近年来我国的风力发电事业得到了飞跃发展, 风电总装机和年度新增装机均居世界前列^[1]。风电场集电线路主要功能是汇集风电场内各风电机组所发的电能并送至升压变电站, 主要有架空、直埋电缆和架空与直埋电缆混合使用三种形式^[2]。

　　 架空电力线路杆塔主要由杆塔和杆塔基础、杆塔拉线和拉线基础、导线、避雷线、绝缘子、金具等组成。传统杆塔基础由底盘、卡盘等组成, 底盘起到承受竖向载荷、防止下沉的作用, 卡盘起到提高杆塔回填土的被动土压力、稳定杆塔的作用。杆塔拉线起到稳定杆塔、平衡导线张力的作用, 传统拉线基础由拉线板、拉线棒组成, 拉线回填土覆盖于拉线板上, 使拉线棒可承受杆塔拉线传来的拉力。

　　 传统杆塔和拉线基础应用于一般的硬土地基或风化程度较严重、较破碎的岩石地基, 具有受力合理、施工便捷等特点, 但对于风化程度较低、完整性较好的岩石地基, 采用传统基础存在基坑开挖难度大、施工效率低、经济性差等缺点, 若采用爆破开挖, 则会对项目现场的生态环境造成很大破坏, 同时也无法利用岩石地基的较高承载力。

　　 某风电项目场址位于内蒙古四子王旗东部, 距乌兰察布市约 120km, 距察哈尔右翼中旗约7km。场区内植被稀疏, 地势有一定起伏, 为荒漠草原。该风电场总规划容量 500MW, 分三期建设完成。本期为一期工程, 装机容量400MW, 安装单机容量1 500kW的风力发电机组 266台, 接入本期风电场新建的220kV升压站, 升压站出单回220kV线路至四子王旗500kV汇集变。

　　 根据地勘报告及现场勘测, 地基土主要以强～中等风化花岗岩为主, 地表覆盖0.5m左右粉土。杆塔拉线基础原设计为拉线盘。基坑开挖后, 埋入预制混凝土拉线盘, 用拉线棒连接拉线盘并引出地面。杆塔拉线与拉线棒采用耐张线夹连接, 如图1所示。

　　 由于线路所在地质均为岩石地基, 难以开挖。因此需先进行爆破, 然后开挖, 放入拉线盘和拉线棒后再回填土。施工费用高, 工期长, 对输电线路沿线山体破坏大, 且影响一定范围内地基土的承载力。

　　 结合现场地质情况、施工条件、拉线的受力特点, 将拉线基础设计为锚杆基础, 系锚杆基础在杆塔拉线中的首次应用。锚杆成孔后, 置入拉线棒定位后灌浆即完成一个拉线锚杆基础的施工。拉线锚杆基础直接利用岩石地基抵抗拉线传来的拔力, 受力明确、结构效率高;机械化程度高, 施工便捷;能充分利用岩体协同锚杆受力, 减少拉线板等混凝土预制件, 减少开挖及回填工作量, 降低施工难度, 减小施工对环境的破坏。拉线锚杆基础图及施工照片如图2, 3所示。

　　 目前大部分工程中采用的土层锚杆是拉力型注浆锚杆, 这类锚杆的传力方式是:当锚杆受力时为拉力, 首先通过钢筋与灌浆体界面粘结摩阻力传到灌浆体中, 然后再通过灌浆体与土体间粘结摩阻力传递到稳定的土层中^[3]。

　　 根据《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS 22∶2005) ^[4], 钢锚杆杆体的截面面积应满足:

　　 $A{}_{\text{s}}\ge \frac{{\rm K}{}_{\text{t}}{\rm N}{}_{\text{t}}}{f{}_{\text{y}\text{k}}}(1)$

　　 式中:A_s为锚杆截面面积;K_t为锚杆杆体的抗拉安全系数, 取为1.6;f_yk为锚杆的抗拉强度标准值, 本工程锚杆分别采用ϕ24, ϕ28的圆钢HPB300, f_yk取为300MPa;N_t为锚杆的轴向拉力设计值, 本工程中ϕ24锚杆在不同塔位的轴向拉力设计值分别为26/54kN, ϕ28锚杆在不同塔位的轴向拉力设计值分别为81/100kN。

　　 锚杆的锚固段长度应同时满足以下两式^[4]:

　　 $\begin{array}{l}l{}_{\text{a}}\ge \frac{{\rm K}{\rm N}{}_{\text{t}}}{\text{π}Df{}_{\text{m}\text{g}}\psi }(2)\\ l{}_{\text{a}}\ge \frac{{\rm K}{\rm N}{}_{\text{t}}}{n\text{π}d\xi f{}_{\text{m}\text{s}}\psi }(3)\end{array}$

　　 式中:K为锚杆锚固体的抗拔安全系数, 取为2.0;D为锚杆锚固段钻孔直径, 取为150mm;f_mg为锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值, 锚固段范围内以强风化、全风化花岗岩、片麻岩为主, 根据《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS 22∶2005) ^[4]保守起见取为0.2MPa;ψ为锚固长度对粘结强度的影响系数, 取为1.0;n为钢筋的根数, 每根拉线对应一根锚杆, 取为1;ξ为采用两根及以上钢筋时界面的粘结强度降低系数, 此处为一根锚杆, 取为1;f_ms为锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值, 注浆体为C40微膨胀灌浆料, 根据《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS 22∶2005) ^[4]保守起见取为2.0MPa。

　　 经计算, 为方便施工, 拉线锚杆钻孔深度统一取为5.5m, 其中锚固段4.4m, 自由段1.1mm, 钻孔直径150mm, 锚杆利用原拉线棒, 长度6.0m, 规格同原设计, 拉线锚杆与水平面角度同拉线角度, 分别为45°, 65°, 70°, 上端与拉线连接。

　　 锚杆现场试验是确定锚杆在应用土层中的承载力、安全系数, 为在应用土层中设计锚杆提供第一手资料的必要手段。同时还能对锚杆的主要施工工序和施工方法进行测试, 验证锚杆的施工工序和施工方法的可行性, 并通过试验对其进一步完善和补充。验收试验的锚杆数量不得少于锚杆总数的5%, 且不得少于3根^[5]。为适应拉线锚杆的倾斜角度, 特制了专用的试验反力架, 如图4所示。

　　 试验最大试验荷载Q_max根据设计要求取值为设计值的1.5倍, 荷载按7级划分, 初始荷载为0.1Q_max, 每级荷载在维持过程中通过补载保持数值的稳定, 加载至最大试验荷载Q_max, 确定位移达到相对稳定后即卸载至0.1Q_max。具体加、卸载等级及观测时间见表1。

　　 在最后一级荷载作用下1～10min内锚头位移增量应不大于1.00mm, 如超过, 则该级荷载再维持50min, 并在第6～60min内记录锚头位移增量且不大于2.00mm。

　　 锚头位移测读和加卸载应符合下列规定:1) 初始荷载下, 应测读锚头位移基准值3次, 当每间隔5min的读数相同时, 方可作为锚头位移基准值;2) 加、卸载稳定后, 在测读时间内测读锚头位移不应少于3次, 按1, 3, 5min (或1, 6, 10min) 的位移读数;3) 最后一级试验荷载维持10min, 当锚头位移增量不大于1.0mm时, 可视为位移稳定或收敛;否则, 延长观测时间至60min, 并在15, 20, 25, 30, 45, 60min时记录锚头位移增量。

　　 锚头位移不收敛;锚杆杆体破坏。

　　 拉力型锚杆在最大试验荷载下所测得的弹性移量, 应超过该荷载下杆体自由段长度理论弹性伸长值的80%, 且小于杆体自由段长度与1/2锚固段长度之和的理论弹性伸长值。

　　 在最后一级荷载作用下, 1～10min锚杆蠕变量不大于1.00mm, 则6～60min内锚杆蠕变量不大于2.0mm。

　　 以其中一根轴向拉力设计值为100kN的ϕ28锚杆试验为例, 其试验成果汇总见表2, 试验加载过程见表3。由表3可得, 该锚杆最大位移量为3.82mm, 最大回弹性位移量为2.26mm, 最大塑性位移量为1.36mm。锚杆荷载-位移 (P-S) 曲线见图5, S-lgt曲线见图6。

　　 试验表明, 当荷载加至锚杆轴向拉力设计值的1.5倍时锚头位移达到相对稳定, 弹性变形均不小于自由段长度变形计算值的80%, 且不大于自由段长度与1/2锚固段长度之和的弹性变形计算值, 试验结果满足规范要求。

　　 本文结合杆塔拉线盘基础应用于岩石地基存在基坑开挖难度大、施工效率低、经济性差、对环境破坏大等缺点, 探讨了将拉线盘基础优化为锚杆基础, 直接利用岩石地基抵抗拉线传来的拔力, 受力明确、结构效率高。并得到以下结论:

　　 (1) 经工程实践验证, 岩石地基杆塔拉线应用锚杆基础具有机械化程度高、施工便捷, 减少拉线板等混凝土预制件、减少开挖及回填工作量、降低施工难度、减小施工对环境的破坏等优点。

　　 (2) 拉线锚杆现场试验表明, 锚杆承载力满足设计要求。