江门220kV银三甲乙线#12跨江塔基础产生不均匀沉降原因分析及处理方法

引言

高压输电线路铁塔作为电能输送系统的重要组成部分,其安全与否至关重要。输电线路跨江塔一般距离河道近,而珠三角地区主要为海陆交互相沉积地貌,地质条件差,淤泥层厚且呈流塑状,含水量高,例如江门市新会区三江镇江门水道附近的淤泥层厚度普遍达到20~30m,此种情况下,基础设计需重点考虑特殊地质条件的影响,避免由于地基土承载力不足而出现桩不均匀沉降现象。

1工程概况

1.1全线概述

现状220kV银三甲乙线起于220kV三江变电站,止于220kV银湖变电站,工程位于江门市新会区三江镇,沿线地形为平地。项目于2002年12月投产,线路全长4.897km,全线杆塔21基,导线采用2xJL/LB1A-400/35铝包钢绞线,地线采用一根LGJx-70/40钢芯铝绞线和一根48芯0PGw,设计最大风速33m/s。

1.2#12塔设计参数及现场情况

根据运行资料,220kV银三甲乙线#11一#12塔跨越江门水道,属于跨江塔,#12塔型为ZK-57。原基础设计为单桩连梁灌注桩基础,设计桩径1.0m,设计桩长34.0m。经现场勘查,#12塔1号腿基础桩下沉严重,导致连梁被拉断破坏,造成铁塔整体向1号腿方向倾斜,如图1所示。

1.3地质情况说明

本线路位于江门市新会区三江镇,此处主要为海陆交互相沉积地貌,地形起伏相对较小,平地段海拔高度2~15m。对#12塔进行复勘后得到土层从上至下分布情况为:素填土层5.2m,流塑状淤泥层24.6m,粗砂层3.4m,可塑状黏土层2.3m,粗砂层2.3m,全风化砂岩2.9m,强风化砂岩3.1m,以下为中风化砂岩。地下水深度为1~2m,地下水丰富,无腐蚀性。地质参数如表1所示。

2不均匀沉降原因分析

2.1特殊地质产生负摩阻力的影响

在桩周土层相对于桩侧向下位移时,土产生于桩侧的摩阻力方向向下,称为负摩阻力。当桩周土层产生的沉降超过基础的沉降时,在计算基桩承载力时应计入桩侧负摩阻力。

通过上述地质情况可知,塔基处上层含水量较高的流塑状淤泥层较厚,随着河水冲刷,河床运动,此类土层会逐渐与桩之间产生相对位移,从而产生一定的负摩阻力,负摩阻力产生向下的力,导致桩向下压力增大,当持力层的承载力不能满足桩的下压力时,桩就会产生不均匀沉降。安全起见,此类地质条件下的跨江塔基础设计时不同于常规基础,需适当考虑负摩阻力的影响。

2.2桩端持力层选择不当

跨江塔往往使用档距大,铁塔基础作用力大,再加上桩负摩阻力的影响,综合考虑,跨江塔基础在选择桩持力层时,应优先选择强风化砂岩等承载力较大的土层,避免将持力层选择为黏土层或淤泥层等承载力低的土层。

220kV银三甲乙线#12铁塔基础设计为单桩连梁灌注桩基础,桩径1.0m,桩长34.0m。地勘资料的土层分布显示此基础的桩端持力层位于可塑状黏土层,而可塑状黏土层极限端阻力较小,不宜做跨江塔持力层,因此选择强风化砂岩层作为基础的持力层较适宜。

2.3计算论证

2.3.1总述

在灌注桩基础验算时,应根据具体情况进行下列项目计算:

(1)承受上拔力的单桩,应计算桩的抗拔稳定性,使桩顶处的设计上拔力不大于单桩的容许上拔力。

(2)承受下压力的单桩,应计算桩的下压承载力,使桩顶处的设计下压力不大于单桩的容许下压力,还应做冻切力的上拔稳定计算。

(3)在有桩负摩阻力的地方,计算时要考虑桩负摩阻力影响。桩周土层沉降可能引起桩侧负摩阻力时,应根据工程具体情况考虑负摩阻力对桩基承载力和沉降的影响。当缺乏可参照的工程经验时,可按下列规定验算:1)摩擦性基桩:Ⅳk≤Ra:2)端承型基桩:Nk+0g≤Ra。

2.3.2铁塔基础作用力

通过查阅ZK-57塔的资料得到铁塔的基础作用力,如表2所示。

2.3.3理论计算

按照上述地勘资料,考虑桩负摩阻力影响,按照最新规程、规范对#l2塔基础进行验算。

(1)上拔承载力计算:

各层土的抗拔系数如表3所示。

式中:7uk为单桩或基桩的抗拔极限承载力标准值(kN):λi为抗拔系数(表3):gsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值(kN/m2):Ui为桩身周长(m):1i为桩周第i层土的厚度(m)。

设计地面以下桩自重:

式中:Gp为单桩或基桩土的自重、地下水位以下区浮重度(kN)。

式中:K为安全系数,取K=2:7k为荷载效应标准组合计算的单桩或基桩上拔力(kN):yf=l.25。

验算通过。

式中:7gk为群桩呈整体破坏时基桩的抗拔极限承载力标准值(kN):cgp为群桩基础包围体积的桩自重除以总桩数、地下水位以下区浮重度(kN)。

验算通过。

(2)下压承载力计算:

偏心竖向力作用下:

式中:Nkmax为荷载组合效应标准组合偏心竖向力作用下桩顶最大竖向力(kN):R为基桩或复合基桩竖向承载力特征值(kN):0uk为单桩竖向极限承载力标准值(kN):gpk为极限端阻力标准值(kN/m2):Ap为桩端面积(m2)。

验算不通过。

通过计算得220kV银三甲乙线#12塔基础的偏心下压计算不能通过,说明桩端所在的黏土层地基承载力不能满足要求,导致基础出现不均匀沉降,与现场出现的情况吻合。

3处理方法

3.1方案阐述

考虑到此塔已运行20余年,锈蚀较为严重,经与业主单位协商,本次处理方案为在旧塔大号侧新建一基跨江塔代替旧塔,新塔的基础充分考虑上述影响因素重新设计。

3.2铁塔选型

新铁塔需根据输电线路导地线选型,考虑沿线地形地貌、气象条件重新设计选型,新建铁塔选用南方电网典型设计中的2D2w8模块,塔型为2D2w8-Z5-57。

2D2w8型铁塔设计为海拔1000m以下、基本风速33m/s(离地面10m)、覆冰厚度0mm、导线2×JL/G1A-400/35、地线LBGJ-150-40AC的双回路铁塔,直线塔呈伞型布置。

3.3基础设计

充分考虑上述不利因素,对基础的桩径和桩长进行优化设计,在保证安全的前提下,尽量做到最经济合理。经计算,新塔基础桩径设计为1.0m,桩长设计为41m,桩端持力层位于强风化砂岩层,能够满足受力要求。基础施工图如图2所示。

4结语

铁塔作为输电线路的重要组成部分,其基础设计的合理性关系到输电线路的安全运行。跨江塔作为跨越航道的重要铁塔,其安全与否不仅关系到输电线路的安全运行,而且关系到航道的安全运行,其基础设计尤为重要。本文针对实际工程中出现的基础不均匀沉降现象,通过详细分析其原因,总结出相关注意事项,提出了实际的解决方法,可供同行学习交流。