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摘要： 本文对输电线路各类基础在山区地形应用阐述了自己的看法，论证山区地形掏挖类和开挖类基础上拔承载力的计算。
关键词 基础选型;可靠度;上拔承载力;
1山区输电线路杆塔基础工程的特殊性
随着土地和耕地资源的日益稀缺和人们对环境要求的日益重视，高压输电线路走廊的可选择性小，高压输电线路走廊将无法避免地穿越地形和地质条件都十分复杂的山区斜坡地形。山区杆塔基础所在位置地形地质条件复杂，环境恶劣，钢筋和混凝土等基础原材料靠人工搬运，大型施工设备和机具难以进入杆塔基础施工现场。一旦出现工程灾害问题，难以在短时间内完成抢修任务，会产生不良的后果。山区输电线路杆塔基础的承载力能否满足要求在超、高压输电线路安全运行中占有重要地位。
1.1山区地形输电线路杆塔基础的适用类型
（1）开挖回填基础
此类基础型式是在预先挖好的基坑内支模、浇注混凝土结构，拆模后进行土体回填并将回填土夯实。此类基础以扰动后的回填土作为抗拔土体保持基础上拔稳定。回填土虽经夯实，但难以恢复到原状土的结构强度，就其抗拔性能而言这类基础不是理想的型式。
（2）掏挖类基础
掏挖扩底类原状土基础是指以混凝土和钢筋骨架灌注于以机械或人工掏挖成的土胎内的基础。它以天然原状土构成抗拔土体保持基础上拔稳定，适用于在施工中掏挖和浇筑混凝土时无水渗入基坑的粘性土体和强风化岩石地基中。这类基础因能充分发挥原状土承载力高变形小的工程特性，不仅具有良好的抗拔性能，而且具有较大的水平承载力。
（3）岩石类基础
1）岩石锚杆基础
该基础型式是在岩石中直接钻孔、插入锚杆，然后灌浆，使锚杆与岩石紧密粘结，充分利用了岩石的强度，从而大大降低了基础混凝土和钢材量，但岩石锚杆基础需逐基鉴定岩石的完整性。
2）岩石嵌固基础
该基础型式适用于覆盖层较浅或无覆盖层的强风化岩石地基，其特点是底板不配筋，基坑全部掏挖，其具有较强的抗拔承载能力。
1.2不同类型输电线路杆塔基础的可靠性
输电线路杆塔基础工程安全可靠性与地基工程特性、荷载特征、基础材料性能、基础几何参数、设计计算公式的精确性等诸多因素有关，这些因素具有随机性，被称为随机变量。各种随机变量的影响下，输电线路杆塔基础在规定时间内、规定条件下，完成其预定功能的概率，称为可靠度。
按照IEC和国外有关文献的基础统计特性，各型基础强度的变异系数
如表1-1。
表1-1 基础强度的变异系数VR
序号
基础型式
变异系数VR
1
重力式基础
0.05
2
钻孔、掏挖、岩石基础
0.10
3
密实的回填基础
0.15
4
较密实的回填基础
0.20
5
桩基础
0.25
6
不密实的回填基础
0.3
从表1-1可知，以基础强度的变异系数来判断，各型基础的可靠性由高到低依次为重力式基础—钻孔、掏挖、岩石基础—密实的回填基础—较密实的回填基础—桩基础—不密实的回填基础。
2山区斜坡地形杆塔基础选型原则与要求
输电线路路径距离长、跨越区域广、沿途地形与地质条件复杂、地基性质差异性大。每种杆塔基础型式都有自身的特点和优势，可应用于斜坡地形输电线路工程的基础型式也多种多样。经济性、环境保护是山区丘陵地带斜坡地形条件下基础设计中需自始至终加以考虑的因素。除此之外还需考虑地质条件、荷载特性、地基和基础承载特性、施工方法等多因素的综合影响。山区斜坡地形杆塔基础选型原则如下：
1）结合山区斜坡地形特点、杆塔结构与基础配合的工程方案，考虑地质特点及运输条件，综合比较，选择适宜基础型式，尽可能选用合理的基础结构型式;
2）注重环境保护和可持续发展战略，在安全、可靠的前提下，尽量做到经济、环保，减少施工对环境的破坏;
3）充分发挥每种基础型式的特点，针对不同的地形、地质条件，因地制宜选择不同的基础型式;
4）对不良地基，提出特殊的基础型式和处理措施。
3山区斜坡地形杆塔基础上拔承载力计算方法
由于斜坡的存在，斜坡地基的极限抗拔和水平承载力明显降低，为此提出斜坡地形基础“有效抗拔深度”指标，并根据“有效抗拔深度”指标计算斜坡地形基础上拔极限承载力，从而反映斜坡边界条件对杆塔基础承载力的影响。
3.1掏挖类基础
假设斜坡原状土掏挖基础滑动破裂面不受斜坡边界影响，其基础破坏机理及滑动面形状与相同埋置深度平地基础相同，如图3-2所示。
图3-2 斜坡地形原状土基础上拔稳定计算模型
平地条件下采用“剪切法”计算原状土基础上拔承载力时，基础周围土体破裂面是图3-2中圆弧KL和MN所围成的旋转曲面所形成，圆弧滑动面的几何尺寸与形状由式（3-1）确定：
（3-1）
式中：为圆弧曲面半径，m;a 表示半径随而变化的特征，rad;
为随土体而变化的无量纲计算参数，一般取
=2;a1为圆弧曲面在水平地面处与水平面夹角，rad;a2为圆弧曲面在底板处与水平面夹角，rad。
平地条件下，基础的上拔承载力T由基础自重Qf和滑动面上剪切阻力Tv组成，如式（3-2）所示，其中Tv由式（3-3）确定。
（3-2）
（3-3）
根据经典土力学极限平衡状态下土微元体静力平衡方程式、Mohr-Coulomb屈服准则和滑移线场理论，以及原状土杆塔基础上拔极限平衡状态时滑动面上的应力分布基本方程式，并通过归一化处理，可以将式（3-2）表示为：
（3-4）
式中：T为基础上拔极限承载力，kN;c为土体粘聚强度，kPa;g 为土体容重kN/m3，;Qf为基础自重，kN;A1和A2是由内摩擦角φ和基础埋深与底板宽度比（H/D）相关的无因次计算常数，由平地条件下基础“剪切法”上拔承载力计算方法确定。
在图3-2中，斜坡边界条件下，倾角为b的斜坡基础上拔承载力可认为是滑面PL和MQ所围成的旋转曲面所形成，从有利于工程安全的角度考虑，上拔土体的剪阻力由MQ所围成的旋转曲面组成，由式（3-5）确定：
（3-5）
式（3-3）和式（3-5）的区别在于积分下限不同，式（3-5）中积分下限为圆弧破裂面在Q点处切线与水平面的夹角X。
设图3-2中土体滑动破坏面圆弧MN和斜坡AB交点为Q，分别称Q点到基础上拔深度底面和基础中心线的距离分别为斜坡地形基础有效抗拔深度和上拔破坏影响范围，并由式（3-6）确定：
（3-6）
式中：β为斜坡地面倾角，°;其他参数同前。
解方程（3-6）得：
（3-7）
其中：
（3-8）
则圆弧破裂面在Q点处切线与水平面的夹角X可由公式（3-9）求得：
（3-9）
斜坡地形条件下，基础的上拔承载力T由基础自重和滑动面上剪切阻力组成，如式（3-10）所示，其中由式（3-5）确定。
（3-10）
因此，在已知基础外形尺寸、地形地质参数的条件下，可通过公式（3-5）～（3-10）计算求得斜坡地形掏挖基础上拔极限承载力。
易分析知，公式（3-5）中积分下限X为非线性很强的反三角函数，很难求得其解析表达式，更无法化简成用无因次系数A1和A2表示的简化形式，不便于工程中使用。为此采用2种方法，一是假设基础埋深
和有效抗拔深度对基础“剪切法”参数A1和A2的影响可以忽略，仍按表3-1取值。根据平地条件下承载力计算理论，采用式（3-11）计算基础上拔承载力。与平地地形相比，区别在于斜坡地形条件下掏挖基础上拔承载力采用有效抗拔深度作为基础承载力计算埋深。
（3-11）
3.2开挖回填类基础
假设斜坡开挖回填类基础破裂面不受斜坡边界影响，基础破坏机理及滑动面形状与相同埋置深度平地基础相同，上拔承载力仍按照“土重法”计算，如图3-4所示。
图3-4 斜坡地形开挖回填基础上拔稳定计算模型
设平地条件下采用“土重法”计算开挖回填基础上拔承载力时，基础周围土体破裂面“上拔角”为，由直线MN确定。由于斜坡边界的存在，设图3-4中上拔土体破裂面MN和斜坡AB交点为Q，称Q点到基础上拔深度底面和基础中心线的距离分别为斜坡地形基础有效抗拔深度和上拔破坏影响范围，由式（3-12）确定：
（3-12）
式中：β为斜坡地面倾角，°;其他参数同前。
求解后得到：
（3-13）
（3-14）
根据式（3-13）确定的基础有效抗拔深度按照“土重法”计算斜坡地形开挖回填基础的上拔承载力。考虑到上拔和倾覆稳定性是输电线路杆塔基础设计的控制条件。为保证斜坡地形杆塔基础的工程稳定性，建议当时，直接按照有效抗拔深度采用“土重法”计算斜坡开挖回填基础上拔承载力;而当时，则需调整基础埋置深度和底板宽度，满足要求。
4结论
我国当前输电线路常用杆塔基础型式的每一种杆塔基础型式都有自身的特点和优势，而杆塔基础的造价、工期和劳动消耗量在整个斜坡地形输电线路线路工程中占很大比重，因地制宜做好斜坡地形输电线路杆塔基础的选型与设计对保证我国输电线路杆塔基础工程技术先进、经济合理具有重要意义。
关键词 基础选型;可靠度;上拔承载力;
1山区输电线路杆塔基础工程的特殊性
随着土地和耕地资源的日益稀缺和人们对环境要求的日益重视，高压输电线路走廊的可选择性小，高压输电线路走廊将无法避免地穿越地形和地质条件都十分复杂的山区斜坡地形。山区杆塔基础所在位置地形地质条件复杂，环境恶劣，钢筋和混凝土等基础原材料靠人工搬运，大型施工设备和机具难以进入杆塔基础施工现场。一旦出现工程灾害问题，难以在短时间内完成抢修任务，会产生不良的后果。山区输电线路杆塔基础的承载力能否满足要求在超、高压输电线路安全运行中占有重要地位。
1.1山区地形输电线路杆塔基础的适用类型
（1）开挖回填基础
此类基础型式是在预先挖好的基坑内支模、浇注混凝土结构，拆模后进行土体回填并将回填土夯实。此类基础以扰动后的回填土作为抗拔土体保持基础上拔稳定。回填土虽经夯实，但难以恢复到原状土的结构强度，就其抗拔性能而言这类基础不是理想的型式。
（2）掏挖类基础
掏挖扩底类原状土基础是指以混凝土和钢筋骨架灌注于以机械或人工掏挖成的土胎内的基础。它以天然原状土构成抗拔土体保持基础上拔稳定，适用于在施工中掏挖和浇筑混凝土时无水渗入基坑的粘性土体和强风化岩石地基中。这类基础因能充分发挥原状土承载力高变形小的工程特性，不仅具有良好的抗拔性能，而且具有较大的水平承载力。
（3）岩石类基础
1）岩石锚杆基础
该基础型式是在岩石中直接钻孔、插入锚杆，然后灌浆，使锚杆与岩石紧密粘结，充分利用了岩石的强度，从而大大降低了基础混凝土和钢材量，但岩石锚杆基础需逐基鉴定岩石的完整性。
2）岩石嵌固基础
该基础型式适用于覆盖层较浅或无覆盖层的强风化岩石地基，其特点是底板不配筋，基坑全部掏挖，其具有较强的抗拔承载能力。
1.2不同类型输电线路杆塔基础的可靠性
输电线路杆塔基础工程安全可靠性与地基工程特性、荷载特征、基础材料性能、基础几何参数、设计计算公式的精确性等诸多因素有关，这些因素具有随机性，被称为随机变量。各种随机变量的影响下，输电线路杆塔基础在规定时间内、规定条件下，完成其预定功能的概率，称为可靠度。
按照IEC和国外有关文献的基础统计特性，各型基础强度的变异系数
如表1-1。
表1-1 基础强度的变异系数VR
序号
基础型式
变异系数VR
1
重力式基础
0.05
2
钻孔、掏挖、岩石基础
0.10
3
密实的回填基础
0.15
4
较密实的回填基础
0.20
5
桩基础
0.25
6
不密实的回填基础
0.3
从表1-1可知，以基础强度的变异系数来判断，各型基础的可靠性由高到低依次为重力式基础—钻孔、掏挖、岩石基础—密实的回填基础—较密实的回填基础—桩基础—不密实的回填基础。
2山区斜坡地形杆塔基础选型原则与要求
输电线路路径距离长、跨越区域广、沿途地形与地质条件复杂、地基性质差异性大。每种杆塔基础型式都有自身的特点和优势，可应用于斜坡地形输电线路工程的基础型式也多种多样。经济性、环境保护是山区丘陵地带斜坡地形条件下基础设计中需自始至终加以考虑的因素。除此之外还需考虑地质条件、荷载特性、地基和基础承载特性、施工方法等多因素的综合影响。山区斜坡地形杆塔基础选型原则如下：
1）结合山区斜坡地形特点、杆塔结构与基础配合的工程方案，考虑地质特点及运输条件，综合比较，选择适宜基础型式，尽可能选用合理的基础结构型式;
2）注重环境保护和可持续发展战略，在安全、可靠的前提下，尽量做到经济、环保，减少施工对环境的破坏;
3）充分发挥每种基础型式的特点，针对不同的地形、地质条件，因地制宜选择不同的基础型式;
4）对不良地基，提出特殊的基础型式和处理措施。
3山区斜坡地形杆塔基础上拔承载力计算方法
由于斜坡的存在，斜坡地基的极限抗拔和水平承载力明显降低，为此提出斜坡地形基础“有效抗拔深度”指标，并根据“有效抗拔深度”指标计算斜坡地形基础上拔极限承载力，从而反映斜坡边界条件对杆塔基础承载力的影响。
3.1掏挖类基础
假设斜坡原状土掏挖基础滑动破裂面不受斜坡边界影响，其基础破坏机理及滑动面形状与相同埋置深度平地基础相同，如图3-2所示。
图3-2 斜坡地形原状土基础上拔稳定计算模型
平地条件下采用“剪切法”计算原状土基础上拔承载力时，基础周围土体破裂面是图3-2中圆弧KL和MN所围成的旋转曲面所形成，圆弧滑动面的几何尺寸与形状由式（3-1）确定：
（3-1）
式中：为圆弧曲面半径，m;a 表示半径随而变化的特征，rad;
为随土体而变化的无量纲计算参数，一般取=2;a1为圆弧曲面在水平地面处与水平面夹角，rad;a2为圆弧曲面在底板处与水平面夹角，rad。
平地条件下，基础的上拔承载力T由基础自重Qf和滑动面上剪切阻力Tv组成，如式（3-2）所示，其中Tv由式（3-3）确定。
（3-2）
（3-3）
根据经典土力学极限平衡状态下土微元体静力平衡方程式、Mohr-Coulomb屈服准则和滑移线场理论，以及原状土杆塔基础上拔极限平衡状态时滑动面上的应力分布基本方程式，并通过归一化处理，可以将式（3-2）表示为：
（3-4）
式中：T为基础上拔极限承载力，kN;c为土体粘聚强度，kPa;g 为土体容重kN/m3，;Qf为基础自重，kN;A1和A2是由内摩擦角φ和基础埋深与底板宽度比（H/D）相关的无因次计算常数，由平地条件下基础“剪切法”上拔承载力计算方法确定。
在图3-2中，斜坡边界条件下，倾角为b的斜坡基础上拔承载力可认为是滑面PL和MQ所围成的旋转曲面所形成，从有利于工程安全的角度考虑，上拔土体的剪阻力由MQ所围成的旋转曲面组成，由式（3-5）确定：
（3-5）
式（3-3）和式（3-5）的区别在于积分下限不同，式（3-5）中积分下限为圆弧破裂面在Q点处切线与水平面的夹角X。
设图3-2中土体滑动破坏面圆弧MN和斜坡AB交点为Q，分别称Q点到基础上拔深度底面和基础中心线的距离分别为斜坡地形基础有效抗拔深度和上拔破坏影响范围，并由式（3-6）确定：
（3-6）
式中：β为斜坡地面倾角，°;其他参数同前。
解方程（3-6）得：
（3-7）
其中：
（3-8）
则圆弧破裂面在Q点处切线与水平面的夹角X可由公式（3-9）求得：
（3-9）
斜坡地形条件下，基础的上拔承载力T由基础自重和滑动面上剪切阻力组成，如式（3-10）所示，其中由式（3-5）确定。
（3-10）
因此，在已知基础外形尺寸、地形地质参数的条件下，可通过公式（3-5）～（3-10）计算求得斜坡地形掏挖基础上拔极限承载力。
易分析知，公式（3-5）中积分下限X为非线性很强的反三角函数，很难求得其解析表达式，更无法化简成用无因次系数A1和A2表示的简化形式，不便于工程中使用。为此采用2种方法，一是假设基础埋深
和有效抗拔深度对基础“剪切法”参数A1和A2的影响可以忽略，仍按表3-1取值。根据平地条件下承载力计算理论，采用式（3-11）计算基础上拔承载力。与平地地形相比，区别在于斜坡地形条件下掏挖基础上拔承载力采用有效抗拔深度作为基础承载力计算埋深。
（3-11）
3.2开挖回填类基础
假设斜坡开挖回填类基础破裂面不受斜坡边界影响，基础破坏机理及滑动面形状与相同埋置深度平地基础相同，上拔承载力仍按照“土重法”计算，如图3-4所示。
图3-4 斜坡地形开挖回填基础上拔稳定计算模型
设平地条件下采用“土重法”计算开挖回填基础上拔承载力时，基础周围土体破裂面“上拔角”为，由直线MN确定。由于斜坡边界的存在，设图3-4中上拔土体破裂面MN和斜坡AB交点为Q，称Q点到基础上拔深度底面和基础中心线的距离分别为斜坡地形基础有效抗拔深度和上拔破坏影响范围，由式（3-12）确定：
（3-12）
式中：β为斜坡地面倾角，°;其他参数同前。
求解后得到：
（3-13）
（3-14）
根据式（3-13）确定的基础有效抗拔深度按照“土重法”计算斜坡地形开挖回填基础的上拔承载力。考虑到上拔和倾覆稳定性是输电线路杆塔基础设计的控制条件。为保证斜坡地形杆塔基础的工程稳定性，建议当时，直接按照有效抗拔深度采用“土重法”计算斜坡开挖回填基础上拔承载力;而当时，则需调整基础埋置深度和底板宽度，满足要求。
4结论
我国当前输电线路常用杆塔基础型式的每一种杆塔基础型式都有自身的特点和优势，而杆塔基础的造价、工期和劳动消耗量在整个斜坡地形输电线路线路工程中占很大比重，因地制宜做好斜坡地形输电线路杆塔基础的选型与设计对保证我国输电线路杆塔基础工程技术先进、经济合理具有重要意义。