高压输电线路杆塔基础设计

1、高压输电线路铁塔结构设计琐谈高压输电线路铁塔结构设计琐谈 华北电力设计院华北电力设计院 傅春蘅傅春蘅 系列讲座系列讲座4 基础分类基础分类 (按开挖类型) 1) 原状土基础 掏挖基础 半掏挖基础 岩石基础 嵌固式基础 锚杆基础 桩基础 灌注桩基础 挖孔桩基础 2) 大开挖基础 素混凝土基础 钢筋混凝土基础 基础分类基础分类 1 按制作类型 现浇混凝土基础 插入式基础 装配式基础 金属基础 预制混凝土基础 灌注桩基础 2 按地质条件要求 常规基础 重力式基础 联合式基础(垡基) 复合式沉井基础 3 按自然条件要求 不等高基础 选择基础型式的基本原则选择基础型式的基本原则 1 不等高基础与铁塔长短

2、腿配合不等高基础与铁塔长短腿配合 2 优先选用原状土基础优先选用原状土基础 3 运输困难地区可选用装配式基础运输困难地区可选用装配式基础 4 地质条件较差时可选用桩基础地质条件较差时可选用桩基础 几个值得注意的问题几个值得注意的问题 1 插入式基础 自插入式基础问世以来，由于其经济上的优势已成为工程设计首选的基础型式。但工程中由于受气候、 地形等诸方面的影响，还是要客观的确定它的使用范围。如在易发生覆冰灾害的南方地区，就应慎重考虑 选取这种基础型式。 如广东目前使用的插入式斜柱斜面塔脚板式基础型式，就规避了出现灾害性倒塔后插入角钢也随之破 坏，给抢修带来困难的难题。 2009年3月11日我参加

3、了广东省电力设计研究院超高压送电线路铁塔基础优化设计关键技术的研究及 应用科研成果的评审会。 该项目研究的斜柱基础和斜柱挖孔桩基础使用了传统的地脚螺栓连接方式，基础柱顶面垂直于铁塔主 材准线，地脚螺栓不用火曲，基础施工也不再受插入角钢供货影响，采用传统的地脚螺栓链接方式，更易 于应对自然灾害。目前广东已全面推广应用了这项新技术。 插入式基础在近二十多年得到了广范地推广和应用，其中有得也有失。鉴于该基础型的大量应用现状， 和广东已全面推广应用了基础柱顶面垂直于铁塔主材准线，以传统的地脚螺栓连接方式的斜柱基础替代插 入式角钢的斜柱基础型式，这个问题已涉及设计、施工、运行、工程造价等多个方面，值得我

4、们在工程设 计中给予足够的重视。 我们可从一位网友的帖子中看一个很有代表性的观点：我们可从一位网友的帖子中看一个很有代表性的观点： 优秀的基础设计方案不仅要科学合理、材料节约、型式环保，而且还应考虑施工安全优秀的基础设计方案不仅要科学合理、材料节约、型式环保，而且还应考虑施工安全 性、施工工艺性和施工成本等方面的问题。主角钢插入式基础，以其结构科学合理、节性、施工工艺性和施工成本等方面的问题。主角钢插入式基础，以其结构科学合理、节 省材料的优点而被广范应用于各种电压等级的输电线路工程中，但因其插腿找正工艺复省材料的优点而被广范应用于各种电压等级的输电线路工程中，但因其插腿找正工艺复 杂、几何尺

5、寸控制点多、工艺标准较高等特点，也给施工带来了一定困难。特别是高悬杂、几何尺寸控制点多、工艺标准较高等特点，也给施工带来了一定困难。特别是高悬 式主角钢插入式基础，插腿的固定找正尤为困难。式主角钢插入式基础，插腿的固定找正尤为困难。 地脚螺栓式基础是传统的基础设计型式，具有型式简单、支模找正方便、几何受控点地脚螺栓式基础是传统的基础设计型式，具有型式简单、支模找正方便、几何受控点 少、验收标准较低等优点。另外，通过少、验收标准较低等优点。另外，通过2008年初我国南方电网的冰冻灾害可知，地脚螺年初我国南方电网的冰冻灾害可知，地脚螺 栓式基础较插腿式基础受损率较低且便于修复，说明了地脚螺栓式基础

6、比主角钢插入式栓式基础较插腿式基础受损率较低且便于修复，说明了地脚螺栓式基础比主角钢插入式 基础的抗灾能力强。基础的抗灾能力强。 斜插式地脚螺栓基础综合了主角钢插入式基础和地脚螺栓式基础的优点，是一种可以斜插式地脚螺栓基础综合了主角钢插入式基础和地脚螺栓式基础的优点，是一种可以 推广应用的基础型式。至于基坑型式，本人认为斜掏式基坑对地质条件要求较高，开挖推广应用的基础型式。至于基坑型式，本人认为斜掏式基坑对地质条件要求较高，开挖 过程存在着很大的安全隐患，且基坑斜度又难以控制，几何尺寸不易达到设计及验收规过程存在着很大的安全隐患，且基坑斜度又难以控制，几何尺寸不易达到设计及验收规 范标准，因此

7、还是以直柱挖掏型式为宜。范标准，因此还是以直柱挖掏型式为宜。 附：附： 照片照片1：斜插式地脚螺栓基础（来源：在建云广：斜插式地脚螺栓基础（来源：在建云广800kV直流线路工程）直流线路工程） 照片照片2：普通地脚螺栓基础（来源：在建宝德：普通地脚螺栓基础（来源：在建宝德500kV直流线路工程）直流线路工程） 照片照片3：灾后修复主角钢插入式基础（来源：双瓯：灾后修复主角钢插入式基础（来源：双瓯500kV线路灾后重建工程）线路灾后重建工程） 照片照片1：斜插式地脚螺栓基础（来源：在建云广：斜插式地脚螺栓基础（来源：在建云广800kV直流线路工程）直流线路工程） 照片照片2：普通地脚螺栓基础（来

8、源：在建宝德：普通地脚螺栓基础（来源：在建宝德500kV直流线路工程）直流线路工程） 照片照片3：灾后修复主角钢插入式基础（来源：双瓯：灾后修复主角钢插入式基础（来源：双瓯500kV线路灾后重建工程）线路灾后重建工程） 2 湿陷性黄土地基处理方法湿陷性黄土地基处理方法 铁塔基础的地基处理不同于其它建筑物地基的处理，铁塔地基处理主要是全部或部分消铁塔基础的地基处理不同于其它建筑物地基的处理，铁塔地基处理主要是全部或部分消 除其湿陷性。除其湿陷性。 对自重湿陷性黄土地基，由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水对自重湿陷性黄土地基，由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸

9、水 面积有关，而与压层厚度无关，所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。面积有关，而与压层厚度无关，所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。 在非自重湿陷性黄土地基上在非自重湿陷性黄土地基上: 对对级湿陷性黄土一般不需要地基处理。级湿陷性黄土一般不需要地基处理。 对于对于级处理厚度为级处理厚度为1015 m，如处理厚度小于，如处理厚度小于10 m 时，湿陷性仍要危及铁塔的安全。时，湿陷性仍要危及铁塔的安全。 对于对于级湿陷性黄土，处理厚度为级湿陷性黄土，处理厚度为1020 m， 级应为级应为2.03.0 m。 湿陷性黄土层的铁塔基础地基处理方法很多，常用的方法有灰土垫层法。湿陷

10、性黄土层的铁塔基础地基处理方法很多，常用的方法有灰土垫层法。 各种处理方法都有它的适用范围，局限性和优缺点。在确定铁塔地基处理方案时，往往各种处理方法都有它的适用范围，局限性和优缺点。在确定铁塔地基处理方案时，往往 可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。灰土垫可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。灰土垫 层具有强度有保障、水稳定性和抗渗性好，施工工艺简单，取材容易，费用较低的特点被广层具有强度有保障、水稳定性和抗渗性好，施工工艺简单，取材容易，费用较低的特点被广 泛的使用。泛的使用。 3 冻涨土基础冻涨土基础 土壤的冻结会

11、对架空输电线路杆塔基础产生不同程度的影响。我国东北土壤的冻结会对架空输电线路杆塔基础产生不同程度的影响。我国东北 地区地区高寒及沼泽地区杆塔基础冻胀问题调查报告高寒及沼泽地区杆塔基础冻胀问题调查报告统计资料表明，东北地统计资料表明，东北地 区区110-220kV就有因地基土冻胀，杆塔基础失稳而倒杆或倒塔的灾害事故发就有因地基土冻胀，杆塔基础失稳而倒杆或倒塔的灾害事故发 生。不由得人们不对这一问题引起重视。因此生。不由得人们不对这一问题引起重视。因此, 架空输电线路杆塔基础的防架空输电线路杆塔基础的防 冻在设计中应给予充分的考虑就势所必然了。冻在设计中应给予充分的考虑就势所必然了。 架空输电线路

12、杆塔基础的防冻取决于对基础周围土层情况、土壤冻结深架空输电线路杆塔基础的防冻取决于对基础周围土层情况、土壤冻结深 度、冻胀性类别的判别或处于积水中的基础的水深、结冰的情况以及基础形度、冻胀性类别的判别或处于积水中的基础的水深、结冰的情况以及基础形 式的选择等多种因素的影响。这首先应从作用于基础上的冻胀力的作用机理式的选择等多种因素的影响。这首先应从作用于基础上的冻胀力的作用机理 进行分析，针对本工程具体情况继而采取对策措施。进行分析，针对本工程具体情况继而采取对策措施。 1）冻胀力的作用机理）冻胀力的作用机理 土体冻结时，土体内的自由水相将变成冰，使土体澎胀而产生向周土体冻结时，土体内的自由水

13、相将变成冰，使土体澎胀而产生向周 围扩张的张力。当这个张力受到基础的制约，就要对基础产生力的作用，围扩张的张力。当这个张力受到基础的制约，就要对基础产生力的作用， 我们称这种力为土的冻胀力。我们称这种力为土的冻胀力。 为了在工程设计中，易于对这种冻胀力的作用机理进行分析，依其为了在工程设计中，易于对这种冻胀力的作用机理进行分析，依其 与基础的相互作用关系将其分为三类：与基础的相互作用关系将其分为三类： 水平冻胀力：垂直于基础侧面的冻胀力水平冻胀力：垂直于基础侧面的冻胀力 切向冻胀力：沿着基础侧面向上作用的冻胀力切向冻胀力：沿着基础侧面向上作用的冻胀力 法向冻胀力：垂直于基础底面冻胀力法向冻胀力

14、：垂直于基础底面冻胀力 水平冻胀力是土体冻结时，土体横向澎胀扩张传递到基础侧面上的水平冻胀力是土体冻结时，土体横向澎胀扩张传递到基础侧面上的 胀力。这时对基础的稳定状态而言，作用在基础周围的水平冻胀力均呈胀力。这时对基础的稳定状态而言，作用在基础周围的水平冻胀力均呈 对称性，对称等值荷载的作用效果等于零，所以对称性的水平冻胀力对对称性，对称等值荷载的作用效果等于零，所以对称性的水平冻胀力对 基础的稳定性不产生任何影响。但它将增大冻土与基础间的冻结强度，基础的稳定性不产生任何影响。但它将增大冻土与基础间的冻结强度， 间接地使作用于基础上的切向冻胀力增大。间接地使作用于基础上的切向冻胀力增大。 切

15、向冻胀力是土与基础侧表面冻结在一起，并具有一定冻结强度时，切向冻胀力是土与基础侧表面冻结在一起，并具有一定冻结强度时， 土体向上澎胀运动的作用力以剪力形式传递给基础的一种剪力。这也是土体向上澎胀运动的作用力以剪力形式传递给基础的一种剪力。这也是 冻土地区基础设计中的一个重要内容。世界各国的业内人员对此都十分冻土地区基础设计中的一个重要内容。世界各国的业内人员对此都十分 关注，并尽力研究减少切向冻胀力的有效措施。关注，并尽力研究减少切向冻胀力的有效措施。 我国的电力专家对这一克服切向冻胀力问题进行了深入的研究和探我国的电力专家对这一克服切向冻胀力问题进行了深入的研究和探 讨，深入的分析了非饱和粘

16、性土最大切向冻胀力一般出现在讨，深入的分析了非饱和粘性土最大切向冻胀力一般出现在70%最大冻最大冻 深时，和饱和粘性土及沙类土出现在深时，和饱和粘性土及沙类土出现在80%最大冻深时而后随冻深逐渐降最大冻深时而后随冻深逐渐降 低的冻胀特性，对比低的冻胀特性，对比JGJ118-89冻土地区建筑地基基础设计规范冻土地区建筑地基基础设计规范和和 钢筋混凝土桥桩切向冻胀力研究钢筋混凝土桥桩切向冻胀力研究成果，提出了适用于承受上拔荷载成果，提出了适用于承受上拔荷载 的受拉基础或拉、压可变的输电线路杆塔基础的各种土壤、各冻胀类别的受拉基础或拉、压可变的输电线路杆塔基础的各种土壤、各冻胀类别 计算标准冻结深度

17、切向冻胀力极限设计值，及其计算模式，为输电线路计算标准冻结深度切向冻胀力极限设计值，及其计算模式，为输电线路 杆塔基础设计考虑冻胀的影响找到了一个科学、适用的方法。杆塔基础设计考虑冻胀的影响找到了一个科学、适用的方法。 法向冻胀力是土体冻结时，土体澎胀在垂直方向扩张的垂直胀力。法向冻胀力是土体冻结时，土体澎胀在垂直方向扩张的垂直胀力。 在日、美、丹麦、加拿大等国地基设计规范中，规定了基础的埋深一律在日、美、丹麦、加拿大等国地基设计规范中，规定了基础的埋深一律 不小于冻深，这一规定和我国目前的输电线路杆塔基础的设计埋深也不不小于冻深，这一规定和我国目前的输电线路杆塔基础的设计埋深也不 小于冻深的

18、处理方法一致，其目的就是要消除基底法向冻胀力。而前苏小于冻深的处理方法一致，其目的就是要消除基底法向冻胀力。而前苏 联和我国联和我国GBJ7-89建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范目前还采用基底允许有残目前还采用基底允许有残 留冻土层、仅适用于承受下压荷载的永久受压基础，不适用于承受上拔留冻土层、仅适用于承受下压荷载的永久受压基础，不适用于承受上拔 荷载的受拉基础或拉、压可变的输电线路杆塔基础的设计理念。荷载的受拉基础或拉、压可变的输电线路杆塔基础的设计理念。 2）克服冻胀力的方法）克服冻胀力的方法 适用于架空输电线路杆塔基础克服冻胀力的基础形式有：适用于架空输电线路杆塔基础克服冻胀力的

19、基础形式有： 棱台形主柱台阶式基础：当标准冻深与基础埋深相近时，除将基础底盘埋置在标准棱台形主柱台阶式基础：当标准冻深与基础埋深相近时，除将基础底盘埋置在标准 冻深线以下外，尚宜将基础主柱设计成棱台形。据国内外试验研究结果，当棱台坡度（单冻深线以下外，尚宜将基础主柱设计成棱台形。据国内外试验研究结果，当棱台坡度（单 侧）侧）15% 时，就可以有效地使切向冻胀力得以释放，以克服切向冻胀力的影响，这是一时，就可以有效地使切向冻胀力得以释放，以克服切向冻胀力的影响，这是一 个较为简单、可靠、经济、方便的方法之一。当标准冻深较浅，基础埋深较深，两者相差个较为简单、可靠、经济、方便的方法之一。当标准冻深

20、较浅，基础埋深较深，两者相差 较大时，经计算冻深线以下的抗力，大于标准冻深切向冻胀力极限设计值乘以基侧周围冻较大时，经计算冻深线以下的抗力，大于标准冻深切向冻胀力极限设计值乘以基侧周围冻 结面积，即切向冻胀力以及相应设计条件组合的基础上拔作用力之和时，则可采用常规形结面积，即切向冻胀力以及相应设计条件组合的基础上拔作用力之和时，则可采用常规形 式的基础设计。式的基础设计。 灌注桩或打入桩基础：当标准冻深较深的多年冻土地基，或软弱强冻胀地基，则适灌注桩或打入桩基础：当标准冻深较深的多年冻土地基，或软弱强冻胀地基，则适 用灌注桩或打入桩这种深型基础。它的抗力则取桩与不冻土产生的摩阻力、上部结构的自

21、用灌注桩或打入桩这种深型基础。它的抗力则取桩与不冻土产生的摩阻力、上部结构的自 重力、基础的自重力三者之和。自然，当标准冻深较浅，地基土虽软弱但非强冻胀时，就重力、基础的自重力三者之和。自然，当标准冻深较浅，地基土虽软弱但非强冻胀时，就 没有必要使用费用高的桩基础了。没有必要使用费用高的桩基础了。 另：对埋置于土中的基础，克服作用于基础上的冻胀力的方法，还可用部分置换回填土的办法。另：对埋置于土中的基础，克服作用于基础上的冻胀力的方法，还可用部分置换回填土的办法。 即在基础周围一定泛围内，使用非冻胀性材料，置换掉原开挖出的土体（如图即在基础周围一定泛围内，使用非冻胀性材料，置换掉原开挖出的土体

22、（如图4），使冻），使冻 胀力作用到非冻胀性材料时就大部被释放，避免冻胀力直接作用到基础上。这种方法在东胀力作用到非冻胀性材料时就大部被释放，避免冻胀力直接作用到基础上。这种方法在东 北北220kV工程中已采用，至今未发现问题。工程中已采用，至今未发现问题。 4 基础防腐问题基础防腐问题 近期工程中基础防腐问题已成又一个人们关注的热点。随着国家标准对防腐蚀要求的提近期工程中基础防腐问题已成又一个人们关注的热点。随着国家标准对防腐蚀要求的提 高，使得输电行业基础防腐面临着一个难以逾越陡坎。高，使得输电行业基础防腐面临着一个难以逾越陡坎。 国家标准对防腐蚀要求的基本措施，落脚于提高混凝土标号。对于建筑行业来说，大都国家标准对防腐蚀要求的基本措施，落脚于提高混凝土标号。对于建筑行业来说，大都 建于城镇，集中于点，可使用商品混凝土，是一个不难解决的问题。而对于输电行业动徹几建于城镇，集中于点，可使用商品混凝土，是一个不难解决的问题。而对于输电行业动徹几 百上千公里，地形复杂，有的地段荒无人烟，采购商品混凝土谈何容易。工程招标中哪家投