高海拔特重冰峻嶺地區輸電線路結構創新措施綜述

辜良雨，蔣 銳，甘運良，翟洪利，陳俊帆，王伸富，王 波

(1.中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021;2. 中國南方電網有限責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，導線覆冰厚度在30 mm以上為特重冰，相對高差500 m以上的山地為峻嶺。相比常規地區，高海拔、特重冰、峻嶺地區(以下簡稱“高特峻地區”)輸電線路通常存在導地線荷載大、地形陡峭、鐵塔根開大、鐵塔級差有限、基礎工程量大、常規施工方法效率低等特殊問題。而高特峻地區輸電線路一旦出現安全問題，搶修和運維成本太高，因此在該地區的設計應該充分從全壽命角度考慮，適當提高線路本體的可靠度，保證該地區輸電線路的安全。

針對這些特殊問題，結合西南電力設計院在該類地區豐富的工程經驗，從全過程經濟性、可靠性、可行性以及環保性綜合考慮，對送電結構專業提出了一些創新工程措施。

1 鐵塔設計創新措施

1.1 鋼架延長腿

為了盡量避免開方和基礎外露過大，保證輸電線路在高特峻地區的安全，設計了鋼架延長腿相關的設計技術，主要采用的技術方案分為3種：整體鋼架、獨立鋼柱和獨立小塔，各種鋼架型式如表1所示。

表1 3種主要鋼架型式

結合以往工程經驗，高特峻地區鋼架延長腿選擇的初步原則如下：

1)當塔位地形坡度在35°以內時，各型鐵塔均可使用整體鋼架；

2)當塔位坡度不大于40°時，可采用獨立格構柱，同時格構柱高度不宜高于6 m；

3)當塔位坡度超過40°時，宜采用獨立小塔，小塔高度一般為8.0～11.0 m。

幾種鋼架的工程實例如圖1所示。

圖1 幾種鋼架的工程實例

1.2 新型鐵塔型式

針對高特峻地區鐵塔受力大、根開尺寸大、鐵塔級差有限等問題，設計了單(雙)極直柱塔、單極酒杯塔以及三(兩)腳塔。

1.2.1 直柱門型塔

為了解決鐵塔級差不夠的問題，設計了單(雙)極直柱門型塔，如圖2所示。

圖2 直柱門型塔

在高特峻地區的狹窄山梁或山脊塔位，采用這種直柱門型塔優點明顯，直柱長度可根據地形進行設計，主動適應地形坡度需要。直柱鋼構架的橫向和縱向寬度可根據塔型實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。

直柱基礎本體工程量和基面開方量較常規塔更少，對于環境破壞小，施工也簡單；但是征地面積較常規塔型大，且鐵塔受力較常規塔復雜。后續需要結合電氣性能方面要求做進一步的分析，并進行模擬計算和真型塔試驗后方能采用。

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，從單極運行、減小根開、適宜陡坡地形角度出發，設計了單極酒杯塔，如圖4所示。

該種塔型將直流線路的同塔雙極架設拆分為兩個單極運行，以此來避免過大的扭距和扭轉變形問題。

其優點為：1)可根據地形隨意選擇塔位，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變形影響，僅承受橫向彎矩和縱向彎矩；3)每個塔的外荷載僅有同塔雙極運行的一半，單重輕且構件規格較小，有利于施工運輸和組裝。

其缺點為：1)基礎開挖數量多，基礎混凝土和土石方工程較干字型塔略大，不利于環保；2)當兩個單極塔距離較近時，部分基礎可能會交叉帶土，不能充分發揮基礎的抗拔承載力；3)運行檢修上不方便，需要兩次登塔。

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

1.2.3 三(兩)腿塔

結合以往經驗設計了三腿塔和兩腿塔(見圖5)。在二自線(1996年設計)中曾成功使用該類型的鐵塔，可以解決部分陡坡鐵塔級差不夠的問題。

圖5 三(兩)腿塔受力分析

1.3 鐵塔創新措施經濟性分析

以某特高壓工程30 mm冰區ZC30303-78 m為例，塔位地形陡峭約45°，級差不能滿足要求。從環境保護、水土保持角度盡量做到塔位“零開方”，考慮一個塔腿采用特殊處理方案，對多種方案進行綜合技術經濟對比，如表2所示。

表2 高特峻地區特殊塔位多方案綜合技術經濟對比

從上述分析可以看出，在高特峻地區陡峭塔位，采用三腿塔經濟性最好，采用獨立格構柱和獨立小塔經濟性略優于基礎加高，采用整體鋼架造價最高，但是整體鋼架變形最小，安全性最好。

從施工難度看，獨立格構柱、獨立小塔以及基礎加高方式的施工難度最高，三腿塔最簡單。從環保角度看，獨立格構柱和獨立小塔基礎數量更多，對環境破壞更大，而鋼架基礎荷載最大，基礎型號最大，三腿塔破壞最小。

因此，結合經濟性、安全性、施工難度以及環保性，推薦優先選用三腿塔。若仍然不能滿足級差要求，再結合施工條件選擇各類鋼架方案。

2 基礎設計創新措施

2.1 子母基礎[2]

個別塔位基礎露出地面太高，水平承載力難以滿足時，可采用子母基礎型式，如圖6所示。該基礎采用一種帶連梁的框架結構基礎體系，與鐵塔相連的基礎稱為“母基礎”，與“母基礎”相連的叫“子基礎”。該基礎型式可以減小母基礎的尺寸，整體可以減少基礎混凝土方量。

圖6 子母基礎三維圖和布置圖

但該基礎型式施工工藝復雜，對于環境破壞較大，僅推薦在個別特殊地區作為露出地表面太高的基礎加強采用。

2.2 新型鋼管樁基礎

目前輸電線路常用的山區基礎型式多為鋼筋混凝土結構，采用人工開挖，但在峻嶺地區的陡坡上施工難度非常大，且高海拔、重冰區基礎混凝土方量大，施工現場開挖的棄土多且向外運輸困難，而棄土處理不當引起塔位安全風險較大[3]。

針對上述問題，創新設計了一種新型鋼管樁基礎，不僅可以減少本體基礎工程量的運輸及現場澆制量，還對就地處理棄土提出了新方式，對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

2.2.1 方案說明

方案1采用鋼管樁和孔壁間灌注細石C30混凝土，預留空隙約60～100 mm。基礎最頂上標準節孔壁需修筑護壁和鎖口，其余段可利用鋼管柱作為坑壁支護結構。方案2采用鋼管樁和孔壁間灌注常規混凝土，預留200～300 mm。基礎全部修筑護壁和鎖口，以保證基礎開挖時坑內的工人安全。

鋼管采用內法蘭連接，分段重控制在1.5 t以內(分段長約2.0 m)，方便采用中型索道運輸。

2.2.2 主要優點

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險問題，最大程度地降低對環境的破壞；

2)基礎混凝土工程量的減少，可以減小現場澆制混凝土以及材料堆放的場地，減少水泥、沙、石頭和施工用水的運輸量，也可以較少對塔位環境的破壞；

3)可利用鋼管柱接地，減少接地溝的開挖，減少對環境的破壞。

2.2.3 理論計算原理

1)計算應同時考慮承載力極限狀態和正常使用極限狀態，承載能力計算應考慮抗壓、抗拔以及水平承載力計算。

2)抗拔計算可按照《架空輸電線路基礎設計技術規程》[4]中“復合式沉井基礎”中要求執行，上拔承載力考慮基礎自重、回填棄土自重及基礎與土體見的摩阻力來抵抗，其中抗拔折減系數需結合真型試驗實測值分析歸納。

3)抗壓計算可按照《架空輸電線路基礎設計技術規程》中“復合式沉井基礎”中要求執行，下壓承載力應考慮孔壁的側摩阻力、基礎地基反力以及土體的彈性抗力。

4)水平承載力計算可參考《建筑樁基技術規范》[5]和《架空輸電線路基礎設計技術規程》，但需進一步分析，對取值參數進行優化。

5)應按《鋼結構設計標準》[6]對鋼管樁進行局部屈曲計算。

6)應驗算鋼管樁在設計地面處的水平變位。

7)基礎的本體強度按《混凝土結構設計規范》[7]和《型鋼混凝土組合結構技術規程》[8]執行。

2.2.4 典型塔位綜合對比分析

以某特高壓工程40 mm冰區ZC30403-78 m為例，塔位地形陡峭約35～45，采用索道運輸，下面采用常規挖孔基礎和新型鋼管樁基礎進行了綜合對比分析,詳見表3。

表3 常規挖孔基礎和新型鋼管樁基礎綜合對比

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

3 結 語

針對高特峻地區線路設計的特殊性和復雜性，從全過程經濟性、可靠性、可行性以及環保性綜合考慮，針對送電結構專業提出了一些創新措施：

1)針對不同的地形坡度，推薦采用不同的鋼架延長腿型式；

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，考慮經濟性、安全性、施工難度以及環保性，推薦優先選用三腿塔；

4)因地制宜的采用子母基礎和創新型鋼管樁基礎，作為工程環保綜合解決方案。

高特峻地區線路設計作為目前輸電線路設計的新生事物，各種相應的研究還不多，對其各方面問題的認識也尚顯不足，但是隨著輸電技術和施工工藝的不斷發展，其解決方案也將日漸成熟和呈現多元化趨勢。但是，無論時代如何進步，技術如何發展，安全可靠、經濟環保、施工方便仍然將是研究的重點，也將是后期深入研究的方向。