輸電線路鐵塔和基礎(chǔ)型式選擇優(yōu)化

聶旭初　王苗苗

【摘??要】在當下社會發(fā)展以及人民需求不斷增加的情況下，給電力企業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，在電力傳輸時，輸電線路的鐵塔負擔著線路的質(zhì)量，因此鐵塔設計也是線路鋪設時需要考慮的重點。在進行鐵塔設計時需要注意結(jié)合環(huán)境和設計因素綜合考慮，避免在輸電過程中出現(xiàn)問題。本文主要針對國內(nèi)輸電鐵塔基礎(chǔ)設計和相關(guān)技術(shù)要點進行探討以及研究，為鐵塔設計提出一些參考意見。

【關(guān)鍵詞】鐵塔基礎(chǔ)設計;輸電線路;型式選擇;優(yōu)化

輸電鐵塔通常由塔頭、塔腿以及基礎(chǔ)三個部分構(gòu)成，在轉(zhuǎn)角塔、終端塔、跨越塔中通常會因為自身設計作用的不同而出現(xiàn)多種外形形狀。鐵塔和基礎(chǔ)共同作用承擔導地線和其他負荷，在輸電線路工程中占有絕對重要的地位，因此要重視型式的選擇和優(yōu)化。

1鐵塔設計

1.1??鐵塔設計準備工作

國內(nèi)的鐵塔基礎(chǔ)工程中，通常會考慮到施工現(xiàn)場對于輸電線路鐵塔設計所產(chǎn)生的影響。在鐵塔設計時需要考慮到下列的一些因素：

第一，注意安全運行的原則。輸電線路的鐵塔設計，首先需要保證輸電線路的整體運行安全和穩(wěn)定，其次再保證環(huán)保等多種因素。

第二，在進行設計時，需要考慮到本身的成本問題。鐵塔設計要在滿足供電需求和安全運行的前提下，盡量降低成本，提高經(jīng)濟效益。

第三，需要注意施工現(xiàn)場的保護以及周圍環(huán)境的維護。

第四，根據(jù)工程需求確定鐵塔型式后，進行荷載工況組合，需要考慮大風、覆冰、低溫、斷線、安裝、不均勻冰以及“三跨”驗算等工況，特別重要的塔型還要考慮地震等特殊工況。

1.2??鐵塔設計優(yōu)化

鐵塔優(yōu)化包括橫擔優(yōu)化、塔身口寬和坡度優(yōu)化、結(jié)構(gòu)布置和節(jié)間優(yōu)化等。

橫擔優(yōu)化：根據(jù)不同的塔型采取不同的優(yōu)化方案，有型式優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。

塔身口寬和坡度優(yōu)化：上部塔身的坡度較小，其口寬及坡度在小范圍內(nèi)變化對塔重及基礎(chǔ)作用力影響均很小，因此，桿塔單基指標的降低重點在于優(yōu)化下部塔身坡度及瓶口寬度。在優(yōu)化瓶口寬度及根開大?。ㄋ砥露龋r，應在合理的范圍內(nèi)取值。瓶口寬度越小，塔頭剛度就越小，桿塔變形就越大，頭部塔身主、斜材內(nèi)力也越大，塔重增加;但瓶口寬度大到一定程度，桿塔反而又會越來越重。因此，塔身優(yōu)化一定要在保證桿塔整體剛度的前提下，獲得較優(yōu)的塔重指標。

結(jié)構(gòu)布置和節(jié)間優(yōu)化：節(jié)間長度的確定受到臨界計算長度、塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制約，同時考慮到節(jié)間長度對斜材、輔助材的影響以及腹桿布置形式對主材的內(nèi)力影響，往往很難理想地使主材長度達到按穩(wěn)定計算的承載力等于按強度計算的承載力。因此在進行節(jié)間長度分段優(yōu)化時，應綜合考慮多種因素的影響，以臨界計算長度為參考，同時考慮塔身布置、桿件應力比等因素，合理選擇最優(yōu)的長度。

2輸電線路基礎(chǔ)設計

2.1基礎(chǔ)型式選擇

桿塔基礎(chǔ)設計是指在已知地質(zhì)及荷載等條件下通過一系列計算來選擇合適的桿塔基礎(chǔ)類型，確定基礎(chǔ)最佳尺寸的全過程。在設計過程中必須考慮下列因素。

⑴?地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是桿塔基礎(chǔ)設計的出發(fā)點，主要包括塔位的地質(zhì)情況、土（巖）種類、原狀土層分布和應力狀態(tài)、地下水位情況以及施工過程地基土（巖）的變化特性等，地基土（巖）的工程評價是正確進行桿塔基礎(chǔ)設計的關(guān)鍵。

⑵?荷載特性

荷載特性是桿塔基礎(chǔ)設計時的主要變量，主要包括荷載的大小、分布和偏心程度等。

⑶?施工因素

在輸電線路基礎(chǔ)設計時，需考慮施工單位的機械及技術(shù)裝備能力、施工過程中的運輸條件和材料供應情況，確?；A(chǔ)施工過程的連續(xù)性、快速性和施工質(zhì)量滿足使用要求。

⑷?環(huán)境保護

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對輸電線路建設過程中環(huán)境保護方面提出了更高的要求，合理選擇基礎(chǔ)型式和設計塔位施工基面，做到少開塔位施工基面，以減少余土和邊坡的防護，降低工程造價，保護環(huán)境，實現(xiàn)國家經(jīng)濟建設的可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)我國目前超高壓輸電線路桿塔基礎(chǔ)工程的設計和施工現(xiàn)狀，在基礎(chǔ)方案選擇時應考慮以下幾方面：

（1）應盡可能采取合理的結(jié)構(gòu)型式，降低水平力和彎矩對基礎(chǔ)的影響，改善基礎(chǔ)受力狀態(tài)。

（2）應盡可能充分利用原狀土地基承載力高、變形小的良好力學性能，因地制宜采用原狀土基礎(chǔ)。

（3）應注重環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

（4）應注重施工的可操作性和質(zhì)量的可控制性，重視施工過程的安全性。

結(jié)合具體的地形、地貌、水文地質(zhì)條件，建議的基礎(chǔ)型式如下：

（1）對平原有水軟弱土地基，基礎(chǔ)作用力較小時采用灌注樁單樁基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)作用力較大的桿塔宜采用灌注樁群樁基礎(chǔ)、PHC管樁基礎(chǔ)。

（2）對平原有水普通土地基區(qū)段的塔位，作用力較小時優(yōu)先推薦采用灌注樁單樁基礎(chǔ)，作用力較大的桿塔，推薦采用灌注樁群樁基礎(chǔ)、PHC管樁基礎(chǔ)。

（3）對低山丘陵細粒土地基區(qū)段的塔位，當塔基地形平緩時優(yōu)先推薦采用挖孔基礎(chǔ)，其次考慮采用掏挖基礎(chǔ);當桿塔荷載較大或塔基地形陡峭時宜采用挖孔基礎(chǔ)。

（4）對于丘陵、低山區(qū)下伏風化巖石地基，推薦采用巖石錨桿基礎(chǔ)、巖石嵌固基礎(chǔ)，地形陡峭區(qū)域根據(jù)經(jīng)濟性也可采用挖孔基礎(chǔ)。

（5）跨河地區(qū)推薦采用灌注樁單樁及灌注樁群樁基礎(chǔ)，對灌注樁群樁基礎(chǔ)應結(jié)合水文相關(guān)要求，選擇低樁或高樁承臺。

2.2輸電線路基礎(chǔ)設計優(yōu)化

在基礎(chǔ)型式確定的條件下，基礎(chǔ)優(yōu)化包括基礎(chǔ)材料的選擇、基礎(chǔ)尺寸的優(yōu)化及鐵塔與基礎(chǔ)連接方式的優(yōu)化。

板式基礎(chǔ)優(yōu)化包括：基礎(chǔ)主柱寬、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)底板寬及底板厚等。

挖孔類基礎(chǔ)優(yōu)化：（1）對土類地基，在滿足位移要求下，挖孔基礎(chǔ)采取擴底措施，擴底端直徑與樁身直徑比D/d直線塔宜取1.5左右，耐張塔宜取2.0左右，具體取值根據(jù)承載力要求及擴底端部側(cè)面和樁端持力層土性確定。長徑比L/d取值應受水平位移和人工開挖活動限制，不宜過大。（2）對風化巖石類地基，在滿足位移要求下，對于直線塔，擴底端直徑與樁身直徑比D/d為1.0與1.5時相差不大，因此考慮施工便利，直線塔挖孔樁基礎(chǔ)可取消擴大頭;對于耐張塔，具體取值根據(jù)承載力要求及擴底端部側(cè)面和樁端持力層土性確定，必要時也可取消端部擴大頭。

對于灌注樁基礎(chǔ)，推薦采用承臺45°擺放+立柱偏心的基礎(chǔ)型式，偏心量根據(jù)桿塔作用力的大小來優(yōu)化取值，并通過計算對比確定合理的布樁方案。

對于采用地腳螺栓與鐵塔連接的直柱基礎(chǔ)，推薦對地腳螺栓進行一定的預偏心，使下壓或上拔力產(chǎn)生的彎矩抵消部分水平力產(chǎn)生的彎矩，改善立柱及基底受力，從而降低基礎(chǔ)混凝土量和鋼筋量。

3結(jié)語

鐵塔的結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)通常在總成本上占據(jù)較大比例，所以鐵塔的設計過程一直處于重要的地位，整個鐵塔的結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量關(guān)系到日后的經(jīng)濟效益。通過線路結(jié)構(gòu)以及鐵塔結(jié)構(gòu)設計等方法優(yōu)化設計之后所得出的結(jié)論如下：在設計時需要不斷完善以及優(yōu)化鐵塔的基礎(chǔ)設計要點，將鐵塔的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設計有效配合，從而發(fā)揮出更好的效能，保證線路的整體運行穩(wěn)定和安全。

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（作者單位：中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司）