电网设计 500kV线路海中铁塔基础设计
500kV 线路海中铁塔基础设计
方孝伍
(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)
摘要：莆田LNG 电厂500kV 线路送出工程需在海中立塔，铁塔基础采用高桩墩台结构型式，桩基采用斜钢管桩。对结构进行有限元整体分析，得到每一根桩的内力和位移，为工程的设计提供依据。关键词：海中基础；高桩墩台；钢管桩；有限元；水平荷载。
中图分类号：TM75 文献标志码：B 文章编号：1671-9913(2010)06-0065-04
Design of Iron Tower Foundation in Sea in 500kV Transmission Line
FANG Xiao-wu
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)
Abstract: The transmission line of Putian LNG power station lay a tower in the sea, the type of tower foundation is high-level platform, the support system is oblique steel pipe. Through analysis of the whole structure, calculate the inner force and the displacement, in order to supply basis for engineering design.
Key words: foundation in sea; high-level platform; steel pipe; FEM; horizontal load.
1 工程概况
莆田LNG 电厂～莆田500 kVI、II 回线路工程是国家重点工程莆田LNG 电厂的配套送出工程，也是福建电网接受新能源发电的里程碑工程，同时也是国内首条500 kV同塔双回海上大跨越输电线路。该线路起于莆田LNG 电厂，至莆田500 kV变电站。线路沿线经济发达、村庄密集、土地资源十分宝贵，输电线路采用架空跨越的方式穿过湄洲湾，需在海中立一基铁塔。
工程区域濒临台湾海峡，台风盛行，受台风暴潮的影响，潮位波动范围大，波浪破坏力大，海水腐蚀能力极强；基础位置附近有较大船只通过，需考虑可靠的防撞防护措施保证基础安全。铁塔基础工作环境恶劣，施工条件复杂，工程实施难度很大。
2 设计基础资料
2. 1 水文气象条件
工程海域受台湾海峡两侧山脉和季风环流的影响，具有典型的亚热带海洋性季风气候特征。多年平均气温20.3℃，设计基准风速40.6 m/s，台风影响时极大风速值估算为55.1 m/s。
海区的潮汐为正规半日潮型，设计高潮位3.70 m，设计低潮位-2.98 m，重现期为100年的年极值高潮位5.12 m，极值低潮位-3.83 m。台风暴潮对湄洲湾的危害严重，在重现期潮位推算所用的年极值潮位中已包括风暴潮影响值，故风暴潮的影响不另考虑。
百年一遇高潮位下累积频率1%的波高H 1%
为2.52 m。百年一遇高潮位下50年一遇H 1%静水面以上的波峰面高度：
η0 =0.66×2.52=1.66 m(η0按《海港水文
* 收稿日期：2010-07-12
作者简介：方孝伍(1978-)，男，硕士，工程师，从事电力土建设计工作。
2010年12月 第6期
65
电网设计 500kV线路海中铁塔基础设计
规范》8.3.2.1计算)
最大涨潮流速0.65 m/s，最大落潮流速0.45 m/s。
中粒结构为主，块状构造，主要成分石英、长石、云母等，裂隙较发育。厚度大于10 m。
根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001) ，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组属第一组，地震动反应谱设计特征周期为0.35 s。
2. 2 地形及地质条件
湄洲湾岸线曲折，主要由基岩海岸组成，局部出现淤泥质、砂质海岸，基础位于海湾中部，滩涂、浅海地貌，地基土层主要由海积土层以及花岗岩及其风化层组成，自上而下描述如下：
①淤泥，灰黑色，海积，流塑，饱和，主要成分为粘土矿物，含少量粉细砂，含腐殖质、有机质、贝壳等，稍有腥臭味，韧性中等，干强度中等，无摇振反应。一般厚度4 m ～5 m。
②粉质粘土混卵石，灰色、灰黄等色，海积，稍密，饱和，粘性土以软塑为主，局部可塑，很湿～饱和，含粘粒、砂团等及有机质；卵石磨圆较差，分选差，级配差，主要成分中风化花岗岩碎块，粒径多为2 cm～10 cm，少量超过10 cm。本层成分分布不均匀，多数地段以粘性土为主，局部以卵、碎石为主。层厚一般3.1 m～5.3 m。重型动力触探试验表明，最大击数约19击/10 cm，一般8～14击/10 cm。
③砂质粘性土，残积，土黄色，含15%～25%中粗砂，混中风化孤石、底部见原岩结构，粘性差，遇水易软化，易冲刷，土呈稍湿、硬塑状态，厚度变化大，局部缺失。本基钻探未揭露。
④全风化花岗岩，褐黄色，呈可～硬塑粘性土状，主要成分为长石风化而成的粘性土、少量石英，原岩结构依稀可辨。一般厚度1 m～5 m。
⑤强风化花岗岩(砂土状) ，褐黄色，散体状结构，长石已全部风化成土状，含约10%～20%石英颗粒，原岩结构可辨，手搓即成砂土状。本层一般厚度20 m～40 m。
⑥强风化花岗岩(碎块状) ，褐黄色、浅灰色，斑杂状、碎裂状结构，块状构造，长石部分风化，原岩结构完整，解理裂隙发育，球状风化严重。一般厚度4 m～7 m。
⑦中风化花岗岩，浅灰、灰白等杂色。
3 基础结构型式、桩型选择及结构计算
3. 1 结构型式
高桩墩式承台(高桩墩台) 结构型式特点是利用打入地基一定深度的桩，将作用在基础上的荷载传至地基中，墩台高出水面，不受波浪力及浮托力，根据工程海域的地质条件，基础采用此种结构型式。
3. 2 桩型方案比选3.2.1 冲(钻) 孔灌注桩
钻(冲) 孔灌注桩桩径、桩长可根据设计需要确定，采用一定护壁成孔措施，灌注桩可用于各种复杂的地质，适用范围广。其水上施工技术成熟，无需大型起重设备，施工用钢护筒既作为施工期的工作平台支撑又可兼作桩基防腐之用。其缺点是：为提高基础刚度及抵抗水平力的能力，满足水平位移的要求，只能通过增加桩数、放大桩径来满足水平承载及变形要求；施工时需搭设施工平台，工期长。
3.2.2 预应力管桩
预应力管桩具有单桩承载力高、单位承载力价格便宜、施工速度快等优点，目前广泛桥梁及房屋建筑工程等，但由于本工程地质条件的限制，桩的入土深度较浅，不能满足承载能力要求。
3.2.3 钢管桩
钢管桩具有自重轻、抗弯能力强、施工过程稳定性好等优点，而且可以设计成斜桩，大大增强了抵抗水平荷载的能力，水上钢管桩的施工采用打桩船，沉桩速度快，可利用工程桩搭设墩台浇筑平台，工期短。本工程采用钢管
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桩桩基型式。
4. 3 结构计算模型
4 基础结构计算
本结构承台顶标高10.2 m，平面尺寸4. 1 基础作用力
40.2 m×40.2 m，高度3 m，中间部分挖空，采用联系梁连接作为架爬梯的平台。墩台为空间⑴永久作用：铁塔平台自重力
刚性梁单元，桩基为线弹性空间梁单元。将墩⑵可变作用：铁塔根部作用力、波浪力、台与桩基相连的节点作为主节点，桩基与墩台水流力
相连的节点为从节点，各单元通过节点互相连⑶偶然作用：地震作用
接；从节点在整体坐标系下的位移和转角用刚4. 2 桩土相互作用分析模型
性墩台主节点在整体坐标系下的位移和转角表示。在桩水平(两个方向) 和桩底分别用弹簧约束墩台结构桩基泥面以下考虑桩、土的相互模拟桩、土间相互作用。结构计算模型见图1。
作用，采用m 法设置土体弹簧，模拟桩、土间相互作用。在桩水平(两个方向) 和桩底分别用弹簧约束
水平弹簧(地基反力系数) 刚度的计算： K
=Amz 式中：K 为地基的反力系数(kN/m)；m 为土的
水平地基抗力系数随深度增长的比例系数(kN/m4) A 为土的作用面积(m2) A =2D ΔZ ；D
为桩的外径(m)；ΔZ 为计算土的作用范围(m)；z 为计算点的深度(m)。
桩的轴向反力系数即桩在单位轴向力作用下的桩顶轴向位移按下式计算：
K =
L 1
E +P A P C
C = (115～145) Q ud
图1 高桩墩台结构计算模型
桩底弹簧轴向反力系数：
4. 4 计算结果及分析
k =K −
L E 在不同风向的风荷载作用下，共计算了承P A P
载能力极限状态下8种工况的桩基的内力和位式中：K 为桩轴向反力系数，即桩在单位轴向
移，最大压桩力见图2，水平位移见图3
。
力作用下的桩顶轴向位移(m/kN)；k 为桩底轴向弹簧反力系数，即单位轴向力作用下弹簧的轴向位移(m/kN)；L 0为桩在泥面以上长度(m)；L 为实际模型中桩长度(m)；E p 为桩材料的弹性模量(kPa)；A P 为桩身横截面面积(m2) ；C 为桩入土部分的单位沉降所需的轴向力，其沉降值包括土中桩身的压缩变形与桩端下土的沉降变形两部分(kN/m)；Q ud 为单桩垂直极限承载图2 不同工况下压桩力(+表示压力；-表示拉力)
力标准值(kN)。
(下转第71页)
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在满足规程其他要求的范围内，可以采取措施来提高二次系统所能承受的接地电阻值。考虑的措施有：由二次设备厂家确认二次设备所能承受的接地电阻值，并在设备采购中加以明确；校验二次电缆设备的地电位差；在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体，以分流电缆屏蔽层中的电流；在计算机房、通信机房、继电保护室等二次设备间敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网；等等。
区域单独采取均压或敷设高电阻率地面层等措施，使该区域的接地网满足跨步电势和接触电势的要求。当全所跨步电势不满足要求，且当进一步降低接地电阻满足跨步电势要求的费用较高在经济上不合理时，可以在所内铺设厚度不小于20 cm的碎石，解决跨步电势问题。另外，可要求避雷线在距所区2 km范围内采用良导体逐塔重复直接接地，采取加强分流的措施；可以在独立避雷针接地装置处设20 m深接地浅井或设2～3个电解离子接地极，以降低雷电流幅值。
对二次系统电子装置的逻辑接地要求，可采取均压隔离分流、在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体的措施。
5 低阻地区变电所接地设计的思路
根据DL/T 5394 《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》，土壤电阻率在20 Ω·m及以下时，变电所接地网应采用碳钢加阴极保护防腐措施。
6 结论
本文梳理了有效接地和低电阻接地系统中变电所设计接地系统的主要思路。
重点对高阻地区变电所的接地设计思路作了系统性的归纳：水平主接地网边角内外侧，为跨步电势或接触电势的峰值地带，可以在此
参考文献：
[1] DL/T621，交流电气装置的接地[S]．
[2] DL/T 5091，水力发电厂接地设计技术导则[S]．[3] DL/T 620，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]．[4] DL/T 5136，火力发电厂，变电所二次接线设计技
术规程[S]．
[5] DL/T 5394，电力工程地下金属构筑物防腐技术导则[S]．
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电网设计 500kV线路海中铁塔基础设计
500kV 线路海中铁塔基础设计
方孝伍
(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)
摘要：莆田LNG 电厂500kV 线路送出工程需在海中立塔，铁塔基础采用高桩墩台结构型式，桩基采用斜钢管桩。对结构进行有限元整体分析，得到每一根桩的内力和位移，为工程的设计提供依据。关键词：海中基础；高桩墩台；钢管桩；有限元；水平荷载。
中图分类号：TM75 文献标志码：B 文章编号：1671-9913(2010)06-0065-04
Design of Iron Tower Foundation in Sea in 500kV Transmission Line
FANG Xiao-wu
(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003, China)
Abstract: The transmission line of Putian LNG power station lay a tower in the sea, the type of tower foundation is high-level platform, the support system is oblique steel pipe. Through analysis of the whole structure, calculate the inner force and the displacement, in order to supply basis for engineering design.
Key words: foundation in sea; high-level platform; steel pipe; FEM; horizontal load.
1 工程概况
莆田LNG 电厂～莆田500 kVI、II 回线路工程是国家重点工程莆田LNG 电厂的配套送出工程，也是福建电网接受新能源发电的里程碑工程，同时也是国内首条500 kV同塔双回海上大跨越输电线路。该线路起于莆田LNG 电厂，至莆田500 kV变电站。线路沿线经济发达、村庄密集、土地资源十分宝贵，输电线路采用架空跨越的方式穿过湄洲湾，需在海中立一基铁塔。
工程区域濒临台湾海峡，台风盛行，受台风暴潮的影响，潮位波动范围大，波浪破坏力大，海水腐蚀能力极强；基础位置附近有较大船只通过，需考虑可靠的防撞防护措施保证基础安全。铁塔基础工作环境恶劣，施工条件复杂，工程实施难度很大。
2 设计基础资料
2. 1 水文气象条件
工程海域受台湾海峡两侧山脉和季风环流的影响，具有典型的亚热带海洋性季风气候特征。多年平均气温20.3℃，设计基准风速40.6 m/s，台风影响时极大风速值估算为55.1 m/s。
海区的潮汐为正规半日潮型，设计高潮位3.70 m，设计低潮位-2.98 m，重现期为100年的年极值高潮位5.12 m，极值低潮位-3.83 m。台风暴潮对湄洲湾的危害严重，在重现期潮位推算所用的年极值潮位中已包括风暴潮影响值，故风暴潮的影响不另考虑。
百年一遇高潮位下累积频率1%的波高H 1%
为2.52 m。百年一遇高潮位下50年一遇H 1%静水面以上的波峰面高度：
η0 =0.66×2.52=1.66 m(η0按《海港水文
* 收稿日期：2010-07-12
作者简介：方孝伍(1978-)，男，硕士，工程师，从事电力土建设计工作。
2010年12月 第6期
65
电网设计 500kV线路海中铁塔基础设计
规范》8.3.2.1计算)
最大涨潮流速0.65 m/s，最大落潮流速0.45 m/s。
中粒结构为主，块状构造，主要成分石英、长石、云母等，裂隙较发育。厚度大于10 m。
根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001) ，本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组属第一组，地震动反应谱设计特征周期为0.35 s。
2. 2 地形及地质条件
湄洲湾岸线曲折，主要由基岩海岸组成，局部出现淤泥质、砂质海岸，基础位于海湾中部，滩涂、浅海地貌，地基土层主要由海积土层以及花岗岩及其风化层组成，自上而下描述如下：
①淤泥，灰黑色，海积，流塑，饱和，主要成分为粘土矿物，含少量粉细砂，含腐殖质、有机质、贝壳等，稍有腥臭味，韧性中等，干强度中等，无摇振反应。一般厚度4 m ～5 m。
②粉质粘土混卵石，灰色、灰黄等色，海积，稍密，饱和，粘性土以软塑为主，局部可塑，很湿～饱和，含粘粒、砂团等及有机质；卵石磨圆较差，分选差，级配差，主要成分中风化花岗岩碎块，粒径多为2 cm～10 cm，少量超过10 cm。本层成分分布不均匀，多数地段以粘性土为主，局部以卵、碎石为主。层厚一般3.1 m～5.3 m。重型动力触探试验表明，最大击数约19击/10 cm，一般8～14击/10 cm。
③砂质粘性土，残积，土黄色，含15%～25%中粗砂，混中风化孤石、底部见原岩结构，粘性差，遇水易软化，易冲刷，土呈稍湿、硬塑状态，厚度变化大，局部缺失。本基钻探未揭露。
④全风化花岗岩，褐黄色，呈可～硬塑粘性土状，主要成分为长石风化而成的粘性土、少量石英，原岩结构依稀可辨。一般厚度1 m～5 m。
⑤强风化花岗岩(砂土状) ，褐黄色，散体状结构，长石已全部风化成土状，含约10%～20%石英颗粒，原岩结构可辨，手搓即成砂土状。本层一般厚度20 m～40 m。
⑥强风化花岗岩(碎块状) ，褐黄色、浅灰色，斑杂状、碎裂状结构，块状构造，长石部分风化，原岩结构完整，解理裂隙发育，球状风化严重。一般厚度4 m～7 m。
⑦中风化花岗岩，浅灰、灰白等杂色。
3 基础结构型式、桩型选择及结构计算
3. 1 结构型式
高桩墩式承台(高桩墩台) 结构型式特点是利用打入地基一定深度的桩，将作用在基础上的荷载传至地基中，墩台高出水面，不受波浪力及浮托力，根据工程海域的地质条件，基础采用此种结构型式。
3. 2 桩型方案比选3.2.1 冲(钻) 孔灌注桩
钻(冲) 孔灌注桩桩径、桩长可根据设计需要确定，采用一定护壁成孔措施，灌注桩可用于各种复杂的地质，适用范围广。其水上施工技术成熟，无需大型起重设备，施工用钢护筒既作为施工期的工作平台支撑又可兼作桩基防腐之用。其缺点是：为提高基础刚度及抵抗水平力的能力，满足水平位移的要求，只能通过增加桩数、放大桩径来满足水平承载及变形要求；施工时需搭设施工平台，工期长。
3.2.2 预应力管桩
预应力管桩具有单桩承载力高、单位承载力价格便宜、施工速度快等优点，目前广泛桥梁及房屋建筑工程等，但由于本工程地质条件的限制，桩的入土深度较浅，不能满足承载能力要求。
3.2.3 钢管桩
钢管桩具有自重轻、抗弯能力强、施工过程稳定性好等优点，而且可以设计成斜桩，大大增强了抵抗水平荷载的能力，水上钢管桩的施工采用打桩船，沉桩速度快，可利用工程桩搭设墩台浇筑平台，工期短。本工程采用钢管
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桩桩基型式。
4. 3 结构计算模型
4 基础结构计算
本结构承台顶标高10.2 m，平面尺寸4. 1 基础作用力
40.2 m×40.2 m，高度3 m，中间部分挖空，采用联系梁连接作为架爬梯的平台。墩台为空间⑴永久作用：铁塔平台自重力
刚性梁单元，桩基为线弹性空间梁单元。将墩⑵可变作用：铁塔根部作用力、波浪力、台与桩基相连的节点作为主节点，桩基与墩台水流力
相连的节点为从节点，各单元通过节点互相连⑶偶然作用：地震作用
接；从节点在整体坐标系下的位移和转角用刚4. 2 桩土相互作用分析模型
性墩台主节点在整体坐标系下的位移和转角表示。在桩水平(两个方向) 和桩底分别用弹簧约束墩台结构桩基泥面以下考虑桩、土的相互模拟桩、土间相互作用。结构计算模型见图1。
作用，采用m 法设置土体弹簧，模拟桩、土间相互作用。在桩水平(两个方向) 和桩底分别用弹簧约束
水平弹簧(地基反力系数) 刚度的计算： K
=Amz 式中：K 为地基的反力系数(kN/m)；m 为土的
水平地基抗力系数随深度增长的比例系数(kN/m4) A 为土的作用面积(m2) A =2D ΔZ ；D
为桩的外径(m)；ΔZ 为计算土的作用范围(m)；z 为计算点的深度(m)。
桩的轴向反力系数即桩在单位轴向力作用下的桩顶轴向位移按下式计算：
K =
L 1
E +P A P C
C = (115～145) Q ud
图1 高桩墩台结构计算模型
桩底弹簧轴向反力系数：
4. 4 计算结果及分析
k =K −
L E 在不同风向的风荷载作用下，共计算了承P A P
载能力极限状态下8种工况的桩基的内力和位式中：K 为桩轴向反力系数，即桩在单位轴向
移，最大压桩力见图2，水平位移见图3
。
力作用下的桩顶轴向位移(m/kN)；k 为桩底轴向弹簧反力系数，即单位轴向力作用下弹簧的轴向位移(m/kN)；L 0为桩在泥面以上长度(m)；L 为实际模型中桩长度(m)；E p 为桩材料的弹性模量(kPa)；A P 为桩身横截面面积(m2) ；C 为桩入土部分的单位沉降所需的轴向力，其沉降值包括土中桩身的压缩变形与桩端下土的沉降变形两部分(kN/m)；Q ud 为单桩垂直极限承载图2 不同工况下压桩力(+表示压力；-表示拉力)
力标准值(kN)。
(下转第71页)
2010年12月 第6期
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在满足规程其他要求的范围内，可以采取措施来提高二次系统所能承受的接地电阻值。考虑的措施有：由二次设备厂家确认二次设备所能承受的接地电阻值，并在设备采购中加以明确；校验二次电缆设备的地电位差；在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体，以分流电缆屏蔽层中的电流；在计算机房、通信机房、继电保护室等二次设备间敷设与主接地网紧密连接的等电位接地网；等等。
区域单独采取均压或敷设高电阻率地面层等措施，使该区域的接地网满足跨步电势和接触电势的要求。当全所跨步电势不满足要求，且当进一步降低接地电阻满足跨步电势要求的费用较高在经济上不合理时，可以在所内铺设厚度不小于20 cm的碎石，解决跨步电势问题。另外，可要求避雷线在距所区2 km范围内采用良导体逐塔重复直接接地，采取加强分流的措施；可以在独立避雷针接地装置处设20 m深接地浅井或设2～3个电解离子接地极，以降低雷电流幅值。
对二次系统电子装置的逻辑接地要求，可采取均压隔离分流、在二次电缆沟内与二次电缆并行敷设等电位接地体的措施。
5 低阻地区变电所接地设计的思路
根据DL/T 5394 《电力工程地下金属构筑物防腐技术导则》，土壤电阻率在20 Ω·m及以下时，变电所接地网应采用碳钢加阴极保护防腐措施。
6 结论
本文梳理了有效接地和低电阻接地系统中变电所设计接地系统的主要思路。
重点对高阻地区变电所的接地设计思路作了系统性的归纳：水平主接地网边角内外侧，为跨步电势或接触电势的峰值地带，可以在此
参考文献：
[1] DL/T621，交流电气装置的接地[S]．
[2] DL/T 5091，水力发电厂接地设计技术导则[S]．[3] DL/T 620，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]．[4] DL/T 5136，火力发电厂，变电所二次接线设计技
术规程[S]．
[5] DL/T 5394，电力工程地下金属构筑物防腐技术导则[S]．
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