季善浩 ，李 勃

（1.華北電力大學，北京 102206；2.煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；3.山東電力研究院，山東 濟南 250002）

0 引言

近年來，隨著“西電東送”和全國聯網工程項目的建設，實現跨大區(qū)域、跨流域的水火電互濟，變輸煤為輸電，進行更大范圍內的電力資源優(yōu)化配置，對提高能源利用有重要意義。同時越來越多的輸電線路不得不途經煤礦區(qū)［1］。隨著我國經濟和采礦事業(yè)的不斷發(fā)展，一些礦區(qū)特別是淺埋煤礦的開采，引起地面下沉、凹陷甚至坍塌，給經過或坐落于礦區(qū)上的高壓輸電鐵塔、線路造成了很大的威脅和危害。2010年，220 kV龍蠶線因途徑的洼里煤礦煤層采空后地表出現沉陷，而引起了47號SJT轉角耐張塔基礎發(fā)生不均勻沉降。

1 輸電塔偏斜狀況

220 kV龍蠶線47號SJT轉角耐張塔為自立式六角型雙回路轉角塔，呼高18 m，總高35.5 m，根開7.285 m，轉角度數為右角24.4°，水平檔距為330 m，垂直檔距330 m，采用4個獨立基礎。該塔主肢及斜材由不同規(guī)格的Q235角鋼連接而成，結構型式如圖1所示。導線型號為LGJ-400/50，地線型號為GJ-50，其主要參數如表1所示。

圖1 220 kV龍招線47號六角形直線塔結構

表1 導（地）線主要參數

2010年，煤礦采空區(qū)在采掘撤巷后，由于地表層受力過大，超過允許承受力時，致使地表層斷裂下沉，塔身隨之產生傾斜 （經監(jiān)測顯示基礎沉降和鐵塔傾斜有進一步發(fā)展的趨勢），并產生較大的附加應力。經測量，發(fā)現鐵塔產生較大的偏斜，塔頭向一側偏斜達1.063 m，根開變?yōu)?.185 m/7.195 m/7.205 m/7.225 m?，F場測量各塔腳的相對下沉量及設計相對高差如表1所示（以未沉降水平面為基準），塔基平面圖以及塔腳編號如圖1所示。塔腿編號情況如圖2所示，各塔腿垂直沉降量與根開的變化分別如表2及表3所示。且發(fā)現輸電塔底部桿件發(fā)生較大變形，在塔身下部靠近基礎的橫隔面附近，桿件產生了明顯的彎曲變形，有的桿產生外凸、有些桿產生內凹，如圖3所示。

表2 垂直沉降量

表3 根開水平改變量

圖2 輸電塔腿編號示意圖

圖3 輸電塔底部橫隔面變形圖

2 基礎不均勻沉降對輸電線路桿塔的影響

輸電線路直線自立塔一般為格構型，有4個支腳的針狀結構，基礎常為分裂式（圖4），桿塔承受上撥和下壓以及水平剪力的共同作用。

圖4 桿塔基礎受力分析圖

地表的固結、移動和沉降以及大地與基礎之間的非彈性特性，使地表下沉產生壓力，再加上桿塔及各種荷載，引起相鄰各基礎之間的不均勻沉降，產生了多種組合的載荷，造成桿塔內部各構件較大的應力。

當基礎發(fā)生不均勻沉降時，桿塔可能產生兩種反應，一種是由于鐵塔靜定結構設計，桿塔具有一定的剛體性，使之作為一個剛體隨基礎移動和轉動，這時桿塔結構未被破壞。另一種是由于塔材的彈性特性，加之應力超過塔材的彈性極限時，使桿塔發(fā)生幾何形狀的變化，以適應基礎的沉降，這時桿塔的結構被破壞，各節(jié)點的應力將發(fā)生變化。

有關的塔形建筑標準基礎沉降量最大允許為0.004B（根開），自立直線塔的根開一般為4～7m，基礎沉降量應控制在12～28 mm之間，與研究部門及電力運行單位多年實踐總結的1 217～2 514 mm的基礎不均勻沉降極限相吻合，當基礎發(fā)生不均勻沉降時，可以通過計算或試驗來分析桿塔各節(jié)點，各塔材是否超過極限應力，來判斷桿塔是否安全，以確定處理方案和更換鐵塔或部分塔材［2］。

3 處理方案的探討

3.1 指導思想

參照以往糾偏加固工程實踐經驗，糾偏全過程中應確保4個塔腿底部始終在一個平面上；在不斷電的條件下實施糾偏全過程，鐵塔不用更換改建；原來4個基礎盡量不受破壞，但它們的受力條件要發(fā)生改變；糾偏以頂升調平為主［3］。

3.2 方案探討

方案1：基礎帶電復位。施工程序為：①做好安全措施穩(wěn)固塔身。②將塔身支起。③基礎開挖。④用液壓千斤頂將基礎提升，基礎下用墊襯墊平。⑤將基礎用千斤頂平推歸位。⑥塔身與基礎聯接，基礎回填。⑦帶電更換部分變形塔材，拆除安全措施。該方案不停電、工期短。但是，安全措施復雜，由于47號塔支腿部位部分桿件已發(fā)生嚴重變形，施工安全難以保證。同時處于相對穩(wěn)定期的采空區(qū)，地表仍有小的變化，桿塔內部還將產生應力。

方案2：帶電扶正塔身。在采空區(qū)處于活躍期或沉降量不大，且水平移位在規(guī)定以內時，做好安全措施，在基礎上加墊塊扶正塔身（圖5）。該方案靈活多變、工期短、投資很小、可做為沉降活躍期的臨時方案。但是本次沉降輸電塔位移變形較大，此方法無法適用。

3.3 方案實施

方案3：加固原基礎。采用鉆孔灌注樁托換加固的方法，將原來的4個混凝土基礎用鉆孔加鋼筋，增加4條地梁連成整體，并用鉆孔灌注樁托換加固，最后用頂升法調正鐵塔的就地糾偏方案［4］。

通過對上述方案的對比，基于安全性和經濟性的考慮，決定采取以方案3為基礎并同時對危險桿件加固的方案。同時由于塔身受力較大，不宜對桿材進行更換，因此采用增加輔助桿材的方式進行加固，加固形式如圖6所示。

首先在四基礎地表下0.5 m處混凝土四面用400 mm×20 mm厚的鋼板包住，鋼板間用HW250×255×14/14的工字鋼進行連接以防止水平變形擴大。

然后對3 m處橫隔面采用C 180×68×7/10.5的槽鋼進行加固。

圖5 帶電扶正塔身示意圖

圖6 支腿（加固后）

最后在3.5 m、2.65 m、1.75 m處添加橫隔面，橫隔面形式如圖7所示。

圖7 3.5 m、2.65 m和1.75 m處橫隔面

4 結果與評定

對加固后的結構進行了有限元建模與計算。對比原始結構計算結果可知，結果顯示加固后最大應力值由4 080 MPa減小到108 MPa，同時變形不再進行擴大，如圖8、9所示。

圖8 加固與未加固支腿應力比對

圖9 加固與未加固支腿變形比對

在鐵塔加固工作完成后，通過對塔身多點震動測量以及基礎部分振動及應變測量，對輸電塔加固后的運行狀況進行全面檢測。加固后輸電塔的變形穩(wěn)定，沒再擴大，結果顯示，加固方案取得了非常好的效果。

5 結論和建議

1）通過對塔基不均勻沉降及水平移動對塔身承載力的影響進行分析，基礎豎向不均勻沉降，使塔身傾斜，導（地）線張力及基地反力均發(fā)生變化，使導線發(fā)生一側放松，一側拉緊的情況，引起結構變形與內力的增加。

2）由于塔腿的水平移動，導致根開減小，在塔身下部靠近基礎的橫隔面附近，橫桿產生了明顯的彎曲，底部桿件存在應力過大的現象。

3）鐵塔基礎發(fā)生沉降、傾斜或滑移時，鐵塔桿件的破壞順序為塔底橫隔、塔底斜材和塔身下部斜材，采空區(qū)特高壓鐵塔設計中應對這些桿件適當加強。

4）隨著地表變形影響不斷擴大，超出承載能力極限。隨地表變形（尤其是水平位移），加固桿件已經產生屈曲，塔承載能力有進一步下降的趨勢。通過對已經產生屈曲的桿件及基礎進行加固處理，可防止由桿件繼續(xù)發(fā)生變形從而導致桿塔的傾覆。

5）對于處于采礦區(qū)的輸電塔應放棄采用分裂式基礎，而采用聯合式基礎。聯合式基礎抗不均勻沉降能力強，適用于淺埋，即使地表有一定的變化，桿塔及基礎也只是做剛體移動和轉動，內力變化較小，很少危及桿塔結構，降低桿塔傾覆的危險。

6）為確保煤礦采空區(qū)特高壓輸電線路安全，有關部門應當互相支持、協(xié)作。輸電線路運行單位應將輸電線路桿塔及基礎資料提供給煤礦開采企業(yè)，在開采時選用適當的采煤方法，減小基礎變形量，降低煤礦開采對輸電線路安全運行的不利影響。