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(wǎng)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(guī)地區(qū)，高海拔、特重冰、峻嶺地區(qū)(以下簡稱“高特峻地區(qū)”)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(guī)施工方法效率低等特殊問題。而高特峻地區(qū)輸電線路一旦出現(xiàn)安全問題，搶修和運維成本太高，因此在該地區(qū)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(qū)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(qū)豐富的工程經驗，從全過程經濟性、可靠性、可行性以及環(huán)保性綜合考慮，對送電結構專業(yè)提出了一些創(chuàng)新工程措施。

1 鐵塔設計創(chuàng)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)的狹窄山梁或山脊塔位，采用這種直柱門型塔優(yōu)點明顯，直柱長度可根據(jù)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(jù)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(guī)塔更少，對于環(huán)境破壞小，施工也簡單；但是征地面積較常規(guī)塔型大，且鐵塔受力較常規(guī)塔復雜。后續(xù)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(fā)，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(yōu)點為：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(guī)格較小，有利于施工運輸和組裝。

其缺點為：1)基礎開挖數(shù)量多，基礎混凝土和土石方工程較干字型塔略大，不利于環(huán)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(fā)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(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(chuàng)新措施經濟性分析

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°，級差不能滿足要求。從環(huán)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(qū)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(qū)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(yōu)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(huán)保角度看，獨立格構柱和獨立小塔基礎數(shù)量更多，對環(huán)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(huán)保性，推薦優(yōu)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(chuàng)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(huán)境破壞較大，僅推薦在個別特殊地區(qū)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(qū)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(qū)的陡坡上施工難度非常大，且高海拔、重冰區(qū)基礎混凝土方量大，施工現(xiàn)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(chuàng)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(xiàn)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(jié)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(guī)混凝土，預留200～300 mm?；A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(yōu)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(huán)境的破壞；

2)基礎混凝土工程量的減少，可以減小現(xiàn)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(huán)境的破壞；

3)可利用鋼管柱接地，減少接地溝的開挖，減少對環(huán)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(tài)和正常使用極限狀態(tài)，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(guī)程》[4]中“復合式沉井基礎”中要求執(zhí)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(shù)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(guī)程》中“復合式沉井基礎”中要求執(zhí)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(guī)范》[5]和《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)程》，但需進一步分析，對取值參數(shù)進行優(yōu)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(guī)范》[7]和《型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程》[8]執(zhí)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(qū)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(guī)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(guī)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(tǒng)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(yè)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(qū)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(huán)保性綜合考慮，針對送電結構專業(yè)提出了一些創(chuàng)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(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和創(chuàng)新型鋼管樁基礎，作為工程環(huán)保綜合解決方案。

高特峻地區(qū)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(fā)展，其解決方案也將日漸成熟和呈現(xiàn)多元化趨勢。但是，無論時代如何進步，技術如何發(fā)展，安全可靠、經濟環(huán)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。