式

大跨越桿塔基礎(chǔ)負(fù)荷大，沖刷深，黃河冰凌及漂浮物沖擊力大，且基礎(chǔ)懸臂高度較大，水平荷載將對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生明顯的附加彎矩，因此跨越塔基礎(chǔ)須在滿(mǎn)足豎向承載力的同時(shí)具有足夠的抗彎和抗傾覆能力。在眾多鐵塔基礎(chǔ)型式中，樁基滿(mǎn)足此要求。由于樁基有特殊的施工工藝，其埋置深度不受限制，而且有承載能力高、穩(wěn)定性能好、基礎(chǔ)沉降小且均勻、便于機(jī)械化施工、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外多條大跨越輸電線路中河道內(nèi)立塔都采用了不同組合方式的樁基，并且有長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。本工程灘地內(nèi)跨越塔的樁基礎(chǔ)型式選擇鉆孔灌注樁，因跨河塔基礎(chǔ)作用力大，單樁基礎(chǔ)已難以滿(mǎn)足，推薦采用群樁承臺(tái)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，并在承臺(tái)之間設(shè)置連梁，可有效提高樁基礎(chǔ)的水平荷載承載能力，改善上部鐵塔結(jié)構(gòu)受力。

對(duì)跨越塔ZKT-139 基礎(chǔ)按四樁、九樁方案對(duì)比計(jì)算，本體造價(jià)按混凝土1 000 元／m3、鋼材5 000 元／t測(cè)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 直線跨越塔基礎(chǔ)材料量及造價(jià)比較

通過(guò)表1 可知，采用四樁承臺(tái)方案的本體費(fèi)用較低，因此跨越直線塔基礎(chǔ)推薦采用四樁高承臺(tái)灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 基礎(chǔ)布置

多樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的灌注樁基礎(chǔ)中所有樁的配筋和設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均相同，由于一般選取內(nèi)力最大樁的鋼筋配置和樁長(zhǎng)作為計(jì)算依據(jù)，因此灌注樁基礎(chǔ)優(yōu)化的關(guān)鍵是調(diào)整承臺(tái)及立柱的布置方式，盡量使各樁基受力趨于均勻，樁基及承臺(tái)布置如圖1—圖3 所示。

常規(guī)的A 型樁基，各樁受力相對(duì)最不均勻，外側(cè)樁受力最大，內(nèi)側(cè)樁最小。立柱為雙向偏心受拉控制。

B 型樁基，承臺(tái)和樁基旋轉(zhuǎn)45°（立柱不旋轉(zhuǎn)），外側(cè)兩樁受力最大，內(nèi)側(cè)兩樁受力最小。立柱為單向偏心受拉控制。

C 型樁基，承臺(tái)45°擺放同時(shí)立柱偏心?；A(chǔ)合力對(duì)承臺(tái)底產(chǎn)生的彎矩接近為零，各樁基本均勻受力。立柱基本為軸向受拉控制。

圖1 A 型承臺(tái)布置

圖2 B 型承臺(tái)布置

圖3 C 型承臺(tái)布置

承臺(tái)45° 擺放后（B 型），灌注樁樁長(zhǎng)較常規(guī)樁基（A 型）減少。立柱偏心可進(jìn)一步減小樁基長(zhǎng)度或樁徑，且由于偏心抵消了部分水平力產(chǎn)生的彎矩，各樁受力更加均勻，樁鋼筋量顯著下降。

通過(guò)比較，對(duì)于大跨越直線塔灌注樁基礎(chǔ)，推薦采用承臺(tái)45° 擺放加立柱偏心的布置型式，偏心量根據(jù)作用力的大小來(lái)優(yōu)化取值。

2.3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 荷載組合條件

當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置在堤外（迎水面）灘地時(shí)，應(yīng)考慮流水壓力、水流沖刷、漂流物等作用，荷載組合工況包括：1）最大風(fēng)荷載和相應(yīng)的沖刷深度（宜取最大沖刷深度的50%～70%），荷載組合系數(shù)為1.0；2）最大沖刷深度和50%設(shè)計(jì)風(fēng)荷載，荷載組合系數(shù)為1.0；3）最大沖刷深度和50%設(shè)計(jì)風(fēng)荷載并同時(shí)考慮漂流物及水流的作用，所有荷載組合系數(shù)均取0.75[2]。

經(jīng)計(jì)算比較，工況1）對(duì)大跨越基礎(chǔ)內(nèi)力起控制作用。

2.3.2 基礎(chǔ)抗震計(jì)算

本黃河跨越段屬中等或嚴(yán)重液化場(chǎng)地，最大液化深度20 m，采用灌注樁基礎(chǔ)穿透液化土層，同時(shí)樁深入非液化土的長(zhǎng)度由計(jì)算確定，且對(duì)于碎石土、礫、粗、中砂，堅(jiān)硬黏土和密實(shí)粉土，樁端深入深度不應(yīng)小于3～5 倍樁徑，對(duì)其他非巖石土不宜小于1.5 m［3］。

鉆孔灌注樁基礎(chǔ)需同時(shí)滿(mǎn)足常規(guī)計(jì)算方法和地基液化后計(jì)算方法的要求，其中地震工況下大跨越桿塔基礎(chǔ)作用力計(jì)算條件及結(jié)果如下所述。

地震工況下桿塔基礎(chǔ)作用力的計(jì)算條件為：跨越塔場(chǎng)地50 年超越概率10%（設(shè)防地震）的地表水平地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為2 組，Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地類(lèi)別，阻尼比0.03。

桿塔地震作用采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，進(jìn)而和其他外荷載產(chǎn)生的影響進(jìn)行荷載效應(yīng)組合［4］，公式為

式中：γG為永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利時(shí)取1.0，不利時(shí)取1.2，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)抗傾或抗滑移時(shí)取0.9；γEh、γEV分別為水平、豎向地震作用分項(xiàng)系數(shù)，應(yīng)按表2 規(guī)定確定；SGE為永久荷載代表值的效應(yīng)；SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；SEVK為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；γEQ為導(dǎo)線、地線張力可變荷載的分項(xiàng)綜合系數(shù)，取0.5；SEQK為導(dǎo)線、地線張力可變荷載代表值的效應(yīng)；SWK為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；ΨWE為地震基本組合中風(fēng)荷載組合系數(shù)，可取0.3。

表2 地震作用分項(xiàng)系數(shù)

振型分解反應(yīng)譜法得到的大跨越直線塔的地震工況下與常規(guī)工況下基礎(chǔ)作用力對(duì)比如表3 所示。

表3 不同工況下大跨越直線塔基礎(chǔ)作用力對(duì)比 kN

2.3.3 基礎(chǔ)連梁設(shè)計(jì)

由于灘地處大跨越塔基礎(chǔ)水平作用力較大，且受洪水位影響基礎(chǔ)露出地面高度較高，因此水平位移是樁水平承載力的重要指標(biāo)，在4 個(gè)基礎(chǔ)承臺(tái)之間設(shè)置連梁，可顯著降低樁頂?shù)乃轿灰朴?jì)算值。由于承臺(tái)之間跨度較大，如果采用鋼筋混凝土連梁則其截面計(jì)算尺寸太大，或者須在連梁跨中位置設(shè)置支撐樁來(lái)降低梁的截面尺寸，因此推薦連梁采用抗彎剛度較大的鋼管結(jié)構(gòu)，相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，一方面節(jié)省材料用量，另一方面與鐵塔攀爬機(jī)連接構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，施工方便，施工周期短。連梁形成了基礎(chǔ)的整體性，對(duì)基礎(chǔ)水平力具有傳遞作用，單個(gè)基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，水平力取基礎(chǔ)作用力中水平力的一半。連梁與基礎(chǔ)承臺(tái)之間的連接屬于固定連接，會(huì)產(chǎn)生梁端彎矩，但由于大跨越基礎(chǔ)線剛度及轉(zhuǎn)角剛度較大，相比之下連梁的彎曲剛度較小，連梁端部的計(jì)算彎矩值相對(duì)較小，最終選取連梁鋼管材質(zhì)為Q345，管徑為630 mm，壁厚12 mm。長(zhǎng)度16.064 m，錨入承臺(tái)4.5 m，并在鋼管端部灌注C35 混凝土。

跨越塔位于高樁承臺(tái)之上，桿塔與現(xiàn)有地面之間的距離較大，為方便施工及運(yùn)維上下鐵塔，跨越塔基礎(chǔ)需設(shè)置爬梯，承臺(tái)預(yù)埋錨栓與爬梯角鋼相連，人員攀爬時(shí)，將活動(dòng)爬梯掛在固定爬梯上。

2.4 基礎(chǔ)檢測(cè)

按照J(rèn)GJ 106—2003 《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的檢驗(yàn)方法［5］對(duì)承臺(tái)樁采用聲波透射法進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，并抽檢每個(gè)塔腿基礎(chǔ)的兩根樁進(jìn)行大應(yīng)變檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，樁身質(zhì)量?jī)?yōu)良，完整性好，承載能力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

黃河跨越段水文、地質(zhì)情況復(fù)雜，跨越塔基礎(chǔ)采用受力性能良好的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)；優(yōu)化承臺(tái)布置，改善樁基受力，采用承臺(tái)45° 擺放+立柱偏心的布置型式；針對(duì)水文沖刷深度大的特點(diǎn)選取最不利基礎(chǔ)荷載組合，精確進(jìn)行抗震計(jì)算，優(yōu)化連梁設(shè)計(jì)，確保大跨越基礎(chǔ)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。