青藏高原冻土地区输电线路电力杆塔基础设计

青藏高原冻土地区输电线路电力杆塔基础设计 万一农 供变电 青藏高原冻土地区输电线路电力杆塔基础设计 万一农 摘 要：通过分析多年冻土对电力杆塔基础的受力特点，并经过理论计算及对非冻土地区和冻土地区电力杆塔 基础设置的比较，论述了青藏高原多年冻土地区电力输电线路杆塔基础设计的特殊性和必要性，为冻土地区输 电线路杆塔基础设置提供了新的技术和方法。 关键词：多年冻土上限；切向冻胀力；管桩；热棒基础 Abstract：By analyzing on the force characteristics of the permafrost transmission tower foundation，researching and comparing test data of the adfreezing force and ground temperature change，through theoretical calculation and the comparison of transmission tower foundation set in non—permafrost area and perm afrost area，expounding uniqueness and necessity of the transmission tower foundation design on the Tibetan plateau permafrost areas，to provide the new technologies and methods for transmission tower foundation set． Key words：natural perm afrost table；tangential frost—heave forces；pile ofheat pipe；therm al probe foundation 中图分类号：U221 文献标识码：A 文章编号：1007。936X(2008)06．0009．04 0 概述 随着青藏铁路的开通，电力能源也将输送到青 藏高原有人类活动的各个区域。作为电力能源传输 手段的电力输电线路，在高原冻土地区如何解决好 电力线路的冻害问，是 目前需研究和解决的首要 课题 。 青藏高原冻土地区电力杆塔基础，采取预应力 防腐蚀混凝土管桩和灌注桩穿透冻土上限的技术 措施，解决负温下钢筋混凝土强度和季节冻土产生 “冻胀”和 “融沉”引起的杆塔稳定性问题，采用 机械化钻孔施工方法，并在钢筋混凝土管桩 (基) 顶设置法兰盘与电力杆塔采用螺栓连接，不采用人 工大面积开挖，对冻土无扰动，对环境无污染，满 足了青藏高原特殊的环保要求。管桩采用防腐蚀混 凝土，使得管桩在常年腐蚀性水、固态介质侵蚀下 混凝土不至于剥落。昆仑山到唐古拉山多年冻土地 区电力杆塔基础采用该项技术后效果显著。 1 冻土地区电力杆塔基础机理和受力分析 (1)电力杆塔基础分混凝土电杆 (以后简称 电杆)基础和铁塔基础 2类，其荷载相对桥墩基础、 房屋基础均较小，一般地区电杆基础采取直埋基础 作者简介：万一农．中铁第一勘察设计院电化处，工程师 陕西 西安 710043，电话：13991255232。 (埋深 2．5 m)，铁塔基础采取台阶式现浇混凝土基 础 (深度约 3 m)，两者均可满足电力线路杆塔荷 载强度的要求，而青藏高原多年冻土地区的上限 (冻结深度)大多数均达到 3 m左右，电力杆塔基 础必须穿透上限且达到能抵抗上限冻土产生的切 向冻拔力的深度 (切向冻拔力约 210 kN)，也就是 说在多年冻土地区，电力杆塔基础要解决的不仅是 承载力 (荷载)，而主要是上限冻土产生的切向冻 拔力对杆塔基础作用的稳定问题，穿透冻土上限只 有桩基础是最理想的基础形式。 (2)为确保青藏铁路 35 kV电力线路杆塔及 基础的稳定性，做到安全、可靠供电，并注重经济 效益，实际选用时可根据不同的冻结深度和不同地 质的冻结强度，在满足力学计算的前提下，根据冻 土危害程度的轻重分别选择不同的基础类型予以 处理，既可解决多年冻土产生的冻胀、融沉对杆塔 基础稳定性的影响，同时又可节约工程费用。根据 青藏高原气温低、盐渍化冻土的特征，通过试验确 定了混凝土保护层厚度及裂缝控制等级，在建筑材 料方面要求铁塔及门杆的主要受力钢构件的材质 采用 Q345．B钢 (16Mn钢)，铁塔灌注桩基础采用 低温早强 C25混凝土，预应力混凝土管桩 (简称 管桩)采用 C60混凝土，其保护层厚 35 mm，抗 裂控制弯矩为 110 kN·m，电杆面做了抗风蚀处 9 供变电 电气化铁道 2008年第6期 理，提高了青藏线电杆塔抗负温、抗大风的能力， 青藏铁路 35 kV 电力线路杆塔及基础能在气温 一 40~C、风速 v=40m／s的条件下正常使用。 (3)门形等径电杆下设管桩基础形式，用 rib300等径电杆，基础采用d)500管桩，两管桩在垂 直线方向的抵抗弯矩为 220 kN·m，顺线方向的抵 抗弯矩为60 kN·m。设计档距 120 Ill、导线LGJ一120、 电杆高度 12ITI、风速v：40mJs时，计算得出双管 桩垂直线方向的最大弯矩为 8 kN·m，顺线方向不 考虑断线的最大弯矩为24 kN·m，考虑断 1根导线 引起的最大弯矩为 56 kN．m。根据计算结果可知门 形等径电杆在风速 v=40 mJs时，两管桩承受的最 大弯矩均小于等径电杆上部提供的抵抗弯矩。 (4)铁塔钻孔灌注桩基础形式，用角钢铁塔， 基础采用钻孔灌注混凝土桩基础，采用的铁塔设计 参数：导线LGJ一150、水平档距 300 ITI、最大风速 v=35 m／s。实际设计采用的水平档距 250 m、导线 LGJ．]20、铁塔高度 12 Ill、风速 v=40 mJs时，计 算得出铁塔基础最大上拔力为 15：3 kN，最大下压 力为 175 kN，再考虑到冬季冻拔力的重叠，铁塔 基础的最大上拔力为 l53(上拔力)+210(切向冻 胀力)>150(自重)kN。而该设计钻孔灌注混凝 土桩的抗拔力为480 kN，抗压力为560 kN。根据 计算结果可知，铁塔在风速 v：40mJs时产生的最 大上拔力和最大下压力均小于该设计钻孔灌注桩 的抵抗力。 2 冻土地区电力杆塔基础的技术特点 以往国内高原冻土地区电力杆塔基础均采用 大开挖换填直埋式技术，这类基础一直没有解决冻 胀力对杆塔的上拔作用，杆塔经过几个冻融循环 后，大都被拔起倾斜或倒覆，尤其进行大开挖后破 坏原冻土的热工平衡，填土无法回复原状，导致水 分迁移，人为加大了冻土上限，并且大开挖对周围 环境和植被破坏较大，,bn,N高原冻土退化。而采用 中铁第一勘察设计院设计的桩基础技术作为电力 杆塔基础时 (参见图 1)，钻孔直径仅为0．7～l m， 孔深约6～10 m，成孔后立即将管桩插入或灌注混 凝土，不影响冻土的热工平衡，对环境和植被损坏 10 很小，管桩 (桩基)伸入多年冻土 (持力层)的深 度，按设计计算要求确定，让多年冻土的冻结力大 于冻土上限内的切向冻胀力与杆塔上拔力之和即 可，使得电力杆塔基础摆脱了冻融循环的影响，解 决了电力杆塔在多年冻土中被拔起倾斜的问题。现 将电力杆塔基础形式确定为4种类型：a．门形等径 电杆下设管桩基础；b．门形锥形电杆直埋换填式基 础；c．铁塔钻孔灌注桩基础；d．热棒辅助式基础。 下面分别介绍施工方法及适用范围。 (1)管桩基础 (见图 l a)。通过机械钻孔后， 将预制好的预应力混凝土管桩插入冻土中。根据冻 土的土质和季节融化层深度 (上限)值，计算确定 季节融化层的切向冻胀力，再计算多年永冻土对管 桩的摩阻力，按摩阻力大于切向冻胀力的要求，计 算确定管桩的插入深度，恰当的插入深度可使管桩 基础摆脱季节融化层的影响，从而保证电力杆塔的 稳定。为了减小季节冻土的切向冻胀对管桩侧面的 作用力，可在管桩的上部 (上限范围内)涂碴油或 工业凡士林，这项涂油措施也可降低管桩的深度， 经过理论计算和现场试验数据得出，涂碴油或工业 凡士林减小季节冻土的切向冻拔力可达 50％。 (2)换填基础 (见图 l b)。通过大开挖将季 节融化层的土质全部挖去换成非冻胀性粗颗粒土， 这种技术在季节融化层 (冻结深度)小于 1．6 m的 地区是可行的，对于季节融化层较大的冻土地区 (如青藏高原地区)，由于大开挖扰动了冻土，冻 土上限可能加大，很难将季节融化层全部换掉，由 此也就无法克服法向冻胀力作用，而法向冻胀力是 切向冻胀力的几十倍，这也是导致大部分换填基础 电力杆塔倾斜倒覆的原因。 由此可见，以前电力杆塔采用换填直埋式基 础，无法从根本上解决多年冻土的 “冻胀”和 “融 沉”问题，只有采取管桩基础这项技术，才能从根 本上解决冻土的 “冻胀”和 “融沉”，保证电力杆 塔在高原冻土地区安全可靠。 (3)钻孔灌注桩基础，电力铁塔基础根据其 受力特点，采用灌注桩基础，钻孔灌注桩图样如图 2所示 (转角铁塔灌注桩)。 青藏高原冻土地区输电线路电力杆塔基础设计 万一农 供变电 昌 2 a管桩基础 一 电杆 f ——、． I 自然地 I ， 扁 ． ? I f 厶＼ I I — — o - J ， 季节融甜 图 1 电力杆塔基础示意图 b换填基础 铁塔基础布置图 A—A 图 2 转角铁塔灌注桩基础布置图 (单位：mm) 多年冻土地区采用旋挖钻机成孔，旋挖钻机钻 孔速度快 (2～3 h可成孔)，并及时放置钢筋笼浇 筑混凝土，一处灌注桩基础应在 24 h内完成 (符 合冻土地区的施工暂规)，从而减少了多年冻土冷 能的释放，钻孔灌注桩设计深度计算同管桩，同时 设计在钻孔灌注桩基础距地面0．5 m处缩小了基础 截面积 (68％)，减少了夏季热量通过灌注桩向下 传递，防止多年冻土发生融化，同样在该处缩小基 础侧面积 (68％)，也降低了冬季冻土冻胀对灌注 桩产生的冻拔力，更好地保证了地基的稳定性。 (4)热棒辅助式基础。在管桩两侧对称插入 2根热棒，在灌注桩基础内设置浇筑 2根热棒，使 得基础底因基坑开挖引起冷能散失的冻土当年回 冻，并提高冻土上限即降低冻结深度，从而减小冻 胀产生的上拔力对基础的影响。同时热棒辅助式基 础可与管桩和灌注桩同时施工，也可在管桩和灌注 桩基础施工完成后，在基础两侧后期打孔插入，可 作为一种后期补强措施。中铁第一勘察设计院在不 冻泉做了热棒辅助式基础试验，通过为期 3年的数 据观测，统计分析得到，设置热棒的电力杆塔基础 与不设置热棒的电力杆塔基础相比，其周围的冻土 层上限上移了 1～1．5 m，注意在冬季灌注桩与热棒 同期浇筑时，若混凝土(水化反应)护龄尚未完成， 应禁止热棒工作。热棒辅助式基础具体详图如图3。 11 T ，。．．．． ．． 。，， ．．．上 供变电 电气化铁道 2008年第6期 热棒 件 i 广n 1．1 I I l I I I l800(t00o) 后期施工灌注桩热棒辅助基础 同期施工灌注桩热棒辅助基础 管桩热棒辅助基础 图 3 热棒辅助式基础示意图 (单位：mm) 3 冻土地区电力杆塔基础应区别其他基础 电力杆塔基础分混凝土电杆基础和铁塔基础2 类，其荷载相差较大，在多年冻土地区电力杆塔基 础与同时期的铁路桥墩、房屋基础受力作用迥异， 其垂直荷载小而上拔荷载大，而桥墩、房屋基础垂 直荷载较大，铁路桥墩、房屋基础要解决地基承载 力问题，而电力杆塔基础主要是解决倾覆和上拔问 题，且铁路桥墩、房屋基础工点相对集中，电力杆 塔基础工点极其分散，一般地区电杆基础采取直埋 式基础 (埋深2．0 m)，铁塔基础采取台阶式现浇混 凝土基础 (深度约 3．0 m)，两者均可满足电力线路 杆塔荷载的强度要求。但电力杆塔基础要解决的不 仅是承载力问题，而主要是上限冻土产生的切向冻 胀力对杆塔基础的稳定性问题。穿透冻土上限只有 桩基础是最理想的基础形式，铁塔基础又比电杆基 础受力大，应区别对待，铁塔基础采取钻孔灌注桩， 而电杆基础采取预应力混凝_十管桩。经计算电杆基 础直径0．5 m即可满足其强度要求，采用预制管桩 还有一个原因是 0．5 m的钻孔若用灌注桩，现场施 工混凝土质量很难控制，何况电杆每 120 m设置～ 处，现场搅拌混凝土量小且点多，运输距离大，混 凝土质量无法保证，而采用管桩基础只需将预制好 的管桩插入钻孔内即可。经计算铁塔基础钻孔灌注 桩直径为 0．8和 1．0 m，每个铁塔基础有 4个钻孔 1 2 灌注桩，现场施工混凝土质量容易控制。 4 结束语 综上所述，在青藏高原多年冻土地区，解决输 电线路杆塔基础稳定性 (拔起倾斜)还是一个需要 长期研究的问题，目前中铁第一勘察设计院设计的 插入管桩和钻孔灌注柱基础，虽然施工费用偏高， 但可从根本上解决冻土的 “冻胀”和 “融沉”对电 力杆塔基础造成的稳定性问题，达到了电力杆塔在 高原冻土地区安全可靠无维修的目的。同时研究的 热棒技术将其作为备用措施，在青藏高原多年冻土 退化或人为温室效应导致基础周围冻土上限提高， 采用热棒辅助方式给予加固，提高了电力杆塔基础 长期抵抗冻土病害的能力，从而保证电力线路长久 可靠的运营。 参考文献： [1]JBJ 118—98．冻土地区建筑地基基础设计规范[S]． [2]JGJ 4-80．工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程 [S]． [3]铁道第一勘测设计院 青藏铁路多年冻土区工程勘察 暂行规定． [4】励国良，等．多年冻土地区桩基试验研究[J]．铁道学报， 1980，2，(1)． [5]丁靖康．热桩的试验研究[J]．路基与地基，1993，(3)． 收稿日期：2008．07．14