青藏直流联网工程杆塔基础的防冻胀措施

2012-09-22臧国华洪四永李敬华张禄琦

电力建设 2012年12期

臧国华，洪四永，李敬华，张禄琦

(1.西北电力设计院，西安市710075;2.西安通信学院，西安市710016)

0 引言

格尔木—拉萨±400kV直流输电线路工程(简称青藏直流联网工程)线路全长约1 100 km，海拔4 000m以上地区约940 km，穿越多年冻土区部分约632 km。这是目前世界上穿越多年冻土区最长的输电线路。

在冻土地区，土体冻结时不论其垂直面还是横剖面，都可以发现厚度不等的冰分凝集合体，使土颗粒之间相互隔离，产生位移，引起土体体积膨胀。如果这种膨胀受到基础的约束时，受约束的土体就要对基础产生作用，这种力称为土的冻胀力。由于冻胀力的作用，冻土地区基础经常被拔起或倾斜，严重影响了输电线路的正常运行［1-5］，因此，有必要采取措施减小或消除冻胀力对基础的影响。

1 减小冻胀力的常规处理措施

1.1 减小基底法向冻胀力的措施

在日本、美国、丹麦和加拿大等国的地基设计规范中，规定了基础的埋深不小于冻深或融深，这一规定的目的就是消除基础底部的法向冻胀力［6-7］。我国的地基基础规范目前还采用验算基础稳定的方法，允许基础底部留有残余冻土层，这项规定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、压可变的架空送电线路杆塔基础。

我国输电线路设计部门对杆塔基础底部法向冻胀力的作用已有充分认识，并采用杆塔基础埋深大于设计冻深(融深)的方法来消除基础底部法向冻胀力。此外，我国规范中规定基础在地下水位之上时可采用换填法［8-9］，用非冻胀性的粗颗粒土做垫层，但垫层的底面必须落在设计冻深线处。

1.2 减小基侧法向冻胀力的措施

当直柱基础位于平地且无特殊锚固要求时，基侧冻胀力呈水平对称，如图1所示。因对称等值荷载的作用效果等于0，所以对称水平基侧冻胀力对基础的稳定性不产生影响。如果采用斜柱基础，由于基柱内外侧水平冻胀力的不平衡，容易引起基础位移，因此冻土区应尽量避免使用斜柱基础。

1.3 减小切向冻胀力的措施

对于如何减小作用于基础上的切向冻胀力，国内外工程界已进行了大量的试验研究，总结出许多有效方法。由于架空送电线路分布地域广阔、工程地质条件复杂多变、分散性大，许多方法或因经济指标较高或方案复杂而无条件实施，能够直接取用的非常有限。目前，适用于输电线路地基与基础的方法有以下3种:

图1 换填非冻胀性材料Fig.1 Changing and filling of non-frost heaving material

(1)换填非冻胀性材料，即利用非冻胀性材料(如中砂、粗砂、砾石、卵石、炉渣等)置换基础周边一定范围的冻胀性土体，避免切向冻胀力作用于基础［9］。

工程实践表明，该方法适用于基础位于地下水位之上的情况，并且施工方法简单、取材方便。

(2)采用梯形斜面基础，即将基础设计成图2的形式。以往的实践结果表明，其侧面坡度比应不低于1∶7，这是克服切向冻胀力作用于杆塔基础的可靠、经济方法，我国规范中也推荐了这种基础形式［8］。

图2 梯形斜面基础Fig.2 Trapezoidal slant foundation

(3)设计深基础，即利用深基础在非冻土中的桩土间摩擦(或冻结)阻力，平衡冻土区域内作用于杆塔基础上的切向冻胀力。深基础一般用于软弱强冻胀地基或多年冻土地基，基础入土深度应满足正常设计荷载和克服冻胀力验算荷载所必须的设计深度，基础施工时要保证基础顶部不出现扩大头，避免出现法向冻胀力的作用。一般采用钻孔灌注桩基础或打入桩基础，因为这种方法经济费用较高，属于隐蔽工程，不宜检测质量。

此外，文献［10］研究了涂料法防冻胀措施，试验发现，经油脂涂料处理后的最大切向冻胀力大幅减小，可以降低(2/3)～(5/6)。

2 基础的防冻胀措施及工程应用

在青藏直流联网工程中，西北电力设计院共设计4个标段，其中位于冻土区的基础共490基，根据地质和水文条件，并结合常规防冻胀措施，本工程采取以下6种基础防冻胀措施。

(1)处理方式1:基础立柱四周抹5 mm厚润滑剂(分3次进行)，基础主柱周围0.1m范围内采用渣油混粗砂填塞，用防渗土工材料包裹，填塞高度为基础立柱底部至地表下0.4m处，外部用原土对整个基坑回填，如图3所示。

图3 防冻胀处理措施1Fig.3 No.1 anti-frost heaving measure

此方式适用于季节性冻土有水的塔位、融区季节性冻深小于立柱高度的塔位、多年冻土地区的无水塔位、塔基虽有水但持力层承载力较好的塔位。根据具体塔位地质条件，本工程没有采用此处理措施。

(2)处理方式2:基础底板下地基土采用粗石料换填，换填宽度为底板宽度两侧加400 mm，换填厚度为400 mm，基础侧壁抹5 mm润滑剂(分3次进行)，基础侧壁再用0.1m厚渣油混粗砂填塞，用防渗土工材料包裹，填塞高度为基础立柱底部至地表下0.4m处，外部用原土对整个基坑回填，处理方式如图4所示。

图4 防冻胀处理措施2Fig.4 No.2 anti-frost heaving measure

此方式适用于多年冻土地区有水的塔位，或塔基持力层为不良冻土的塔位。根据具体塔位地质条件，本工程没有采用此处理措施。

(3)处理方式3:采用桩基时，浇制混凝土前在玻璃钢外侧抹5 mm厚润滑剂(分3次进行)，固定于桩基侧壁，处理方式如图5所示。

图5 防冻胀处理措施3Fig.5 No.3 anti-frost heaving measure

本方式适用于多年冻土地区有水的塔位及地质条件较差的塔位。根据具体塔位地质条件，本工程共62基塔位采用了这种处理方式。

(4)处理方式4:现浇开挖类基础，采用玻璃钢模板支模浇注，保证玻璃钢模板对整个基础的密封性，基础底板下的地基土采用粗石料换填，换填宽度为底板宽度两侧加400 mm，换填厚度为400 mm，处理方式如图6所示。

本处理方式适用于冻胀性和腐蚀性并存的塔位。根据具体塔位的地质条件，本工程共6基塔位采用了这种处理方式。

图6 防冻胀处理措施4Fig.6 No.4 anti-frost heaving measure

(5)处理方式5:现浇开挖类基础，基础立柱采用玻璃钢模板支模浇注，基础底板下的地基土采用粗石料换填，换填宽度为底板宽度两侧加400 mm，换填厚度为400 mm，处理方式如图7所示。

图7 防冻胀处理措施5Fig.7 No.5 anti-frost heaving measure

本方式适用于基侧和基底均有腐蚀性的塔位。根据具体塔位的地质条件，本工程共94基塔位采用了这种处理方式。

(6)处理方式6:现浇开挖类基础，基础立柱采用玻璃钢模板支模浇注，处理方式如图8所示。

图8 防冻胀处理措施6Fig.8 No.6 anti-frost heaving measure

该方案适用于仅基侧土有冻胀性且无腐蚀的塔位。根据具体塔位的地质条件，本工程共119基塔位采用了这种处理方式。

由以上分析可知，青藏直流联网工程综合采用了常规基础防冻胀措施并进行了适当改进，根据塔位的具体情况具体对待，达到了经济、安全、适用的目的。对于装配式基础，基柱采用锥柱形式，同时综合采用了涂抹润滑剂、换填渣油混粗砂、防渗土工材料包裹的方法，最大程度地降低了基侧切向冻胀力。对于有水塔位的基底换填，采用了基地换填法，有效降低了基底法向冻胀力;对于现浇开挖类基础，为了防止水化热对基础周边冻土的扰动，采用玻璃钢模板进行浇筑，玻璃钢模板外表面光滑平顺、憎水，削弱了冻土切向冻胀力。此外，对于换填渣油混粗砂的高度，只换填到地表下0.4m处而不是换填到顶，防止了渣油污染青藏高原的地表环境，达到了环保的目的。