高海拔特重冰峻嶺地區(qū)輸電線路結(jié)構(gòu)創(chuàng)新措施綜述

辜良雨，蔣 銳，甘運(yùn)良，翟洪利，陳俊帆，王伸富，王 波

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)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

就輸電線路而言，海拔1500 m以上為高海拔，導(dǎo)線覆冰厚度在30 mm以上為特重冰，相對(duì)高差500 m以上的山地為峻嶺。相比常規(guī)地區(qū)，高海拔、特重冰、峻嶺地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“高特峻地區(qū)”)輸電線路通常存在導(dǎo)地線荷載大、地形陡峭、鐵塔根開大、鐵塔級(jí)差有限、基礎(chǔ)工程量大、常規(guī)施工方法效率低等特殊問(wèn)題。而高特峻地區(qū)輸電線路一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題，搶修和運(yùn)維成本太高，因此在該地區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)該充分從全壽命角度考慮，適當(dāng)提高線路本體的可靠度，保證該地區(qū)輸電線路的安全。

針對(duì)這些特殊問(wèn)題，結(jié)合西南電力設(shè)計(jì)院在該類地區(qū)豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，從全過(guò)程經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性以及環(huán)保性綜合考慮，對(duì)送電結(jié)構(gòu)專業(yè)提出了一些創(chuàng)新工程措施。

1 鐵塔設(shè)計(jì)創(chuàng)新措施

1.1 鋼架延長(zhǎng)腿

為了盡量避免開方和基礎(chǔ)外露過(guò)大，保證輸電線路在高特峻地區(qū)的安全，設(shè)計(jì)了鋼架延長(zhǎng)腿相關(guān)的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要采用的技術(shù)方案分為3種：整體鋼架、獨(dú)立鋼柱和獨(dú)立小塔，各種鋼架型式如表1所示。

表1 3種主要鋼架型式

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，高特峻地區(qū)鋼架延長(zhǎng)腿選擇的初步原則如下：

1)當(dāng)塔位地形坡度在35°以內(nèi)時(shí)，各型鐵塔均可使用整體鋼架；

2)當(dāng)塔位坡度不大于40°時(shí)，可采用獨(dú)立格構(gòu)柱，同時(shí)格構(gòu)柱高度不宜高于6 m；

3)當(dāng)塔位坡度超過(guò)40°時(shí)，宜采用獨(dú)立小塔，小塔高度一般為8.0～11.0 m。

幾種鋼架的工程實(shí)例如圖1所示。

圖1 幾種鋼架的工程實(shí)例

1.2 新型鐵塔型式

針對(duì)高特峻地區(qū)鐵塔受力大、根開尺寸大、鐵塔級(jí)差有限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了單(雙)極直柱塔、單極酒杯塔以及三(兩)腳塔。

1.2.1 直柱門型塔

為了解決鐵塔級(jí)差不夠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了單(雙)極直柱門型塔，如圖2所示。

圖2 直柱門型塔

在高特峻地區(qū)的狹窄山梁或山脊塔位，采用這種直柱門型塔優(yōu)點(diǎn)明顯，直柱長(zhǎng)度可根據(jù)地形進(jìn)行設(shè)計(jì)，主動(dòng)適應(yīng)地形坡度需要。直柱鋼構(gòu)架的橫向和縱向?qū)挾瓤筛鶕?jù)塔型實(shí)際使用情況下的橫向與縱向荷載比例確定，確保提供足夠的橫向和縱向剛度，保證桿塔受力安全。

直柱基礎(chǔ)本體工程量和基面開方量較常規(guī)塔更少，對(duì)于環(huán)境破壞小，施工也簡(jiǎn)單；但是征地面積較常規(guī)塔型大，且鐵塔受力較常規(guī)塔復(fù)雜。后續(xù)需要結(jié)合電氣性能方面要求做進(jìn)一步的分析，并進(jìn)行模擬計(jì)算和真型塔試驗(yàn)后方能采用。

圖3為雙極直柱門型塔的效果圖。

圖3 雙極直柱門型塔效果

1.2.2 單極酒杯塔

相比上述直柱塔，從單極運(yùn)行、減小根開、適宜陡坡地形角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了單極酒杯塔，如圖4所示。

該種塔型將直流線路的同塔雙極架設(shè)拆分為兩個(gè)單極運(yùn)行，以此來(lái)避免過(guò)大的扭距和扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題。

其優(yōu)點(diǎn)為：1)可根據(jù)地形隨意選擇塔位，極間距的大小不影響鐵塔受力；2)不受覆冰斷線和不均勻冰情況下的扭轉(zhuǎn)變形影響，僅承受橫向彎矩和縱向彎矩；3)每個(gè)塔的外荷載僅有同塔雙極運(yùn)行的一半，單重輕且構(gòu)件規(guī)格較小，有利于施工運(yùn)輸和組裝。

其缺點(diǎn)為：1)基礎(chǔ)開挖數(shù)量多，基礎(chǔ)混凝土和土石方工程較干字型塔略大，不利于環(huán)保；2)當(dāng)兩個(gè)單極塔距離較近時(shí)，部分基礎(chǔ)可能會(huì)交叉帶土，不能充分發(fā)揮基礎(chǔ)的抗拔承載力；3)運(yùn)行檢修上不方便，需要兩次登塔。

綜上所述，單極運(yùn)行的酒杯塔雖然有塔位選擇靈活、塔重輕等特點(diǎn)，但是占地多的缺點(diǎn)比較明顯；經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性較差，而安全性沒有得到明顯提高，建議極其特殊地區(qū)全方面考慮后再行采用。

1.2.3 三(兩)腿塔

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了三腿塔和兩腿塔(見圖5)。在二自線(1996年設(shè)計(jì))中曾成功使用該類型的鐵塔，可以解決部分陡坡鐵塔級(jí)差不夠的問(wèn)題。

圖5 三(兩)腿塔受力分析

1.3 鐵塔創(chuàng)新措施經(jīng)濟(jì)性分析

以某特高壓工程30 mm冰區(qū)ZC30303-78 m為例，塔位地形陡峭約45°，級(jí)差不能滿足要求。從環(huán)境保護(hù)、水土保持角度盡量做到塔位“零開方”，考慮一個(gè)塔腿采用特殊處理方案，對(duì)多種方案進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，如表2所示。

表2 高特峻地區(qū)特殊塔位多方案綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

從上述分析可以看出，在高特峻地區(qū)陡峭塔位，采用三腿塔經(jīng)濟(jì)性最好，采用獨(dú)立格構(gòu)柱和獨(dú)立小塔經(jīng)濟(jì)性略優(yōu)于基礎(chǔ)加高，采用整體鋼架造價(jià)最高，但是整體鋼架變形最小，安全性最好。

從施工難度看，獨(dú)立格構(gòu)柱、獨(dú)立小塔以及基礎(chǔ)加高方式的施工難度最高，三腿塔最簡(jiǎn)單。從環(huán)保角度看，獨(dú)立格構(gòu)柱和獨(dú)立小塔基礎(chǔ)數(shù)量更多，對(duì)環(huán)境破壞更大，而鋼架基礎(chǔ)荷載最大，基礎(chǔ)型號(hào)最大，三腿塔破壞最小。

因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工難度以及環(huán)保性，推薦優(yōu)先選用三腿塔。若仍然不能滿足級(jí)差要求，再結(jié)合施工條件選擇各類鋼架方案。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)創(chuàng)新措施

2.1 子母基礎(chǔ)[2]

個(gè)別塔位基礎(chǔ)露出地面太高，水平承載力難以滿足時(shí)，可采用子母基礎(chǔ)型式，如圖6所示。該基礎(chǔ)采用一種帶連梁的框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)體系，與鐵塔相連的基礎(chǔ)稱為“母基礎(chǔ)”，與“母基礎(chǔ)”相連的叫“子基礎(chǔ)”。該基礎(chǔ)型式可以減小母基礎(chǔ)的尺寸，整體可以減少基礎(chǔ)混凝土方量。

圖6 子母基礎(chǔ)三維圖和布置圖

但該基礎(chǔ)型式施工工藝復(fù)雜，對(duì)于環(huán)境破壞較大，僅推薦在個(gè)別特殊地區(qū)作為露出地表面太高的基礎(chǔ)加強(qiáng)采用。

2.2 新型鋼管樁基礎(chǔ)

目前輸電線路常用的山區(qū)基礎(chǔ)型式多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用人工開挖，但在峻嶺地區(qū)的陡坡上施工難度非常大，且高海拔、重冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土方量大，施工現(xiàn)場(chǎng)開挖的棄土多且向外運(yùn)輸困難，而棄土處理不當(dāng)引起塔位安全風(fēng)險(xiǎn)較大[3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型鋼管樁基礎(chǔ)，不僅可以減少本體基礎(chǔ)工程量的運(yùn)輸及現(xiàn)場(chǎng)澆制量，還對(duì)就地處理?xiàng)壨撂岢隽诵路绞?，?duì)于不同的荷載情況考慮了兩種方案，如圖7所示。

圖7 新型鋼管樁基礎(chǔ)

2.2.1 方案說(shuō)明

方案1采用鋼管樁和孔壁間灌注細(xì)石C30混凝土，預(yù)留空隙約60～100 mm?；A(chǔ)最頂上標(biāo)準(zhǔn)節(jié)孔壁需修筑護(hù)壁和鎖口，其余段可利用鋼管柱作為坑壁支護(hù)結(jié)構(gòu)。方案2采用鋼管樁和孔壁間灌注常規(guī)混凝土，預(yù)留200～300 mm?；A(chǔ)全部修筑護(hù)壁和鎖口，以保證基礎(chǔ)開挖時(shí)坑內(nèi)的工人安全。

鋼管采用內(nèi)法蘭連接，分段重控制在1.5 t以內(nèi)(分段長(zhǎng)約2.0 m)，方便采用中型索道運(yùn)輸。

2.2.2 主要優(yōu)點(diǎn)

1)中空的鋼管樁可以回填大部分棄土，大大降低了以往施工棄土順坡丟棄后引起的塔位風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，最大程度地降低對(duì)環(huán)境的破壞；

2)基礎(chǔ)混凝土工程量的減少，可以減小現(xiàn)場(chǎng)澆制混凝土以及材料堆放的場(chǎng)地，減少水泥、沙、石頭和施工用水的運(yùn)輸量，也可以較少對(duì)塔位環(huán)境的破壞；

3)可利用鋼管柱接地，減少接地溝的開挖，減少對(duì)環(huán)境的破壞。

2.2.3 理論計(jì)算原理

1)計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，承載能力計(jì)算應(yīng)考慮抗壓、抗拔以及水平承載力計(jì)算。

2)抗拔計(jì)算可按照《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4]中“復(fù)合式沉井基礎(chǔ)”中要求執(zhí)行，上拔承載力考慮基礎(chǔ)自重、回填棄土自重及基礎(chǔ)與土體見的摩阻力來(lái)抵抗，其中抗拔折減系數(shù)需結(jié)合真型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值分析歸納。

3)抗壓計(jì)算可按照《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中“復(fù)合式沉井基礎(chǔ)”中要求執(zhí)行，下壓承載力應(yīng)考慮孔壁的側(cè)摩阻力、基礎(chǔ)地基反力以及土體的彈性抗力。

4)水平承載力計(jì)算可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[5]和《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，但需進(jìn)一步分析，對(duì)取值參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

5)應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]對(duì)鋼管樁進(jìn)行局部屈曲計(jì)算。

6)應(yīng)驗(yàn)算鋼管樁在設(shè)計(jì)地面處的水平變位。

7)基礎(chǔ)的本體強(qiáng)度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]執(zhí)行。

2.2.4 典型塔位綜合對(duì)比分析

以某特高壓工程40 mm冰區(qū)ZC30403-78 m為例，塔位地形陡峭約35～45，采用索道運(yùn)輸，下面采用常規(guī)挖孔基礎(chǔ)和新型鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行了綜合對(duì)比分析,詳見表3。

表3 常規(guī)挖孔基礎(chǔ)和新型鋼管樁基礎(chǔ)綜合對(duì)比

從表3可以看出，新型鋼管樁可極大地降低塔位混凝土運(yùn)輸量及澆筑量，方案1降幅達(dá)70%以上，方案2降幅約24%；方案1余土量只有傳統(tǒng)人工挖孔樁基礎(chǔ)的23%，方案2只有74%，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。成孔工藝可參考沉井基礎(chǔ)的作業(yè)模式，以主體鋼管作為護(hù)壁措施，極大地提高了施工安全性。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高特峻地區(qū)線路設(shè)計(jì)的特殊性和復(fù)雜性，從全過(guò)程經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可行性以及環(huán)保性綜合考慮，針對(duì)送電結(jié)構(gòu)專業(yè)提出了一些創(chuàng)新措施：

1)針對(duì)不同的地形坡度，推薦采用不同的鋼架延長(zhǎng)腿型式；

2)在狹窄山梁或山脊塔位，可以采用各類門型直柱塔；

3)陡峭塔位，考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性、施工難度以及環(huán)保性，推薦優(yōu)先選用三腿塔；

4)因地制宜的采用子母基礎(chǔ)和創(chuàng)新型鋼管樁基礎(chǔ)，作為工程環(huán)保綜合解決方案。

高特峻地區(qū)線路設(shè)計(jì)作為目前輸電線路設(shè)計(jì)的新生事物，各種相應(yīng)的研究還不多，對(duì)其各方面問(wèn)題的認(rèn)識(shí)也尚顯不足，但是隨著輸電技術(shù)和施工工藝的不斷發(fā)展，其解決方案也將日漸成熟和呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。但是，無(wú)論時(shí)代如何進(jìn)步，技術(shù)如何發(fā)展，安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便仍然將是研究的重點(diǎn)，也將是后期深入研究的方向。