新建特高壓輸電工程跨越塔沉降觀測方案設計與數據分析

劉流，馬雷 （國網安徽省電力有限公司建設分公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國國民經濟的快速發展，對電力基礎設施的要求越來越高，國家投資建設的電力基礎設施取得快速發展，電網規模越來越大，輸電線路的電壓等級也越來越高，輸電架塔作為輸電線路的承重部件隨之越來越高，對架塔的穩定性要求也越來越苛刻。據統計，輸電線路架塔工程，約占整個線路工程總投資的40%，投資占比很大。輸電架塔的穩定與否，會對整個線路的安全運營產生影響。輸電架塔為高聳結構，對架塔基礎的穩定性要求很高。如果架塔基礎沉降變形較大，架塔傾斜（如圖1a），會連帶導致上部各種輸電部件的變形，可能導致線路檔距、懸垂絕緣子串偏斜等各種問題，極端條件下甚至會造成整個架塔失穩傾覆（如圖1b），從而導致供電中斷，給社會經濟運行及人民的生活造成嚴重后果。

圖1 基礎沉降過大導致的架塔傾斜和傾覆

從設計階段就開始對輸電架塔的沉降變形進行方案設計，并從施工階段一開始就進行變形觀測，到線路工程施工結束，線路投入運營后的2-3年內持續觀測，直至輸電架塔沉降收斂穩定，這一整個過程是確保新建特高壓輸電線路安全運營的重要手段。

本文以昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標段的長江大跨越工程為工程背景，全過程分析總結了新建特高壓輸電工程跨越塔沉降監測從方案設計、施工和工后監測實施、數據處理分析等工作，在確保線路工程安全運營的同時，也為今后類似工程提供有意義的參考和借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程起點為新疆準東（昌吉）換流站，止于安徽皖南（古泉）換流站，輸送容量12000MW，是世界上第一條±1100kV直流輸電工程，也是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸電距離最遠、技術水平最高的特高壓輸電工程。工程線路路徑全長約3319.2km，包含長江大跨越2.9km，曲折系數1.11。線路途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽六省區。工程建設完成后可實現西部煤電基地電能直供中東部地區負荷中心，彌補我國華東地區的能源缺口，實現大范圍內的資源優化配置，符合國家“西電東送”總體戰略。昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標段位于安徽省合肥市巢湖，蕪湖市無為縣、繁昌縣、南陵縣、蕪湖縣，銅陵市銅陵縣境內。線路起自廬江縣大墩西（N9363塔），止于古泉換流站門架。線路路徑長度為125km，其中一般線路122.1km，長江大跨越2.9km。跨越方式為“耐-直-直-耐”，采用“直-直”方式跨越長江河道。耐張段全長2900m，跨越檔距1790m，檔距分布為“570m-1790m-540m”。跨越塔采用展翅型鋼管塔，呼高223m，全高225.2m，根開45m；錨塔采用“干”字型鋼管塔，呼高45m，全高66m，正面根開22m，側面根開26m。

1.2 地理位置

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標段位于安徽省合肥市巢湖區、蕪湖市無為縣、繁昌縣、南陵縣、蕪湖縣，銅陵市銅陵縣境內。線路起自廬江縣大墩西（N9363塔），止于古泉換流站門架。其中“長江大跨越工程”北起蕪湖市無為縣觀音廟村（E:11758'10"，N:3106'10"），南至蕪湖市繁昌縣翟家墩村 （E:11759'18"，N:3104'56"）,全長約2.9km。線路基本平行于銅陵長江公鐵大橋，相距約1.2km。工程項目地理位置如圖2所示。

圖2 長江大跨越工程所在地理位置略圖

1.3 塔基平面布置

本工程跨越塔有兩座，分別位于長江北岸（北塔）和南岸（南塔），單塔塔高225.2m，塔重1259t，跨越長江1790m。鐵塔塔高、塔重和線路跨越距離均為全線之最。為確保鐵塔基礎滿足荷載承重及穩定性要求，設計人員經過多輪方案的模型設計、力學分析以及實驗室試驗，確定塔基幾何尺寸及其他力學特性，并形成最終的幾何平面布置圖（如圖3）。

圖3 單個跨越塔基礎平面布置圖

每座跨越塔由4個長、寬、高分別為4.5m、4.5m和4.2m的鋼筋混凝土基礎支撐，基礎按順時針編號，分別為A#、B#、C#和D#；對角基礎中心連線和線路前進方向夾角為45。由于北塔和南塔結構相同，重量一樣，兩塔布設位置的工程地質情況相似，為敘述方便，以下僅以南塔為例。

2 監測方案設計

2.1 監測目的及監測等級

本大跨越塔沉降觀測的主要目的有兩個，一是在架塔施工階段，及時監測反饋鐵塔沉降變形情況，指導架塔施工，確保工程安全；二是在施工結束后的投運階段，監測跨越塔基礎在全部上覆荷載作用下的沉降變形情況，在確保電力線路安全營運的同時，也為前期的力學模型分析和實驗結果，提供實際情況下的形變驗證數據，從而更好地用以預測今后本工程跨越塔的變形趨勢。本工程依據《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2016）中規定的建筑物基礎設計等級，建筑物重要程度及建筑物的控制變形情況，選擇沉降觀測等級為二級。

2.2 監測方法

本工程選擇的沉降觀測等級為二級，精度要求較高，需要采用高精度的幾何水準測量方法進行。跨越塔屬高聳建筑物，施工場地相比于其他建筑物而言相對狹小，現場干擾因素非常多。為確保監測數據真實可靠，本工程塔基沉降觀測工作采用二級布網（首級網為沉降水準控制點和工作基點構成的水準線路，二級網為單個基點和監測點構成的水準線路），統一平差的技術方案。

2.2.1 首級控制網布設及觀測方案

為了滿足測量精度的要求，同時根據現場施工情況，在遠離跨越塔監測范圍的穩定區域內(施工區域50m外)布設3個基準點，編號分別為BM1、BM2和BM3，組成水準基準網（圖4）。按二等水準測量精度要求，每期沉降觀測都對基準點進行觀測，觀測順序為“BM1-BM2-BM3-BM2-BM1”, 往返觀測。觀測結果經過平差軟件計算，對比前后期數據分析確定首級網的穩定性。

圖4 南塔沉降觀測基準點及觀測點布設示意圖

2.2.2 二級監測網布設及觀測方案

對（1）中所述由基準點組成的首級控制網進行數據處理及分析，判定基準點穩定后，以穩定的基準點（如圖4中的BM1）為已知點，沿順時針方向經過監測點（如圖4中的SD1-SD2-SD3-SD4-…-SA1SA2-SA3-SA4）組成閉合環。依照二等水準的測量要求，按奇數站“后-前-前-后”，偶數站“前-后-后-前”的作業方法進行往返觀測。觀測完成后計算環線閉合差并根據測站數進行平差。具體技術要求如表1～表5所示，依據《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2016）和《電力工程施工測量技術規范》（DL/T 5445-2010）。

水準測量的儀器型號和標尺類型 表1

水準測量觀測方式 表2

水準測量照準標尺順序 表3

水準觀測的視線長度、前后視距差和視線高度（m） 表4

水準觀測限差（mm） 表5

2.3 監測周期

本工程目沉降監測時間為跨越塔施工階段至工程竣工后營運階段。依據施工階段不同，采用不同的監測周期；依據不同的變形量，適當縮短或延長監測周期。一般情況下，施工階段變形量可能較大，監測周期短；竣工后營運階段變形量會變小，監測周期可延長。

2.3.1 跨越塔施工階段

①每個承臺施工完畢開始該承臺的首次觀測；

②混凝土達到28天齡期觀測一次；

③鐵塔施工前對所有承臺觀測點全面觀測一次；

④每安裝完一段塔身或橫擔觀測一次。

2.3.2 跨越塔工程竣工后營運階段（不少于三年）

①線路投運前觀測一次；

②竣工后第一年每3個月觀測一次；

③竣工后第二年每6個月觀測一次；

④竣工后第三年每12個月觀測一次，直至沉降穩定（連續兩期沉降量≤2mm）。

2.4 邊坡變形監測預警

根據規范要求（本工程采用監測報警值如表6所示），沉降觀測期間遇到下列情況時及時報警，并采取相應的應急措施：

監測報警值一覽表 表6

①變形量或變形速率出現異常變化；

②變形量達到或超出預警值；

③跨越塔本身、周邊建筑及地表出現異常；

④根據當地工程經驗判斷已出現其他必須報警的情況或由于地震、暴雨、凍融等自然災害引起的其他變形異常情況。

3 監測數據分析

本次監測始于2017年5月25日，截止于2020年4月18日，觀測時間跨度近3年，累計觀測34期觀測數據。表7為截止到2020年4月18日最后一期觀測，南塔上16個沉降觀測點統計分析成果表；圖5為整個沉降觀測期南塔上沉降觀測點的“時間-荷載-沉降曲線圖”。

南塔沉降觀測點統計分析成果表 表7

從表7數據中可以看到，16個監測點中，最大沉降點為沉降量SC4，沉降量為3.54mm，遠小于預警值20.00mm；最小沉降點為沉降量SB2，沉降量為0.23mm，兩期最大沉降點為SC4，沉降量為0.36mm；最后兩期時間間隔6個月，沉降速率趨于0.00mm/d，沉降變化非常細微，表明沉降已經穩定。

從上述圖5-圖8可以看出，跨越塔在架塔施工期間（架設第1-17段鐵塔）和鐵塔架設完成的2個月內，各監測點都有一個下沉趨勢，但這期間最大總沉降量為2.84mm（SC1，2018-04-17期），最大沉降速率為0.51mm/d(SA4，2018-02-03期）。數據和沉降曲線圖說明，跨越塔在架塔施工期間和工后2個月內，塔體有整體沉降，但沉降總量不大（不足3mm），沉降速率平緩。在隨后近兩年工后運營期間，跨越塔上各觀測點的沉降均處于一個比較平穩的狀態，比對規范所給指標，可以得出結論：現階段跨越塔整體已處于穩定狀態。

圖5 南塔承臺A1-A4觀測點時間-荷載-沉降曲線圖

圖6 南塔承臺B1-B4觀測點時間-荷載-沉降曲線圖

圖7 南塔承臺C1-C4觀測點時間-荷載-沉降曲線圖

圖8 南塔承臺D1-D4觀測點時間-荷載-沉降曲線圖

4 結論

從2017年5月15日到2020年4月19日，項目監測組對昌吉-古泉±1100kV特高壓輸電工程跨越塔進行了近3年總共34期的沉降觀測。通過科學合理地設計觀測方案，及時采集、處理和分析觀測數據，及時發現和反饋過程中發現的沉降變化，在保證工程安全施工及工后安全運營的同時，也基本掌握了跨越塔在施工過程中及工后運營階段的自身變形情況，較好地完成了跨越塔的沉降變形觀測任務，為今后類似工程提供有意義的參考和借鑒。