Скальный фундамент для опор

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ОПОР ВЛ В СКАЛЬНОМ ГРУНТЕ. ОПЫТ ПРОЕКТА «ВАЛААМ»

Дмитрий Шаманов, генеральный директор ООО «Комплексные Энергетические Решения», г. Санкт-Петербург

В последние годы стала популярной тема самонесущих изолированных проводов и их новой разновидности – высоковольтного универсального кабеля, конструкция которого позволяет как прокладывать его под землей, так и подвешивать на опорах, применяя технологию подвеса низковольтного СИП с использованием всех габаритных параметров линии 0,4 кВ. К сожалению, нормативных документов по проектированию и эксплуатации линий с применением универсального кабеля в России пока нет.
В многочисленных публикациях уделяется большое внимание самому проводу и линейно-сцепной арматуре, однако практически не рассматриваются способы закрепления опор на поверхности земли. Можно объяснить это тем, что технология закрепления опор имеет достаточно давнюю историю, разработано огромное количество типовых решений и, казалось бы, нет никаких предпосылок для дальнейшего развития в этом направлении.
Но это далеко не так, что показывает пример строительства кабельновоздушной линии, проложенной в рамках реализации проекта «Внешнее электроснабжение острова Валаам». То, что объект окажется достаточно неординарным и довольно сложным в воплощении, было ясно с самого начала проектирования. И действительно, в процессе реализации проекта пришлось принимать нестандартные и в чем-то даже инновационные для России решения. Их описывает в своем материале Дмитрий Георгиевич Шаманов.

ОСОБЕННОСТИ ЛИНИИ

Помимо реконструкции ПС-92 «Ляскеля» (обустройство двух ячеек 110 кВ и организация класса напряжения 35 кВ) и строительства новой ПС «Валаам» 35/6 кВ, необходимо было построить две цепи 35 кВ и две цепи оптоволоконного кабеля между этими двумя подстанциями.
Общая длина линии составила около 50 км, из которых 21 км воздушно-кабельной линии (ВКЛ) проходил от ПС-92 «Ляскеля» до берега Ладоги, 25 км кабельной линии проходили под водой и 4 км ВКЛ соединяли берег Ладоги на острове с ПС «Валаам».
Сложность строительства участка ВКЛ с применением универсального кабеля (в данном случае использовался кабель MULTI-WISKI финского производства) определялась не только длиной, но и разнородностью грунтов по всей длине трассы, а также перепадами высот. Кроме того, пришлось учитывать и значительный вес кабеля (около 5000 кг/км). Даже при том, что кабель располагался близко к стойке, уменьшая тем самым изгибающий момент, нагрузка на опору всё равно оставалась значительной.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА ОПОР

Высоким сопротивлением изгибающему моменту и отсутствием остаточной деформации отличаются деревянные стойки. При этом их стоимость соизмерима со стоимостью железобетонных стоек и ниже, чем у металлических опор. В результате они и были использованы для строительства ВЛ. Расстояние между опорами в среднем определили в 40 м. Предполагалось строить линию на спаренных стальными оцинкованными стяжками двухстоечных опорах. На каждой стойке верхним уровнем крепилась линия 35 кВ (универсальный кабель), а нижним – самонесущий оптоволоконный кабель связи.
Таким образом, для обустройства воздушной линии потребовалось около 1200 усиленных деревянных стоек длиной 9,5 м (в особых случаях – на переходах через дороги, другие ВЛ и т.п. – применялись стойки длиной 11, 12 и 13 м).
После исследования трассы линии было определено, что более 50% трассы проходит по местам со скальными грунтами, остальная часть трассы приходится на простые грунты и болота. Встречались также ситуации, когда на месте установки опор наблюдались сразу два разных типа грунта. В итоге было применено около 20 различных вариантов основания опор.

НЕДОСТАТКИ ТРАДИЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ

Сегодня для закрепления опор в скальном грунте обычно применяют такие способы, как установка опор в ряжах (рис. 1) или в бетонных пирамидальных основаниях (рис. 2), причем чаще используется второй вариант. Однако при всей своей простоте такой способ закрепления опор в данном проекте повлек бы за собой сразу несколько проблем.

Рис. 1. Установка опор в ряжах

Рис. 2. Установка опор в бетонных основаниях

Во-первых, доставка на место строительства бетонных оснований весом около 3 тонн каждое даже на материке является достаточно тяжелой процедурой. Что же говорить об острове?
Во-вторых, остров Валаам – историко-архитектурный памятник и бетонные основания с габаритами (Д x Ш x В) 2 x 2 x 1 м могли изменить облик острова в худшую сторону.
В-третьих, надежность такого закрепления также оставляет желать лучшего, особенно в случае установки анкерных опор, для которых потребовались бы более массивные основания.

ФИНСКИЙ ОПЫТ В РОССИЙСКИХ УСЛОВИЯХ

Поэтому при рассмотрении способов закрепления опор в скальном грунте был внимательно изучен как российский, так и зарубежный опыт. Наиболее интересной оказалась практика ближайших соседей – финских строителей, ведь, как известно, Финляндия располагается на древней (возрастом свыше 5 млн лет) монолитной плите. Глубина мягкого грунта до скального основания часто составляет не более 1 м. Именно поэтому сначала в Финляндии, а затем и во всей Скандинавии начали применять достаточно простую, но очень эффективную конструкцию закрепления опор на скальном грунте, которую стоит описать подробнее.
Комплект скальной заделки представляет собой металлические элементы горячей оцинковки: ригели, анкерные шпильки и нагели.
Процесс строительства происходит следующим образом: на первом этапе очищается скальное основание от мягких слоев почвы (рис. 3), далее на поверхности скалы размечаются места заделки (рис. 4) стальных оцинкованных анкерных шпилек (рис. 5) и ригелей (рис. 6).

Рис. 3. Расчистка скального основания от мягких слоев почвы

Рис. 4. Разметка мест заделки анкерных шпилек

Рис. 5. Анкерная шпилька

Рис. 6. Ригель

В этих местах в скале бурятся отверстия (рис. 7) на небольшую глубину, определенную работой шпилек только на срез. В нашем случае она составляла не более 200 мм.

Рис. 7. Бурение отверстий в скале

Деревянная стойка закрепляется у основания в комле между анкерными шпильками нагелями (по три штуки на каждой анкерной шпильке) (рис. 8) и на высоте 1345 мм для опоры высотой 11 м тремя ригелями под углом 120° между ними.

Рис. 8. Закрепление стойки нагелями

Для Финляндии такое закрепление является типовым. Нами был проведен проверочный механический расчет данного решения применительно к проекту электроснабжения острова Валаам, который полностью подтвердил надежность такой скальной заделки.
Точно таким же образом было организованно крепление анкерных опор. В этом случае опора дополнительно оснащалась тросами оттяжек или подкосами. Крепление троса оттяжек к скале осуществлялось анкерными болтами, а подкосы закреплялись упорами специальной конструкции.

ПЛАВАЮЩИЙ ФУНДАМЕНТ

После опробования такого типа крепления на скальном грунте стала понятна возможность дальнейшего расширения области его применения.
Как было отмечено выше, трасса проходила и по болотам.
Стойки в болоте закреплялись на так называемой плавающей основе. Сама стойка заглублялась в болото на глубину 2 м, у комля закреплялся деревянный ригель (перпендикулярно стойке). Ближе к поверхности (на глубине не более 0,5 м) горизонтально и перпендикулярно друг другу укладывались две деревянные балки так, чтобы длина лучей составляла не менее 2,5 метров. Эти две балки и играли роль плавающей основы и крепились к стойке в заглублении шпильками, а на поверхности – металлическими ригелями, применяемыми в скальной заделке (рис. 9).

Рис. 9. Установленные в болоте опоры

Финские специалисты предлагают и другой вариант плавающего фундамента, когда вместо деревянных горизонтальных ригелей устанавливаются стальные оцинкованные «лапы» в виде полутрубы также длиной 2,5 м.
Такая конструкция, скорее всего, является не менее надежной и более легкой в монтаже, но, к сожалению, ввиду сжатых сроков строительства и отсутствия подобных фундаментов на складах производителя, в проекте электроснабжения острова Валаам пришлось отказаться от этого варианта крепления опор в болотных грунтах.

ВОПРЕКИ НЕНАСТЬЮ

За прошедшее время эксплуатации все варианты закрепления опор линии показали себя очень хорошо. Несмотря на большое количество деревьев, упавших на линию из-за сильнейших снегопадов, все опоры выдержали испытание зимним сезоном. После расчистки от упавших деревьев и нависавших веток линия вернулась в исходное состояние: деревянные стойки не имели остаточной деформации, не деформировались и фундаментные закрепления, в итоге электроснабжение острова Валааам не прекращалось ни на минуту.

ВЫВОДЫ

В линиях с универсальным кабелем предпочтительнее применять деревянные стойки.
Закреплять деревянные опоры в скальных грунтах надежнее и, что немаловажно, дешевле (как минимум за счет транспортировки и монтажа) с помощью стальных оцинкованных ригелей с анкерами.
Болотные грунты не являются препятствием для строительства воздушных линий электропередачи при использовании плавающих фундаментов.
Для монтажа ригельных скальных закреплений не требуется тяжелая техника и сложное специализированное оборудование.
Тросы оттяжек решают проблему установки анкерных и угловых опор в стесненных условиях.
Большое количество опор, примененных в процессе реализации проекта, может стать важным источником статистических данных для анализа надежности подобных линий.
Необходимо разработать типовые решения скальных закреплений и плавающих фундаментов, включая вариант с использованием стальных оцинкованных «лап».