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五、我国架空输电线路地基基础工程存在问题的原因11
六、结语12
参考文献13
摘要
根据我国现有的技术规范,架空输电线路上部铁塔部分的设计和国外相比,较为合理和成熟,而设计的基础尺寸比国外大,设计较为保守,因而基础施工等各方面的费用比国外要高出很多。
本文在调研的基础上,比较全面、深刻地分析了架空输电线路地基基础工程现状及存在的问题。
引言
随着我国国民经济的飞速发展,国家每年用于电力基础设施,特别是用于高压输电线路的投资日益增加。
杆塔基础作为输电线路结构的重要组成部分,它的造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很大比重。
据有关资料统计:
输电线路基础工程施工工期约占整个工期一半时间,运输量约占整个工程60%费用约占整个工程15%-35%基础选型、设计及施工的优劣严重影响着线路工程的建设。
根据我国现有的技术规范,上部铁塔部分的设计和国外相比,较为合理和成熟,而设计的基础尺寸比国外大,设计较为保守,因而基础施工等各方面的费用比国外要高出很多。
同时,下部基础过大,若基础是大面积的开挖,势必会造成大面积植被的破坏和水土的流失。
因此有必要加强对输电线路基础的研究,降低混凝土和钢筋的用量,减小土石方的开挖量,从而降低基础造价,节省资源,同时也减小对植被的破坏,加强环境保护,取得较好的经济效益和社会效益,实现可持续发展。
但是目前我国尚未系统地开展新的基础型式的试验、测试和分析研究,杆塔基础已成为输电线路建设中十分薄弱的环节,地基处理及其基础型式选择与设计优化是当前输电线路工程迫切需要解决的重大课题。
一、输电线路基础的概念、种类及使用材料
(一)、输电线路基础的概念及其作用
输电线路杆塔的地下部分的总体统称为基础。
它的作用是用来输电线路的杆塔。
(二)、输电线路基础的种类及其特点基础形式可分为以下几种:
1.岩石嵌固基础%Y7A八-J'
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该基础型式适用于覆盖层较浅或无覆盖层的强风化岩石地基,其特点是底板不配筋,基坑全部掏挖。
上拔稳定,具有较强的抗拔承载能力。
需要时,可将主柱的坡度设置与塔腿主材坡度相同,以减小偏心弯矩,还可省去地脚螺栓。
由于该基型充分利用了岩石本身的抗剪强度,混凝土和钢筋的用量都较小,同时减少了基坑土石方量,浇制混凝土不需要模板,施工费用较低。
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2.岩石锚杆基础7J(_!
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该基型适用于中等风化以上的整体性好的硬质岩。
该基础型式是在岩石中直接钻孔、插入锚杆,然后灌浆,使锚杆与岩石紧密粘结,充分利用了岩石的强度,从而大大降低了基础混凝土和钢材量。
但岩石锚杆基础需逐基鉴定岩石的完整性。
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3.掏挖基础!
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该基型分全掏挖和半掏挖两种,适用无地下水的硬塑粘性土地基。
在基坑施工可成型的情况下,开挖基坑时不扰动原状土,避免大开挖后再填土。
基础承受上拔荷载时,原状土的内摩擦角和凝聚力得以充分发挥作用。
这种基础型式也显示了较高的经济效益和环境效益,根据以往工程的统计,由于各线路地质条件的不同等原因,采用全掏挖基础比用阶梯型基础节约钢材和混凝土分别为3~7和8~20。
掏挖基础有直柱式和斜插式两种型式。
斜插式掏挖基础将主柱的坡度设置与塔腿主材坡度相同,减小了基础水平力产生的偏心弯矩,还可省去地脚螺栓4.阶梯型基础该基础是传统的基础型式,适用各类地质、各种塔型,其特点是大开挖,采用模板浇制,成型后再回填土,利用土体与混凝土重量抗拔,基础底板刚性抗压,不配钢筋。
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乙B7o1八9u由于阶梯型基础混凝土量较大,埋置较深,易塌方及有流砂地区难以达到设计深度,因此在此类地区应尽量少用。
9G9V6c*A(]+n5.大板基础大板基础的主要设计特点是:
底板大、埋深浅、底板较薄,靠底板双向配筋承担由铁塔上拔、下压和水平力引起的弯矩和剪力,主柱计算与阶梯基础相同。
与阶梯基础相比,埋深浅,易开挖成形,混凝土量能适当降低,但钢筋量增加较多。
与灌注桩相比,在软弱地基中应用较为广泛。
它施工方便,特别是对于软、流塑粘性土、粉土及粉细砂等基坑不易成型的塔位。
设计时,对底板的高厚比应进行一定的控制(悬臂长度:
底板厚<3:
1)不足时可在主柱下增加台阶,以减少板的悬臂长度和底板厚度,为了减小混凝土量,主柱中心与底板中心设置偏心,抵消水平弯矩,达到减小底板及配筋的效果。
大板基础设计时应控制沉降及不均匀沉降,对转角塔及负荷较大的直线塔进行地基沉降变形验算,施工时应尽量少扰动地基土,清除开挖的全部浮土并做好垫层,必要时使用块石灌浆。
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O*D3P9}6.斜插板式基础"
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该基础的主要特点是基础主柱坡度与塔腿主材坡度一致,塔腿主材角钢直接插入基础混凝土中,使基础水平力对基础底板的影响降至最低。
在正常条件下,基础土体上拔稳定、下压稳定和基础强度计算可忽略水平力的影响。
与大板基础相比,由于偏心弯矩大大减小,下压稳定控制的基础底板尺寸可相应减小,从而降低了混凝土量和底板配筋量。
由于省去了塔座板和地脚螺栓,其钢材的综合指标降低了25左右。
斜插板式基础在平原、河网地区使用较多,其最大优点就是节省基础材料,施工较为方便。
其缺点是施工精度要求高。
对于高压缩性软弱土地区,其基础底面地基处理一定要重视基础垫层和基坑排水,并应严格按照有关规定执行。
因为一旦发生扰动基底软土或排水不及时,就可能引起基础的不均匀沉降,再很难进行处理。
7.灌注桩基础对于地质条件为流塑、地基持力层较深且基础作用力较
大的耐张塔或直线塔,使用钻孔灌注桩基础是设计中广泛采用的一种方法。
它主要靠桩周与土的摩擦力和桩端承载力承担基础上拔力和下压力,施工方便,安全可靠。
缺点是施工费用较高。
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B#p*n08.联合基础2C(P8t(z&
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联合基础主要适用于基础根开较小且基坑难以开挖、板式基础上拔土体重叠的软弱土塔位,其设计特点是埋深较浅,四个基础整体浇制,靠基础底板上面的纵、横向加劲混凝土梁承担由基础上拔力、下压力和水平力引起的弯矩,底板与纵、横向加劲肋配筋,整体性好。
缺点是基础材料用量较大,施工较为烦琐,设计不易成系列。
9.复合式沉井基础8e7e;
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复合式沉井基础是针对地下水位较高的软土地基,尤其是容易产生“流砂”现象的软土地基的一种新型的基础型式。
复合式沉井基础是由上、下两部分组成:
上部分是方型台阶基础,下部是环形钢筋砼沉井,沉井顶端露出钢筋埋入台阶基础连成整体。
基础的埋深在4m左右,沉井筒直径为2.5m左右,从基础深宽比来看(一般为1.5左右),仍属于浅基础。
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(三)、基础使用材料
钢材:
I、II级钢筋,Q345(插入式角钢),35#钢,Q235(地脚螺栓)9d,混凝土:
阶梯基础、沉井基础:
C15级,D:
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岩石、掏挖、插入板式基础、大板基础、联合基础:
C20级岩石锚杆基础、
灌注桩基础:
C25级;
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垫层、护面、保护帽:
C10级
二、我国架空输电线路地基基础工程现状
我国幅员辽阔,各个地区的地质条件相差很大,所采用的输电线路基础形式也较为多样
1、西北地区主要为黄土地基,也存在部分沙漠及岩石地基。
黄土地基使用的基础形式主要有刚性台阶式基础和插入式基础,部分软弱地基则主要采用钻孔灌注桩。
西北地区黄土具有湿陷性,常采用二灰换添法,石灰和素土的比例一般采用2:
8或3:
7,对重点塔位的地基重点处理。
沙漠地区地基抗剪强度低,比普通基础要多埋深1米。
山区的岩石地基使用的基础形式主要有掏挖式基础等。
在西北地区,出现倒塔一般不是基础原因,主要是有外界因素的作用,如滑坡、流沙、河流冲刷等。
2、东北地区和新疆北部多为冻土地基,使用的基础形式主要是插入式基础和掏挖式基础。
同时,在东北的部分地区和新疆的南部也存在永冻土和岩石地基,使用的基础形式主要是斜插式基础。
3、我国华北地区的石家庄以北、北京地区、和内蒙古地区的土质条件较好,天津地区有软土地基,土质条件较差。
各地使用的基础形式主要有:
嵌固式基础、锚杆式基础、插入式基础和掏挖式基础,同时还有灌注桩、挖孔桩、扩底桩等。
4、我国华东地区河网密布,主要是软弱地基。
在进行输变电杆塔建造时,有的对地基先进行处理,然后再建造杆塔基础。
在这一地区采用的基础形式有:
灌注桩、大板式基础、螺旋锚式基础、挤密碎石桩和挤密砂桩。
螺旋锚用钢量大,机具复杂。
灌注桩造价高昂,且质量不易控制。
5、中南地区的地质情况较为复杂,有软土、岩石、膨胀土等。
(1)、华中地区软土比较多,特别是江汉平原一带,土壤的内析水较多,采用的基础形式以大板式基础、桩基(钻孔灌注桩、沉管桩)为主,也有采用沉井替代。
桩基础的费用是掏挖基础的4~5倍,造价非常昂贵。
使用的其它基础形式主要有:
刚性阶梯式基础、掏挖式基础等。
(2)、在三峡、宜昌地区,山区的花岗岩比较多,使用的基础形式主要有:
岩石锚杆式基础和岩石插入式基础。
(3)、在鄂西北的丘陵地带,黄色粘土比较多,使用的基础形式主要有:
(4)、在其余一些地区,多为粉土、砂土和可塑粘土地质条件,近几年来插入式基础用的较多,但该基础形式不适用于软土地基。
6、西南地区主要以山区为主,地基主要是岩石。
使用的基础形式主要是:
岩石锚桩、嵌固式基础和斜插式基础。
山区水塘附近的软土地基,地基处理的主要方法是:
砂井、粉喷桩等。
三、我国架空输电线路地基基础工程存在的问题
(一)、设计方面的问题
我国架空输电线路地基基础工程在设计方面存在的问题有:
1、由于输电线路地基基础工程问题的特殊性和复杂性,目前《送电线路基础设计技术规定》还没有采用概率极限状态设计原则,仍然采用总安全系数法,而不是分项系数设计法。
国内外很多专家、学者都在致力于地基基础工程可靠度的研究。
地基基础工程问题与结构工程问题实行同步的可靠度设计是国际趋势。
输电线路地基基础工程如果继续在以后较长时间内沿用传统安全系数设计法的定值设计方法,显然是不合适的。
如何尽快改变这种现状是一个紧迫且具有现实意义的问题。
2、由风荷载引起的输电线路杆塔的破坏常给经济建设和人民生活带来非常严重的影响,而且需要花费大量的资金和时间修复。
据统计,在各类杆塔倒塌、导线断股等严重事故中,由风引起的约占30%。
动力风荷载需要通过理论和试验的方法,根据风特性、结构自振特性以及风和结构地基基础的相互作用等多方面的参数才能确定,因此,动力风效应分析的正确性和精度将关系到送电线路杆塔及基础设计的合理和安全。
研究风与杆塔结构体系的相互作用,并且在输电线路设计中采取恰当的抗风措施,对保障线路结构体系的安全有非常重要的意义。
3、在软土质地区,由于其杆塔基础设计不仅要满足一般杆塔基础设计要求,还应满足塔基沉降量、倾斜度等要求,因此软土质地区杆塔基础设计有其特殊性。
在软弱地基中使用灌注桩,造价很高,质量不易控制;
在软弱地基中如果使用大板式基础,基础的尺寸约为7X8m成本较高,土的开方量大,施工复杂,钢筋用量在7、8t。
且大板式基础有时在铁塔安装前,基础已经发生了不均匀沉降。
由于我国以往在软土质地区地基处理及其杆塔基础方面的研究存在许多不足之处,导致软土质地区杆塔基础设计水平较低,与国际先进水平相比存在较大的差距,其基础部分的造价占线路总体投资的比例一般在25%-35%左右,有的甚至更高,而又未系统的开展新的基础型式的试验、测试和分析研究,因此软土质地区杆塔基础已成为输电线路建设中十分薄弱的环节,而地基处理及其基础型式选择与设计优化则是软土质地区输电线路工程迫切需要解决的重大课题。
4、另外,我国架空输电线路地基基础工程在设计方面除上述问题比较突出以外,还存在以下问题:
在我国的东北和西北地区,由于冻土的冻胀使基础位置抬高,怎样处理冻土地基成为重要课题;
在近海区建造输变电线路,在海水中,基础抗腐蚀性的问题不可忽视。
二)、勘测方面的问题
在山区,由于勘测点较多,勘测比较粗浅,对变电站和塔位的地质情况的了解不是很准确,有时易发生滑坡现象。
所以使用岩石地基尽管基础造价可以降低很多,但鉴定岩石物理性质和力学性质的方法、手段等需要改进。
(三)、施工方面的问题在山区施工,现有的施工机具难以进入场地进行施工,钢筋、混凝土的运输和基础的开挖等较为困难。
在软土地基施工,水网密布,各种施工机具难以进入场地,各种基础形式的施工比较困难。
因此,需要研制轻巧、高效的施工机具以解决施工方面存在的问题。
四、我国架空输电线路地基基础工程存在问题的总结总之,根据我国现有的技术规范,上部铁塔部分的设计和国外相比,较为合理和成熟,但根据现有的《送电线路基础设计技术规定》进行基础设计过于保守,设计理论一直延用前苏联规范,基础的尺寸要比国外同等级别的基础大,基础的安全系数过高,基础砼及钢筋用量过大,基础的施工工程量占总体工程量的比重较大,约为20%,其中,仅土石方的开挖费用就为2500—3000元/m3,钢筋、混凝土的运输费用也较高。
基础的施工费用约为工程造价的15-25%,基础施工等各方面的费用比国外要高出很多,工期较长,在国外投标中,和国外设计的基础相比,处于不利的地位。
五、我国架空输电线路地基基础工程存在问题的原因
我国架空输电线路地基基础工程存在上述问题的原因为:
1、一般输电线路所经地区的地形、地质条件差异较大,设计和施工要
考虑的边界条件较多,加之科研条件和研究经费的制约,在输电线路杆塔基础方面的科研工作较薄弱,科研成果较少,技术储备不足。
2、对地基基础问题国内外专家和学者已做了大量的研究工作,取得了
许多有价值的成果,但大多数都把注意力集中在某些结构(如建筑物、桥梁等)的基础上,这些研究成果由于下列原因而限制了它们在电力线路上使用:
(1)抗拔荷载经常是各种输电线路杆塔基础设计的控制条件,而对建筑物和桥梁来说上拔力却是次要的。
(2)输电线路杆塔基础所在的土质勘测,无论在精确性还是在详细程度上,都无法与建筑物和桥梁相比。
(3)一条线路上可能使用许多基本相同的杆塔,但它们的基础则因土质不同而不同。
(4)线路杆塔常位于无人居住之处,而且除了施工、检修和维护外并不危及人们的生命安全。
这些不同导致电力工业的杆塔基础有其独特的分析、设计方法,这些内容在一般的基础书籍中是难以找到的,例如:
一般的基础工程教科书对基础上拔问题仅附带提一下,对钢框结构的基础很少涉及。
这样就导致在输电线路基础方面受过专门训练的国内人才偏少,专门从事输电线路杆塔基础设计的高级研究人员则更少。
3、国内电力行业对杆塔基础也做了一些研究工作,但还没有建立专门的基础工程实验室,对不同特性地基、不同型式基础展开系统的试验研究。
目前,世界上电力工业发达国家,非常重视杆塔基础的研究,尤其是美国、加拿大等国,除了理论分析计算外,还建立了专门的岩土工程实验室,对不同特性地基、不同型式基础进行了系统的试验研究,有效保证了线路的安全运行,同时降低了线路基础造价。
美国、加拿大等国可以针对输电线路所经地区的地质状况,提出合理的基础型式。
因此建立我国专门的输电线路杆塔基础工程实验室,可为各种基础型式的试验研究提供保障,对提高线路的可靠性,推动行业技术进步有重要意义。
六、结语中国“十五”计划纲要中国国家电力公司提出加强城乡电网建设和改造,建设西电东送的北、中、南3条大通道,因此非常有必要加强架空输电线路地基基础工程的研究,成立专门的输电线路地基基础工程实验室,针对输电线路杆塔基础的共性、前沿和关键的科学问题,探索输电线路杆塔基础的机理和规律,形成我国系统完整的“送电线路基础设计和计算”的理论体系。
瞄准国家急需解决的“西电东送”工程中出现的一系列地基基础工程关键科学技术问题,进行地基处理、岩土边坡加固、岩土工程环境保护等设计方法、施工技术等关键控制技术的探索与创新,研究开发出安全、经济、实用的科技成果为工程建设服务,彻底改变我国送电线路基础设计保守落后的现状,开创我国21世纪送电线路基础工程“技术先进、设计安全合理”的全新局面。
参考文献
1.送电线路基础设计技术规定.水利电力部电力规划设计院标准.1986.
2.输电铁塔设计导则.美国土木工程师协会结构分部输电结构委员
会.1991.
3.输电线路杆塔基础.F.H.Kulhawy主编.岑阿毛翻译
- 配套讲稿:
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