方孝伍

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

500kV線路海中鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

方孝伍

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

莆田L(fēng)NG電廠500kV線路送出工程需在海中立塔，鐵塔基礎(chǔ)采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)型式，樁基采用斜鋼管樁。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元整體分析，得到每一根樁的內(nèi)力和位移，為工程的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

海中基礎(chǔ)；高樁墩臺(tái)；鋼管樁；有限元；水平荷載。

1 工程概況

莆田L(fēng)NG電廠～莆田500 kVI、II回線路工程是國(guó)家重點(diǎn)工程莆田L(fēng)NG電廠的配套送出工程，也是福建電網(wǎng)接受新能源發(fā)電的里程碑工程，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首條500 kV同塔雙回海上大跨越輸電線路。該線路起于莆田L(fēng)NG電廠，至莆田500 kV變電站。線路沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、村莊密集、土地資源十分寶貴，輸電線路采用架空跨越的方式穿過(guò)湄洲灣，需在海中立一基鐵塔。

工程區(qū)域?yàn)l臨臺(tái)灣海峽，臺(tái)風(fēng)盛行，受臺(tái)風(fēng)暴潮的影響，潮位波動(dòng)范圍大，波浪破壞力大，海水腐蝕能力極強(qiáng)；基礎(chǔ)位置附近有較大船只通過(guò)，需考慮可靠的防撞防護(hù)措施保證基礎(chǔ)安全。鐵塔基礎(chǔ)工作環(huán)境惡劣，施工條件復(fù)雜，工程實(shí)施難度很大。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

2.1 水文氣象條件

工程海域受臺(tái)灣海峽兩側(cè)山脈和季風(fēng)環(huán)流的影響，具有典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候特征。多年平均氣溫20.3℃，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速40.6 m/s，臺(tái)風(fēng)影響時(shí)極大風(fēng)速值估算為55.1 m/s。

海區(qū)的潮汐為正規(guī)半日潮型，設(shè)計(jì)高潮位3.70 m，設(shè)計(jì)低潮位-2.98 m，重現(xiàn)期為100年的年極值高潮位5.12 m，極值低潮位-3.83 m。臺(tái)風(fēng)暴潮對(duì)湄洲灣的危害嚴(yán)重，在重現(xiàn)期潮位推算所用的年極值潮位中已包括風(fēng)暴潮影響值，故風(fēng)暴潮的影響不另考慮。

百年一遇高潮位下累積頻率1%的波高H1%為2.52 m。百年一遇高潮位下50年一遇H1%靜水面以上的波峰面高度：

η0=0.66×2.52=1.66 m(η0按《海港水文規(guī)范》8.3.2.1計(jì)算)

最大漲潮流速0.65 m/s，最大落潮流速0.45 m/s。

2.2 地形及地質(zhì)條件

湄洲灣岸線曲折，主要由基巖海岸組成，局部出現(xiàn)淤泥質(zhì)、砂質(zhì)海岸，基礎(chǔ)位于海灣中部，灘涂、淺海地貌，地基土層主要由海積土層以及花崗巖及其風(fēng)化層組成，自上而下描述如下：

①淤泥，灰黑色，海積，流塑，飽和，主要成分為粘土礦物，含少量粉細(xì)砂，含腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、貝殼等，稍有腥臭味，韌性中等，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖振反應(yīng)。一般厚度4 m～5 m。

②粉質(zhì)粘土混卵石，灰色、灰黃等色，海積，稍密，飽和，粘性土以軟塑為主，局部可塑，很濕～飽和，含粘粒、砂團(tuán)等及有機(jī)質(zhì)；卵石磨圓較差，分選差，級(jí)配差，主要成分中風(fēng)化花崗巖碎塊，粒徑多為2 cm～10 cm，少量超過(guò)10 cm。本層成分分布不均勻，多數(shù)地段以粘性土為主，局部以卵、碎石為主。層厚一般3.1 m～5.3 m。重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)表明，最大擊數(shù)約19擊/10 cm，一般8～14擊/10 cm。

③砂質(zhì)粘性土，殘積，土黃色，含15%～25%中粗砂，混中風(fēng)化孤石、底部見(jiàn)原巖結(jié)構(gòu)，粘性差，遇水易軟化，易沖刷，土呈稍濕、硬塑狀態(tài)，厚度變化大，局部缺失。本基鉆探未揭露。

④全風(fēng)化花崗巖，褐黃色，呈可～硬塑粘性土狀，主要成分為長(zhǎng)石風(fēng)化而成的粘性土、少量石英，原巖結(jié)構(gòu)依稀可辨。一般厚度1 m～5 m。

⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(砂土狀)，褐黃色，散體狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)石已全部風(fēng)化成土狀，含約10%～20%石英顆粒，原巖結(jié)構(gòu)可辨，手搓即成砂土狀。本層一般厚度20 m～40 m。

⑥強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(碎塊狀)，褐黃色、淺灰色，斑雜狀、碎裂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，長(zhǎng)石部分風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)完整，解理裂隙發(fā)育，球狀風(fēng)化嚴(yán)重。一般厚度4 m～7 m。

⑦中風(fēng)化花崗巖，淺灰、灰白等雜色。中粒結(jié)構(gòu)為主，塊狀構(gòu)造，主要成分石英、長(zhǎng)石、云母等，裂隙較發(fā)育。厚度大于10 m。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001)，本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜設(shè)計(jì)特征周期為0.35 s。

3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式、樁型選擇及結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)型式

高樁墩式承臺(tái)(高樁墩臺(tái))結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)是利用打入地基一定深度的樁，將作用在基礎(chǔ)上的荷載傳至地基中，墩臺(tái)高出水面，不受波浪力及浮托力，根據(jù)工程海域的地質(zhì)條件，基礎(chǔ)采用此種結(jié)構(gòu)型式。

3.2 樁型方案比選

3.2.1 沖(鉆)孔灌注樁

鉆(沖)孔灌注樁樁徑、樁長(zhǎng)可根據(jù)設(shè)計(jì)需要確定，采用一定護(hù)壁成孔措施，灌注樁可用于各種復(fù)雜的地質(zhì)，適用范圍廣。其水上施工技術(shù)成熟，無(wú)需大型起重設(shè)備，施工用鋼護(hù)筒既作為施工期的工作平臺(tái)支撐又可兼作樁基防腐之用。其缺點(diǎn)是：為提高基礎(chǔ)剛度及抵抗水平力的能力，滿足水平位移的要求，只能通過(guò)增加樁數(shù)、放大樁徑來(lái)滿足水平承載及變形要求；施工時(shí)需搭設(shè)施工平臺(tái)，工期長(zhǎng)。

3.2.2 預(yù)應(yīng)力管樁

預(yù)應(yīng)力管樁具有單樁承載力高、單位承載力價(jià)格便宜、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛橋梁及房屋建筑工程等，但由于本工程地質(zhì)條件的限制，樁的入土深度較淺，不能滿足承載能力要求。

3.2.3 鋼管樁

鋼管樁具有自重輕、抗彎能力強(qiáng)、施工過(guò)程穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，而且可以設(shè)計(jì)成斜樁，大大增強(qiáng)了抵抗水平荷載的能力，水上鋼管樁的施工采用打樁船，沉樁速度快，可利用工程樁搭設(shè)墩臺(tái)澆筑平臺(tái)，工期短。本工程采用鋼管樁樁基型式。

4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 基礎(chǔ)作用力

⑴永久作用：鐵塔平臺(tái)自重力

⑵可變作用：鐵塔根部作用力、波浪力、水流力

⑶偶然作用：地震作用

4.2 樁土相互作用分析模型

墩臺(tái)結(jié)構(gòu)樁基泥面以下考慮樁、土的相互作用，采用m法設(shè)置土體彈簧，模擬樁、土間相互作用。在樁水平(兩個(gè)方向)和樁底分別用彈簧約束

水平彈簧(地基反力系數(shù))剛度的計(jì)算：

式中：K為地基的反力系數(shù)(kN/m)；m為土的水平地基抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)(kN/m4)A為土的作用面積(m2)A=2DΔZ；D為樁的外徑(m)；ΔZ為計(jì)算土的作用范圍(m)；z為計(jì)算點(diǎn)的深度(m)。

樁的軸向反力系數(shù)即樁在單位軸向力作用下的樁頂軸向位移按下式計(jì)算：

樁底彈簧軸向反力系數(shù)：

式中：K為樁軸向反力系數(shù)，即樁在單位軸向力作用下的樁頂軸向位移(m/kN)；k為樁底軸向彈簧反力系數(shù)，即單位軸向力作用下彈簧的軸向位移(m/kN)；L0為樁在泥面以上長(zhǎng)度(m)；L為實(shí)際模型中樁長(zhǎng)度(m)；Ep為樁材料的彈性模量(kPa)；AP為樁身橫截面面積(m2)；C為樁入土部分的單位沉降所需的軸向力，其沉降值包括土中樁身的壓縮變形與樁端下土的沉降變形兩部分(kN/m)；Qud為單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)。

4.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本結(jié)構(gòu)承臺(tái)頂標(biāo)高10.2 m，平面尺寸40.2 m×40.2 m，高度3 m，中間部分挖空，采用聯(lián)系梁連接作為架爬梯的平臺(tái)。墩臺(tái)為空間剛性梁?jiǎn)卧?，樁基為線彈性空間梁?jiǎn)卧⒍张_(tái)與樁基相連的節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，樁基與墩臺(tái)相連的節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，各單元通過(guò)節(jié)點(diǎn)互相連接；從節(jié)點(diǎn)在整體坐標(biāo)系下的位移和轉(zhuǎn)角用剛性墩臺(tái)主節(jié)點(diǎn)在整體坐標(biāo)系下的位移和轉(zhuǎn)角表示。在樁水平(兩個(gè)方向)和樁底分別用彈簧約束模擬樁、土間相互作用。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.4 計(jì)算結(jié)果及分析

在不同風(fēng)向的風(fēng)荷載作用下，共計(jì)算了承載能力極限狀態(tài)下8種工況的樁基的內(nèi)力和位移，最大壓樁力見(jiàn)圖2，水平位移見(jiàn)圖3。

圖2 不同工況下壓樁力(+表示壓力；-表示拉力)

圖3 不同工況下水平位移

由圖2、3可知，不同工況下的鋼管樁的最大壓力為5133 kN，最大上拔力為605 kN；最大水平位移為9.56 mm。

施工完成后對(duì)其中5根基樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，單樁豎向極限承載力最小值為14580 kN，樁側(cè)阻力7820 kN。因此，高墩樁臺(tái)結(jié)構(gòu)在上部荷載作用下產(chǎn)生的最大、最小壓樁力均小于樁的實(shí)際承載能力。不同工況下的水平位移均小于10 mm，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐表明，跨海輸電線路鐵塔基礎(chǔ)采用鋼管樁高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)是可靠的，該結(jié)構(gòu)已經(jīng)受了臺(tái)風(fēng)“鳳凰”的考驗(yàn)，工程的建成為沿海輸電線路路徑的選擇多了一條可行的途徑。

[1] JTJ 254-98，港口工程樁基規(guī)范[S].

[2] JTJ 291-98，高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[3] 胡人禮.橋梁樁基設(shè)計(jì)[M].北京：人民鐵道出版社，1987.

Design of Iron Tower Foundation in Sea in 500kV Transmission Line

FANG Xiao-wu
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)

The transmission line of Putian LNG power station lay a tower in the sea, the type of tower foundation is highlevel platform, the support system is oblique steel pipe. Through analysis of the whole structure, calculate the inner force and the displacement, in order to supply basis for engineering design.

foundation in sea; high-level platform; steel pipe; FEM; horizontal load.

TM75

B

1671-9913(2010)06-0065-04

2010-07-12

方孝伍(1978-)，男，碩士，工程師，從事電力土建設(shè)計(jì)工作。