王茂成，趙永春，劉樹華，楊忠波，郭松宇

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長島宏園建筑安裝工程有限責任公司，山東 長島 265800）

粘土層鐵塔基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟分析

王茂成1，趙永春2，劉樹華1，楊忠波3，郭松宇1

（1.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.能拓電力股份有限公司，江蘇 南京 210009；3.長島宏園建筑安裝工程有限責任公司，山東 長島 265800）

目前，粘土層35～220 kV直線塔基礎(chǔ)大多為柔性板式基礎(chǔ)和原狀土掏挖基礎(chǔ)。按照國家電網(wǎng)公司機械化施工的標準化設(shè)計要求，對110～220 kV直線塔在平原粘土層地質(zhì)條件下的剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)進行技術(shù)經(jīng)濟分析。根據(jù)基礎(chǔ)作用力大小不同，原狀土掏挖基礎(chǔ)單位造價較臺階基礎(chǔ)和板式基礎(chǔ)節(jié)省，具體節(jié)省造價在統(tǒng)計范圍內(nèi)呈正態(tài)分布；當基礎(chǔ)上拔力小于臨界點時，宜選用剛性臺階基礎(chǔ)；當基礎(chǔ)上拔力大于臨界點時，宜選用柔性板式基礎(chǔ)。

粘土層；剛性臺階基礎(chǔ)；柔性板式基礎(chǔ)；原狀掏挖基礎(chǔ)；臨界點

0 引言

目前，國家電網(wǎng)公司和各省電力公司在架空輸電線路可行性研究及初設(shè)審查階段，要求平原粘土層35～220 kV直線塔基礎(chǔ)為清一色的柔性板式基礎(chǔ)和原狀土掏挖基礎(chǔ)。2016年3月，為持續(xù)提升智能電網(wǎng)工程建設(shè)能力，提升施工技術(shù)水平，推進施工企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，國家電網(wǎng)公司提出了推進施工技術(shù)裝備創(chuàng)新和全過程機械化施工的工作要求。要求努力改變以人工為主的傳統(tǒng)施工方式，按照“先進性、專業(yè)化、標準化、系列化”的原則，加強施工技術(shù)和裝備創(chuàng)新。要求全過程統(tǒng)籌兼顧，各專業(yè)協(xié)同配合，系統(tǒng)開展設(shè)計方法、技術(shù)裝備、施工工藝創(chuàng)新。在設(shè)計方面，形成滿足機械化施工的標準化設(shè)計；在施工裝備方面，形成系列化裝備及標準配置方案；在現(xiàn)場施工方面，形成全過程機械化施工的標準工藝。全面推進物料運輸、基礎(chǔ)開挖、混凝土澆筑、組塔架線、接地敷設(shè)等全過程機械化施工。

目前，在基礎(chǔ)設(shè)計方面，土層旋挖鉆機成孔原狀掏挖基礎(chǔ)［1-11］和錨桿鉆機巖層擴底錨桿基礎(chǔ)［12-15］已得到全面推廣，效果顯著。然而，一些不便使用旋挖鉆機的直線塔位和轉(zhuǎn)角塔位以及地質(zhì)承載力較差的塔位，若選擇人工掏挖基礎(chǔ)，需要采取護壁裝置措施防止塌方傷人，工藝復(fù)雜，費時費力。以往采用的剛性臺階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)中，柔性板式基礎(chǔ)需要提前做基礎(chǔ)墊層，臺階與底板需人工配筋，工序繁瑣，耗時費力，而剛性臺階基礎(chǔ)不需墊層和底板配筋，機械化施工程度相對較高。因此，有必要進一步開展剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)的技術(shù)經(jīng)濟分析，得出既經(jīng)濟又便于機械化施工的最優(yōu)基礎(chǔ)設(shè)計方案。

1 粘土層鐵塔基礎(chǔ)數(shù)學模型

為貼近工程實際，基礎(chǔ)上拔力T以100～850 kN（公差50 kN）為基準值，從2011年版國網(wǎng)通用設(shè)計直線塔塔型中選擇了典型基礎(chǔ)作用力的塔型［16-17］，作為剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)（旋挖鉆機成孔）技術(shù)經(jīng)濟比較的模版。其中，1H2-SSZ3（39 m）模塊直線塔塔型的基礎(chǔ)作用力基本涵蓋了110 kV雙回轉(zhuǎn)角塔1D3-SJ3模塊和220kV雙回雙分裂直線塔塔型2E3-SZCK模塊的基礎(chǔ)作用力，不再單獨列舉110 kV雙回轉(zhuǎn)角塔1D3-SJ3及以下模塊和220 kV雙回雙分裂直線塔2E3-SZCK及以下模塊。水平作用力 Tx、Ty，下壓力 N、Nx、Ny以及基礎(chǔ)根開尺寸詳見文獻［16-17］，基礎(chǔ)作用力如圖1及表1所示。

圖1 基礎(chǔ)作用力

表1 典型通用設(shè)計塔型的基礎(chǔ)作用力

塔型模塊 直線塔型 呼稱高/m 基礎(chǔ)上拔力T/kN 1F3 SZ3 18 357.11 1F3 SZ3 36 403.73 1F3 SZK 33 462.94 1F3 SZK 42 503.02 1F3 SZK 51 540.14 1H1 SSZ1 36 592.88 1H2 SSZ1 21 646.90 1H2 SSZ1 33 703.60 1H2 SSZ2 33 755.70 1H2 SSZ3 30 807.30 1H2 SSZ3 840.90 39

2 計算條件

2.1 粘土層地質(zhì)條件及基礎(chǔ)原材料

為便于分析，假定塔位位于平原，地質(zhì)均按可塑粘土、承載力取值150 kPa、無地下水考慮?；A(chǔ)原材料：主筋采用HRB335（螺紋鋼），箍筋采用HPB300（圓鋼），基礎(chǔ)采用C25級混凝土，保護帽采用C15級，水泥采用42.5 MPa硅酸鹽水泥。根據(jù)以往施工和概算審查經(jīng)驗，人力運輸按平均運距0.3 km，汽車運輸按平均運距10 km。

2.2 剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)埋深

對于220～500 kV線路雙回雙分裂及以上直線塔，隨著基礎(chǔ)埋深的增大，基礎(chǔ)材料量變化總的趨勢為先減少后增加，究其原因是：當基礎(chǔ)埋深較淺時，此時上拔起控制作用，增大埋深可以有效地抵抗上拔，從而減小基礎(chǔ)底板的尺寸，降低基礎(chǔ)材料量；而當基礎(chǔ)埋深較大時，此時上拔不再起控制作用，下壓成為控制因素，這時增大埋深反而會加大底板的下壓，從而引起基礎(chǔ)底板尺寸的增加，從而又導致了基礎(chǔ)材料量的上升。當?shù)鼗休d力取120 kPa時，基礎(chǔ)埋深在3.5 m左右時基礎(chǔ)材料量最省，3.5 m之前基礎(chǔ)材料量隨著埋深的增加而降低，3.5 m之后則相反。當?shù)鼗休d力取180 kPa時，基礎(chǔ)混凝土量隨著埋深的增加總體呈下降趨勢，埋深在4 m左右時基礎(chǔ)材料量最省。針對每種作用力和地質(zhì)條件一般都可選出最佳埋深。

對于110 kV線路1A3和1D3等模塊單/雙回單導線直線塔的基礎(chǔ)，因基礎(chǔ)作用力較小，基礎(chǔ)埋深在2.2～2.6 m左右時基礎(chǔ)材料量最省。

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)架空輸電線路鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計軟件（TLSD_TFD V3.0），對每種基礎(chǔ)按經(jīng)濟最優(yōu)設(shè)計，分別對16種剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)的施工圖設(shè)計，基礎(chǔ)坑深、底板寬度、體積和鋼材匯總?cè)绫?所示。表2中的柔性板式基礎(chǔ)體積未含墊層體積（預(yù)算已考慮），基礎(chǔ)鋼材包括地腳螺栓重量。

表2 3種基礎(chǔ)設(shè)計結(jié)果

表3 3種基礎(chǔ)單位造價及經(jīng)濟比較

根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)，分別對16種剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)和原狀掏挖基礎(chǔ)編制單位造價預(yù)算，匯總?cè)绫?所示。

由表3可知，無論基礎(chǔ)作用力大小，原狀掏挖基礎(chǔ)單位造價總是低于剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)，較臺階基礎(chǔ)節(jié)省24%～52%，較板式基礎(chǔ)節(jié)省32%～48%，呈正態(tài)分布；對于1F3-SZ2（21 m）塔型對應(yīng)的基礎(chǔ)作用力（T=303.75kN，Tx=29.53kN，Ty=23.11 kN），剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)的單位造價基本相同。當基礎(chǔ)上拔力小于約300 kN時，剛性臺階基礎(chǔ)的單位造價低于柔性板式基礎(chǔ)；110 kV單回線路直線塔基礎(chǔ)費用可節(jié)省10%以上，110 kV雙回單導線直線塔基礎(chǔ)費用可節(jié)省4.7%～9.6%。當基礎(chǔ)上拔力大于約300 kN時，柔性板式基礎(chǔ)的單位造價低于剛性臺階基礎(chǔ)，110 kV同塔四回單導線線路直線塔基礎(chǔ)費用可節(jié)省7.8%～17.5%；當基礎(chǔ)上拔力為350～400 kN時，板式基礎(chǔ)的經(jīng)濟優(yōu)勢并不明顯，即110 kV雙回雙分裂導線線路基礎(chǔ)費用，與柔性板式基礎(chǔ)相差不大。顯然，并非柔性板式基礎(chǔ)的單位造價總是低于剛性臺階基礎(chǔ)，這為以后基礎(chǔ)設(shè)計選型提供了依據(jù)。剛性臺階基礎(chǔ)、柔性板式基礎(chǔ)單位造價對應(yīng)的基礎(chǔ)上拔力的臨界點是在一定的條件下得出的；當工地運輸?shù)葪l件發(fā)生變化，基礎(chǔ)上拔力臨界點也將略微改變；若人力運輸按0.1 km考慮或不發(fā)生人力運輸，臺階基礎(chǔ)的經(jīng)濟性更為明顯。3種基礎(chǔ)單位造價曲線如圖2所示，基礎(chǔ)主柱、底板寬度與厚度的設(shè)計尺寸選擇是基礎(chǔ)單位造價曲線不光滑的原因。

山東省的鐵塔設(shè)計條件基本在海拔1 000 m及以下，覆冰厚10 mm，基本設(shè)計風速27 m/s，2011年版國家電網(wǎng)公司通用設(shè)計110 kV直線塔型模塊大多選擇 1A3、1B2、1C2、1D3、1F3 和 1H2 模塊，220 kV直 線 塔 型 模 塊 大 多 選 擇 2A1、2B2、2D1、2E3、2F3、2K1模塊。根據(jù)鐵塔基礎(chǔ)技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)論，可以進一步梳理出分別適于剛性臺階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)的2011年版國網(wǎng)通用設(shè)計直線塔模塊塔型，如表4和表5所示。

表4 適用于剛性臺階基礎(chǔ)的直線塔型

表5 適用于柔性板式基礎(chǔ)的直線塔型

圖2 3種基礎(chǔ)單位造價曲線

由表4可知，除1D3-SZK、1F3-SZ3和1F3-SZK雙回直線塔外，110 kV單/雙回直線塔和220 kV單回直線塔均宜采用剛性臺階基礎(chǔ)；由表5可知，除2E3-SZ1和2F3-SZ1雙回直線塔外，110 kV四回直線塔和220 kV雙回直線塔均宜采用柔性板式基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，基礎(chǔ)上拔力臨界點附近±20 kN的偏差對基礎(chǔ)造價影響很小，尤其臺階基礎(chǔ)具有不需設(shè)基礎(chǔ)墊層和底板鋼筋網(wǎng)、機械化施工程度高、工期縮短2天的特點，因此，表4中 1F3-SZ2（30m）、2A1-ZMK（54 m）、2B3-ZMK（51 m）和表5中 2D1-SZ1（18 m）的基礎(chǔ)型式也可按臺階基礎(chǔ)考慮。

4 結(jié)語

無論110～220 kV鐵塔基礎(chǔ)作用力大小，原狀掏挖基礎(chǔ)較剛性臺階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)節(jié)省24%～52%，呈正態(tài)分布，經(jīng)濟性非常明顯；剛性臺階基礎(chǔ)與柔性板式基礎(chǔ)相比，具有不需設(shè)基礎(chǔ)墊層、人工綁扎底板鋼筋網(wǎng)、機械化施工程度高和工期縮短2天的特點。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析，剛性臺階基礎(chǔ)和柔性板式基礎(chǔ)存在單位造價或基礎(chǔ)上拔力臨界點；小于基礎(chǔ)上拔力臨界點，宜采用剛性臺階基礎(chǔ)，大于基礎(chǔ)上拔力臨界點，宜采用柔性板式基礎(chǔ)。

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The Techno-economic Analysis of the Tower Foundation in Argillaceous Layer

WANG Maocheng1，ZHAO Yongchun2，LIU Shuhua1，YANG Zhongbo3，GUO Songyu1
（1.State Grid Yantai Power Supply Company，Yantai 264001，China；2.Energy Explorer Electric Power Co.，Ltd.，Nanjing 210009，China；3.Changdao County Hong-yuan Construction and Installation Engineering Co.，Ltd.，Changdao 265800，China）

At present，most foundations of the 110～220 kV straight line towers in argillaceous layer are either identical rigid benched foundation or undisturbed soil undercut foundation.Techno-economic analysis is carried out for the flexible mat foundation，rigid benched foundation and undisturbed soil undercut foundation of 110～220 kV straight line tower built in plain argillaceous layer according to mechanical construction standard of the State Grid.According to the difference of the applied forces，the unit cost of undisturbed soil undercut foundation is lower than flexible mat foundation and rigid benched foundation.The saving rate is of a normal distribution shape from the statistical data.When the foundation uplift is smaller than the critical point，the flexible mat foundation should be selected；when the foundation uplift is greater than the critical point，the rigid benched foundation should be selected.

the argillaceous layer；flexible mat foundation；rigid benched foundation；undisturbed soil undercut foundation；the critical point

TM752

A

1007－9904（2017）10－0040－05

2017-04-13

王茂成（1964），男，從事輸電線路設(shè)計工作；趙永春（1981），男，從事輸電線路設(shè)計工作；劉樹華（1987），男，從事輸電線路技經(jīng)工作；楊忠波（1975），男，從事輸電線路施工工作；郭松宇（1981），男，從事輸電線路設(shè)計工作。