朱寧

（江蘇中孚電力工程設(shè)計有限公司，江蘇 南京 210000）

國內(nèi)各地輸電線路鐵塔建設(shè)過程中，均是通過基礎(chǔ)把荷載傳送至地基內(nèi)，因此地基與基礎(chǔ)如果發(fā)生質(zhì)量問題，則會對整體輸電線路運行安全、穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響，甚至引起人員傷殘問題，不利于和諧社會的建設(shè)、發(fā)展。遠(yuǎn)距離輸送是輸電線路的典型特征，所通過路徑的自然環(huán)境對地基條件的復(fù)雜性、不穩(wěn)定性起到了決定性作用。既往有大量實踐表明，差異化的工程水文土質(zhì)、滑坡、施工工藝不合理、設(shè)計偏差等，均可能成為鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)形變、移位或不均勻沉降等誘因，嚴(yán)重時造成鐵塔坍塌，引起十分惡劣的電力事故。通常而言，如果地質(zhì)、水文條件等因素存在差異，通常會結(jié)合作用原理的不同，選擇使用適宜的鐵塔基礎(chǔ)類型，采用適宜的方法進(jìn)行優(yōu)化，這是鐵塔實現(xiàn)安全、穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。

1 項目案例

某區(qū)域正好處于一條即將建設(shè)輸電線路的既定路徑內(nèi)，為了能使輸電線路運行的安全性、穩(wěn)定性得到更大保障，應(yīng)積極做好鐵塔基礎(chǔ)的施工工作。而維持及鞏固鐵塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性是實踐中應(yīng)重點考慮的問題。施工前期設(shè)計應(yīng)充分調(diào)查分析工程所在地的土層指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范測定，具體實測結(jié)果被統(tǒng)計在表1內(nèi)（砂質(zhì)淤泥質(zhì)粉土、粉砂分別簡稱為土質(zhì)I、II）。參照鐵塔基礎(chǔ)的選型要求，本項目的鐵塔基礎(chǔ)型式是聯(lián)合式，綜合分析表1內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，能夠確定基礎(chǔ)的受力層次是第二層，據(jù)此便能進(jìn)行分析測算，進(jìn)而掌握鐵塔基礎(chǔ)的各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 土層物理指標(biāo)統(tǒng)計情況

2 分析影響鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計情況的主要因素

在建造輸電線路過程中，對路徑提出的要求較嚴(yán)格，這也就預(yù)示著鐵塔基礎(chǔ)經(jīng)常被建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜的環(huán)境內(nèi)，因而應(yīng)結(jié)合基礎(chǔ)受力屬性，科學(xué)分析基礎(chǔ)設(shè)計型式的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。從宏觀上分析，影響鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計效果的因素主要有兩個：一是自身所處方位決定了土力學(xué)性質(zhì)，輸電線路路徑、位置是事先確定好的；二是鐵塔和基礎(chǔ)兩者的互為作用及受力變形特征。

2.1 鐵塔基礎(chǔ)受力的內(nèi)在規(guī)律

埋深相對較淺顯是聯(lián)合式輸電線路鐵塔基礎(chǔ)的主要特征，通過對本基礎(chǔ)進(jìn)行全面的澆制，能夠較好地應(yīng)對其基礎(chǔ)根開偏小、基坑挖掘難度較大與板式基礎(chǔ)頻繁上拔等現(xiàn)實問題，在軟弱土塔位表現(xiàn)出極高的適用性。首先，需要科學(xué)分析鐵塔基礎(chǔ)的受力規(guī)律，為確保分析結(jié)果的科學(xué)性，利用ANSYS有限元軟件分析鐵塔基礎(chǔ)上各種類型的荷載，測得基礎(chǔ)底部邊界承受的上部荷載壓力的最大值，此時，基礎(chǔ)底部承受的拉應(yīng)力也會達(dá)到最大值，分析以上現(xiàn)象的成因，主要是由于鐵塔基礎(chǔ)通常是鋼筋砼，以上這種材料和土壤之間在剛度上存在顯著差異。其次，結(jié)合系統(tǒng)化分析結(jié)果能夠獲知，基礎(chǔ)底部為土體的最大位移點，如果土層和基礎(chǔ)底部中心距離越遠(yuǎn)，其形成的沉降位移量也會降低，而伴隨土層深度值的增加，應(yīng)力并不會完全消除。最后，結(jié)合以上分析所得，將聯(lián)合式基礎(chǔ)用于軟弱土塔位，先要精確測算出土層的實際地基承載力，確定基礎(chǔ)底部的具體尺寸。如果聯(lián)合式基礎(chǔ)建設(shè)在土質(zhì)偏硬的地質(zhì)環(huán)境下，進(jìn)而軟弱土層相比較，其受力狀態(tài)出現(xiàn)明顯改變，基礎(chǔ)下方可能會出現(xiàn)不同程度彎曲、受壓等狀況。綜合以上做出的分析，可以認(rèn)定在鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計選型前，要對輸電線路沿線地質(zhì)條件全面勘測，結(jié)合實際受力狀況確定配筋比例，以防現(xiàn)實操作中配筋偏差使鐵塔基礎(chǔ)形成嚴(yán)重?fù)p害。

2.2 設(shè)定目標(biāo)函數(shù)

綜合如上闡釋內(nèi)容，不難發(fā)現(xiàn)，影響鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計選型的主要有兩大因素，一是地質(zhì)條件，二是外力作用。如果實踐中確定了塔型及塔距，此時，其基礎(chǔ)的承載力大小也相應(yīng)確定下來。土層自身的參數(shù)特征是影響基礎(chǔ)型式及尺寸的主要因素，土層參數(shù)對基礎(chǔ)承載力的標(biāo)準(zhǔn)值還起到了決定性作用。產(chǎn)生影響的因素主要包括地質(zhì)條件與外力。而由土層參數(shù)決定的基礎(chǔ)寬度與深度修正系數(shù)、基礎(chǔ)地下土的自重、底板上土層持有的加權(quán)平均重度、基礎(chǔ)實際埋深等均影響著基礎(chǔ)承載力特征值的大小，其理應(yīng)高于基礎(chǔ)自重力，鐵塔基礎(chǔ)荷載對基礎(chǔ)自重力起到了決定性作用。據(jù)此，可以確定如下的目標(biāo)函數(shù)：

式中，fa、fak分別是修正后的基礎(chǔ)承載能力特征值、標(biāo)準(zhǔn)值；ηb、ηd分別是為基礎(chǔ)寬度、埋設(shè)對應(yīng)的修正系數(shù)；r是埋土的總重量；B是基礎(chǔ)寬度；rs是埋土的加權(quán)平均重量；ht代表的基礎(chǔ)埋深。

從中不難發(fā)現(xiàn)，對鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)形成影響的因素較多。因此在設(shè)計工作正式開展前，一定要精確測定有關(guān)指標(biāo)具體值，確保塔位的地質(zhì)勘測工作順利推進(jìn)，掌握基礎(chǔ)的持力層，這樣才能進(jìn)一步提升鐵塔基礎(chǔ)型式和尺寸設(shè)計的科學(xué)性。

3 設(shè)計優(yōu)化方法

分析聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)用于本項目建設(shè)階段的原因，最主要是因為和其他類型的鐵塔基礎(chǔ)相比，其在穩(wěn)定性、安全性兩大方面更占優(yōu)勢。外加工程所在地區(qū)土質(zhì)相對較為松軟，限制條件相對較嚴(yán)格苛刻，所以最后決定使用聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)型式。首先，正式設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計前，要精準(zhǔn)地測算出基礎(chǔ)投用階段自身所需承載的載荷，本工程選定的鐵塔基礎(chǔ)的承載力通常低于實際設(shè)計數(shù)值的80%，這是基礎(chǔ)自身實現(xiàn)最穩(wěn)定的基礎(chǔ)條件。其次，聯(lián)合式鐵塔基礎(chǔ)的埋深相對較淺顯，并且是由澆筑建設(shè)而成，因此，這種基礎(chǔ)型式應(yīng)用階段能為排水創(chuàng)造便利條件，并且能使土層頂層的硬質(zhì)層將自身的固定功能充分發(fā)揮出來，但因為下層的土質(zhì)狀態(tài)較為松軟，所以基礎(chǔ)下沉、位移等不良情況的發(fā)生率相應(yīng)增加，若以上的改變是相對合理的，那么當(dāng)沉降量與位移量抵達(dá)一定限值時，就可以自動調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)。但是，如果能確定是因為施工操作偏差引起的變形問題，則很可能對鐵塔整體安穩(wěn)性形成極大的不良影響。最后，工程所在地的水文地質(zhì)、氣候等客觀條件等均可能會影響鐵塔基礎(chǔ)的狀態(tài)，可能對其沉降、位移過程起到誘導(dǎo)作用，因此在基礎(chǔ)具體設(shè)計時，應(yīng)著重分析變形參數(shù)，將最大壓力側(cè)變形幅值控制在20mm以下。

4 結(jié)語

在設(shè)計與選擇鐵塔基礎(chǔ)型式時，應(yīng)明確前期選址是影響最后設(shè)計效果的主要因素，在控制基礎(chǔ)建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，也要扎實推進(jìn)工程場地的前期選址工作。盡量選擇地勢平整、地質(zhì)條件較好的區(qū)段，規(guī)避斷層等土質(zhì)偏差的地段。面對鐵塔項目建設(shè)中遇到的各種不良地質(zhì)狀況，則要盡早采用科學(xué)、合理的方法處理，并依照不同的工程水文、地質(zhì)條件，比較篩選出適用型的鐵塔基礎(chǔ)設(shè)計方案，最大限度地優(yōu)化基礎(chǔ)建設(shè)質(zhì)量。