辜良雨，劉翔云，張利如，甘運(yùn)良，翟洪利

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，廣東 廣州 510663)

0 引 言

承壓水具有埋藏深、水頭高、易受外力的影響形成自流水等特點(diǎn)，對(duì)地基基礎(chǔ)存在較大的危害性。平原地區(qū)輸電線路通常采用預(yù)制方樁、管樁、沉井、沉箱或機(jī)械施工灌注樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)形式，可有效降低承壓水的不利影響。西南地區(qū)多山少路，道路交通條件差，輸電線路建設(shè)施工受到很多外部因素制約，基礎(chǔ)施工機(jī)械化率較低，承壓水地區(qū)通常采用人工開挖的方式進(jìn)行板式基礎(chǔ)的施工。因此，難以避免地存在不同程度的地基擾動(dòng)、回填不均、基坑支護(hù)困難等施工問題，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不同程度的沉降和偏移。在承壓水的作用下可能導(dǎo)致基礎(chǔ)墊層不規(guī)則隆起，并進(jìn)一步加大沉降和偏移，對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于承壓水地質(zhì)條件下的輸電線路柔性板式基礎(chǔ)的沉降治理尚無系統(tǒng)的研究[1-4]，結(jié)合云南山區(qū)某特高壓線路工程實(shí)例，數(shù)值模擬對(duì)山區(qū)輸電線路承壓水地區(qū)采用柔性直柱大板基礎(chǔ)出現(xiàn)的偏移、不均勻沉降等問題進(jìn)行了分析，提出了有效的治理措施，并通過近2年的長(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè)對(duì)治理效果進(jìn)行了實(shí)踐驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明所提出的治理措施具有良好的效果，對(duì)類似工程問題的處理具有借鑒和推廣價(jià)值。

1 承壓水相關(guān)規(guī)定

1.1 承壓水定義

建筑工程中通常將充滿于2個(gè)穩(wěn)定隔水層(或弱透水層)之間的含水層中的重力水，稱承壓水，如圖1所示。

圖1 承壓水埋藏

承壓水主要有以下特性：1)承壓性，承受靜水壓力；2)補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)的分布較為明顯；3)補(bǔ)給區(qū)具有潛水的特點(diǎn)；4)埋藏深度大，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

1.2 承壓水地基設(shè)計(jì)和施工要求

國(guó)內(nèi)關(guān)于山區(qū)輸電線路承壓水地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工的相關(guān)理論和案例較少，僅有限的幾本規(guī)程規(guī)范做出了基本要求如下：

1)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]

附錄W.01條規(guī)定：當(dāng)上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時(shí)，如圖2所示，基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性可按式(1)驗(yàn)算。

圖2 基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定驗(yàn)算

(1)

式中：γm為透水層以上土的飽和容重，kN/m3；t+Δt為透水層頂面距基坑底面的深度，m；pw為含水層水壓力，kPa。

2)GB 1004—2015《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》[7]

第7.3.4條規(guī)定：承壓含水層頂埋深小于基坑開挖深度，應(yīng)采取有效的降水措施，將承壓水水頭降低至基坑開挖面和坑底以下，如圖3所示。當(dāng)驗(yàn)算基坑承壓水穩(wěn)定性不滿足式(2)要求時(shí)，應(yīng)通過有效的減壓降水措施，將承壓水水頭降低至安全水頭埋深以下。

圖3 承壓含水層

(2)

式中：k為基坑抗承壓水穩(wěn)定性系數(shù)；γ為土的容重，kN/m3；H為基坑底距承壓含水層頂板的距離，m；γw為水的容重，kN/m3；h為承壓水頭高于含水層頂板的高度，m。

2 工程案例分析

2.1 案例概況

西南地區(qū)某特高壓直流線路工程AJ106塔位C、D腿基礎(chǔ)墊層施工后出現(xiàn)基底隆起現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，C、D腿基坑開挖未按設(shè)計(jì)要求支護(hù)，且開挖的土石方未按設(shè)計(jì)要求外運(yùn)，而是在基坑周邊堆放形成集中堆載，C、D腿已澆筑的基礎(chǔ)墊層局部有隆起現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)墊層隆起

AJ106塔位于中山斜坡中下部，整體地形坡度為10°～15°?；镜刭|(zhì)條件為：塔位0～9.8 m為可塑粉質(zhì)粘土混碎塊石；9.8～13.7 m為稍密碎石；13.7～17.1 m為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，再以下為中風(fēng)化泥巖；勘探期間地下水深10.4 m，靜止水位0 m，為承壓水。

該塔位處于大片農(nóng)田中，因塔位附近無交通條件且塔位下坡側(cè)有民房和大棚等設(shè)施，設(shè)計(jì)采用了直柱板式基礎(chǔ)，各腿基礎(chǔ)配置均為DJ6563，底板寬6.5 m×6.5 m，基礎(chǔ)埋深5.4～6.0 m。各腿相對(duì)位置見圖5所示。

圖5 AJ106塔位各腿相對(duì)位置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況研究表明：該基坑未支護(hù)，也未按設(shè)計(jì)要求放坡，坑邊有大量棄土堆載；基坑開挖后長(zhǎng)時(shí)間暴露，在承壓水作用下造成基坑一定程度的隆起。因此，確定采用漿砌塊石回填反壓的應(yīng)急處理措施?？紤]到基底擾動(dòng)、回填土沉降固結(jié)等不利因素，對(duì)基礎(chǔ)地腳螺栓采取了加長(zhǎng)措施。

采用漿砌塊石反壓處理后，經(jīng)觀測(cè)，未見繼續(xù)隆起?；A(chǔ)澆筑回填完成后，經(jīng)過測(cè)量，C、D腿基礎(chǔ)高程與設(shè)計(jì)理論值相比有下沉，且C、D腿之間距離較設(shè)計(jì)理論值減小約60 mm。根據(jù)隱蔽工程驗(yàn)收記錄分析，上述偏移沉降主要發(fā)生在基礎(chǔ)澆筑完成后。

2.2 基礎(chǔ)沉降影響數(shù)值分析

根據(jù)AJ106塔位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合SmartTower鐵塔計(jì)算軟件和ANSYS有限元分析軟件，開展了基礎(chǔ)沉降對(duì)基礎(chǔ)和鐵塔的影響分析，并對(duì)基礎(chǔ)沉降的治理效果進(jìn)行了數(shù)值分析，為制定基礎(chǔ)處理方案提供了依據(jù)。

2.2.1 沉降對(duì)基礎(chǔ)的影響分析

AJ106塔轉(zhuǎn)角為左轉(zhuǎn)20°04′，大風(fēng)運(yùn)行工況下，A、B腿為下壓腿，C、D腿為上拔腿。根據(jù)各主要施工階段，基礎(chǔ)加載分析分為3個(gè)階段。

階段1：基礎(chǔ)回填完成后，各腿承受的回填土及基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的下壓力約6116 kN。

階段2：鐵塔組立完成后，各腿增加下壓荷載320 kN，水平荷載約38 kN。

階段3：架線完成后，架線后基礎(chǔ)作用力理論極限值如表1所示，表中：Tmax為最大上拔力；TX、TY分別為最大上拔力對(duì)應(yīng)的橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向的水平力；Nmax為最大下壓力；NX、NY分別為最大下壓力對(duì)應(yīng)的橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向的水平力；正、反向風(fēng)速為設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s。

表1 架線后基礎(chǔ)作用力

C、D腿基礎(chǔ)施工全過程加載情況分析見表2。

表2 C、D腿基礎(chǔ)加載情況分析

基礎(chǔ)沉降會(huì)引起基礎(chǔ)水平力明顯增大，沉降前后的最大基礎(chǔ)作用力對(duì)比見表3。

表3 沉降前后基礎(chǔ)作用力對(duì)比

依據(jù)表1—表3可以得出如下結(jié)論：

1)鐵塔組立完成后，相比當(dāng)前基礎(chǔ)回填的狀態(tài)，其下壓荷載增加約6%，對(duì)地基變形影響較小。

2)架線完成后，在各類計(jì)算工況下C、D腿基礎(chǔ)理論上均承受上拔力，無下壓力，對(duì)地基變形是有利的。

3)架線完成后，偶爾存在反向風(fēng)作用。雖然此時(shí)C、D腿基礎(chǔ)可能產(chǎn)生下壓荷載，但下壓力遠(yuǎn)小于鐵塔組立完成后的下壓力，且反向風(fēng)屬于瞬時(shí)荷載，對(duì)地基變形影響也非常微小。

4)所有工況作用下各基礎(chǔ)(包括D腿偏心受力基礎(chǔ))在考慮基礎(chǔ)沉降后的承載力經(jīng)均滿足要求，無需對(duì)基礎(chǔ)本體進(jìn)行特殊處理。

2.2.2 沉降對(duì)鐵塔的影響分析

輸電線路鐵塔基礎(chǔ)沉降分為均勻沉降和不均勻沉降。工程實(shí)踐和理論計(jì)算分析表明：1)各腿的均勻沉降對(duì)鐵塔受力影響較小；2)兩腿穩(wěn)定、其余兩腿同步沉降也基本沒有影響；3)各腿都不均勻沉降且持續(xù)加大會(huì)導(dǎo)致鐵塔各控制尺寸發(fā)生改變，產(chǎn)生較大的次內(nèi)力，對(duì)桿件受力產(chǎn)生不利影響。

有限元計(jì)算分析表明，當(dāng)AJ106塔位各腿的相對(duì)不均勻沉降達(dá)到20 mm時(shí)，理論上會(huì)引起塔腿以上第2個(gè)隔面角部斜材，見圖6(a)中標(biāo)紅桿件，螺栓抗剪強(qiáng)度不足。補(bǔ)強(qiáng)后繼續(xù)加大不均勻沉降至28 mm時(shí)，塔腿以上第2個(gè)隔面交叉斜材超限破壞，見圖6(b)標(biāo)紅桿件。

(a) BC腿 (b) CD腿

圖6 不均勻沉降超限后鐵塔構(gòu)件應(yīng)力

因此，治理方案首先需采取有效措施，減小各腿的不均勻沉降，并在后期分階段持續(xù)監(jiān)測(cè)，一旦不均勻沉降值接近20 mm，就須立即采取應(yīng)急處理預(yù)案，如打臨時(shí)拉線、加墊鋼板等。

2.3 基礎(chǔ)處理方案確定

相關(guān)研究表明[8]，基坑未采取降排水措施、墊層澆筑前基底有擾動(dòng)且未處理、未按規(guī)定進(jìn)行放坡和支護(hù)、回填時(shí)機(jī)械碾壓等是造成輸電線路大板式基礎(chǔ)不均勻沉降的主要原因。

對(duì)AJ106塔位現(xiàn)場(chǎng)開展了補(bǔ)充勘探，包括探坑、探井和地質(zhì)點(diǎn)調(diào)查，并進(jìn)行了工程地質(zhì)鉆探、標(biāo)貫試驗(yàn)和土工試驗(yàn)，再次確認(rèn)了場(chǎng)地穩(wěn)定性、地質(zhì)分層情況與原設(shè)計(jì)一致。根據(jù)補(bǔ)充勘探及土力學(xué)分析結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定基礎(chǔ)的偏移沉降主要由以下因素造成：

1)基礎(chǔ)澆筑后，重力荷載增加，使擾動(dòng)土進(jìn)一步壓實(shí)，引起基礎(chǔ)沉降；

2)回填的漿砌塊石之間存在空隙，基礎(chǔ)澆筑和基坑回填后，受壓力影響，漿砌塊石被擠密壓縮，間隙減小，引起基礎(chǔ)偏移和不均勻沉降；

3)反壓用的漿砌塊石未滿漿滿鋪且基礎(chǔ)未按要求分層回填夯實(shí)，如圖7所示，以及單側(cè)施工和反復(fù)碾壓等因素導(dǎo)致了基礎(chǔ)偏移和不均勻沉降進(jìn)一步加大。

圖7 漿砌塊石反壓施工現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)AJ106塔位基礎(chǔ)不均勻沉降和偏移問題，根據(jù)前述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，分析認(rèn)為目前基礎(chǔ)根開及相對(duì)高差已不滿足驗(yàn)收規(guī)范要求，需采取下列處理措施：

1)不均勻沉降矯正：在C、D基礎(chǔ)加墊鋼板，減小基礎(chǔ)頂面高差至滿足驗(yàn)收規(guī)程要求，對(duì)于加墊鋼板后基礎(chǔ)頂面與塔腳板間的縫隙，按驗(yàn)收規(guī)程要求采用水泥砂漿回填密實(shí)。

2)偏移矯正：重新加工D腿塔腳板，通過調(diào)整塔腳板上地腳螺栓孔位，保證鐵塔各腿根開滿足驗(yàn)收規(guī)程要求。對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行偏心受力驗(yàn)算，滿足承載力要求。

采取上述處理措施后，基礎(chǔ)不均勻沉降和偏移問題得到了有效處理，各項(xiàng)參數(shù)均滿足現(xiàn)行輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)程[9]的相關(guān)要求。

3 治理效果長(zhǎng)期觀測(cè)驗(yàn)證

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在后期組塔、架線施工過程中由于施工擾動(dòng)和桿塔加載可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降和偏移進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，該工程為特高壓直流線路工程，輸送容量巨大，作為南方電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)絡(luò)，不允許其遺留安全隱患。因此，對(duì)AJ106塔位從施工到運(yùn)行持續(xù)進(jìn)行了為期近2年的基礎(chǔ)沉降和偏移觀測(cè)，對(duì)治理效果進(jìn)行了充分驗(yàn)證。

3.1 長(zhǎng)期觀測(cè)方案

AJ106塔位在2019年10月完成基礎(chǔ)澆筑，2020年3月完成鐵塔組立，2020年5月完成架線，2020年8月竣工投運(yùn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[9-11]中沉降觀測(cè)的要求，對(duì)AJ106塔位制定了更為嚴(yán)格的長(zhǎng)期觀測(cè)計(jì)劃，整個(gè)觀測(cè)期為2年，共計(jì)觀測(cè)75次，詳見表4。

表4 AJ106塔位沉降偏移長(zhǎng)期觀測(cè)計(jì)劃

本次持續(xù)觀測(cè)分別在AJ106塔位各腿基礎(chǔ)頂面、塔腳板及地腳螺栓上固定測(cè)點(diǎn)，并通過在100 m外農(nóng)房墻壁貼反光片對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度修正，始終將人工持鏡造成的測(cè)量誤差影響控制在毫米級(jí)。

3.2 觀測(cè)結(jié)果

雖然鐵塔組立期間頻繁有大型施工機(jī)械進(jìn)出塔位，對(duì)各腿基礎(chǔ)回填土層反復(fù)碾壓，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)有一定影響，但是各項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)持續(xù)擴(kuò)大的變化趨勢(shì)。各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)變化主要是由于基礎(chǔ)地基自然沉降、頻繁持續(xù)降雨回填土沉積固結(jié)以及人工持鏡測(cè)量誤差3個(gè)因素共同作用的結(jié)果。

表5的根開數(shù)據(jù)表明，AJ106塔位各施工階段的根開值均滿足現(xiàn)行施工及驗(yàn)收規(guī)程[9]對(duì)根開誤差不大于±0.2%的要求。

表5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)根開數(shù)據(jù)

圖8為AJ106塔位各基礎(chǔ)根開變化趨勢(shì)圖，可以看出基礎(chǔ)根開前期變化幅度相對(duì)稍大，但是到2020年7月以后根開值已基本收斂趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(c) AD腿 (d) AB腿圖8 各腿基礎(chǔ)正面根開變化趨勢(shì)

表6的各腿基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)表明，自2020年9月30日至2021年11月5日的100天內(nèi)，AJ106塔位各腿基礎(chǔ)的最大沉降速率均小于0.04 mm/d，滿足建筑變形測(cè)量規(guī)范[11]對(duì)沉降速率的要求，基礎(chǔ)沉降已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

表6 各腿基礎(chǔ)沉降值數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

上面結(jié)合工程實(shí)例，通過理論和數(shù)值模擬對(duì)山區(qū)輸電線路承壓水地基采用直柱大板基礎(chǔ)出現(xiàn)的偏移沉降問題進(jìn)行了分析和治理，并結(jié)合2年的長(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè)對(duì)治理效果進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，采用所推薦的治理方法是有效可靠的，可以為今后的工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

針對(duì)山區(qū)輸電線路承壓水地基建議采取以下措施，可有效減小或消除基礎(chǔ)偏移沉降等可能出現(xiàn)的各類問題：

1)在交通條件具備前提下，承壓水地基建議優(yōu)先采用灌注樁基礎(chǔ)，穿透承壓水層，同時(shí)應(yīng)采用有效的降水、排水和防護(hù)措施；

2)承壓水地基采取大開挖基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)根據(jù)承壓水埋深、水頭高度等參數(shù)，進(jìn)行基坑抗?jié)B流穩(wěn)定性計(jì)算，并加強(qiáng)坑壁支護(hù)，嚴(yán)禁在坑口堆載；

3)對(duì)承壓水水頭過大導(dǎo)致基底隆起的，應(yīng)立即采取反壓措施，如漿砌塊石反壓；

4)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督，按要求采取坑壁支護(hù)、棄土外運(yùn)、基坑分層回填夯實(shí)以及反壓的漿砌塊石應(yīng)滿漿滿鋪等保證施工質(zhì)量的措施；

5)對(duì)基礎(chǔ)可能發(fā)生偏移和不均勻沉降的塔位基礎(chǔ)，應(yīng)適當(dāng)加大地腳螺栓孔徑和出露長(zhǎng)度，以便后期調(diào)節(jié)塔腳板高度，抵消偏移和不均勻沉降對(duì)鐵塔的不利影響；

6)各腿基礎(chǔ)不均勻沉降加大后可能首先導(dǎo)致腿部以上隔面斜材和螺栓失穩(wěn)破壞，對(duì)可能出現(xiàn)不均勻沉降塔位的上述桿件和螺栓應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)處理；

7)施工期間應(yīng)定期進(jìn)行基礎(chǔ)偏移、沉降觀測(cè)，尤其是基坑回填前必須采集相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，消除隱患。