鄢秀慶，何松洋，王健鐘，劉洪昌，周建軍

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著西南地區(qū)水電開發(fā)的不斷深入和發(fā)展，電力送出走廊經(jīng)過的地形復(fù)雜地區(qū)和氣候惡劣地區(qū)也越來越多[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川省內(nèi)已投運(yùn)的500 kV及以上電壓等級的輸電線路有16條線路共28處位于極其困難區(qū)域，線路總長為213 km； 2007年前投運(yùn)的普洪三線共2處位于極其困難區(qū)域，線路長度為13 km；而2007年后投運(yùn)的有15條線路共26處位于極其困難區(qū)域，線路長度為200 km。四川省內(nèi)正在設(shè)計(jì)階段的500 kV及以上電壓等級輸電線路有6條線路共8處位于極其困難區(qū)域，線路長度為150 km。根據(jù)四川水電開發(fā)及四川電網(wǎng)的規(guī)劃，極其困難區(qū)域的線路還將大規(guī)模增長。因此如何降低此類輸電線路的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高線路安全運(yùn)行的能力，減少運(yùn)行維護(hù)的困難，并保證鐵塔的安全可靠度，是亟待解決的難題，部分學(xué)者對惡劣環(huán)境下輸電線路的環(huán)保措施和避雷措施等方面進(jìn)行了相應(yīng)研究[2-4]，但沒有對惡劣環(huán)境下的輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，缺乏成體系的設(shè)計(jì)對策。因此，本文從荷載取值、塔型選擇、材料運(yùn)輸、防腐處理等四個(gè)方面進(jìn)行分析總結(jié)，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)對策，為以后該類地區(qū)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)境惡劣地區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)難題

環(huán)境惡劣區(qū)域輸電線路設(shè)計(jì)具有如下難點(diǎn)：

1)通道狹窄、立塔困難

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，環(huán)境惡劣地區(qū)往往通道受限，場地十分狹窄，較常出現(xiàn)的地形包括孤山包、45°～50°陡峭邊坡等，對于立塔和邊坡及棄土處理都十分困難，如圖1～圖2所示。

圖1 孤山包地形

圖2 陡峭邊坡

2) 重覆冰

在環(huán)境惡劣地區(qū)，重覆冰問題是十分突出和普遍的。經(jīng)過2008年和2011年的冰災(zāi)后，逐步加強(qiáng)了冰厚的原始數(shù)據(jù)采集，并對重冰區(qū)的鐵塔設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，但由于覆冰隨海拔、微地形、微氣象條件的影響很大，所以要非常準(zhǔn)確地確定覆冰厚度非常困難。因此在確定環(huán)境惡劣地區(qū)重覆冰情況下的鐵塔荷載時(shí)，須特別注意這種覆冰荷載復(fù)雜性的影響，如圖3～圖4所示。

圖3 重覆冰鐵塔

3)高烈度地震

2008年汶川大地震震害結(jié)果表明：在高烈度地區(qū)的輸電線路鐵塔損壞情形中，桿塔和基礎(chǔ)損壞主要原因是地震次生災(zāi)害導(dǎo)致的地基失效，主要表現(xiàn)為地震引起的塔位滑坡垮塌、山體裂縫、邊坡垮塌、滾石砸壞桿塔、泥石流沖毀桿塔等，如圖5所示。地質(zhì)災(zāi)害直接導(dǎo)致鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)一步引起鐵塔內(nèi)力重分布，導(dǎo)致鐵塔破壞，如圖6所示。

圖5 滾石砸斷塔材

圖6 不均勻沉降引發(fā)的塔材拉裂

此外，從施工角度而言，環(huán)境惡劣地區(qū)往往位于無人區(qū)，交通極為不便，塔材運(yùn)輸困難。從運(yùn)行維護(hù)角度而言，一是地形陡峭，到達(dá)塔位難度大；二是無手機(jī)通訊，人身安全難以保障；三是事故后搶修極為困難。

2 環(huán)境惡劣地區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)對策

2.1 荷載取值及可靠度

結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)[5-6]如表1所示。

表1 構(gòu)件可靠度指標(biāo)表

對于常規(guī)500 kV線路而言，其安全等級為二級，鐵塔破壞一般屬于延性破壞，因此可靠度指標(biāo)β≥3.2即可。但是如前文所述，由于環(huán)境惡劣地區(qū)輸電線路的外荷載的復(fù)雜性及特殊性，因此，安全等級應(yīng)比常規(guī)線路高一個(gè)級別，取為一級，同時(shí)β≥3.7。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[5]規(guī)定，對于安全等級為一級的結(jié)構(gòu)，其重要性系數(shù)γ0取1.1。根據(jù)圖7，γ0取1.1時(shí)難以滿足可靠度要求，因此需提高重現(xiàn)期。根據(jù)圖8可知，100 a重現(xiàn)期時(shí)，滿足β≥3.7的要求。因此，在設(shè)計(jì)中，桿塔重要性系數(shù)應(yīng)取1.1，基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)冰厚重現(xiàn)期應(yīng)取100 a。

圖7 重要性系數(shù)和可靠度指標(biāo)的關(guān)系

圖8 重現(xiàn)期和可靠度指標(biāo)的關(guān)系

2.2 鐵塔設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)置多道傳力途徑

對于傳力關(guān)鍵點(diǎn)及薄弱點(diǎn)，除應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)連接外，與其相連的其它桿件應(yīng)留有適當(dāng)裕度[7]，以保證主要構(gòu)件受損時(shí)，其余構(gòu)件能夠分擔(dān)部分受力，從而保證不發(fā)生更大的破壞，如表2所示。

表2 傳力途徑示意

2.2.2 增加鐵塔抗冰能力

從2008年及2011年冰災(zāi)可知，導(dǎo)致鐵塔覆冰倒塌的主要原因是覆冰過重導(dǎo)致的壓壞和斷線引發(fā)的扭轉(zhuǎn)破壞。因此，一方面需要選擇適當(dāng)?shù)谋襁M(jìn)行計(jì)算，加強(qiáng)導(dǎo)地線的覆冰過載能力；另一方面，對于冰災(zāi)過程中易損壞的部位，如橫擔(dān)及地線支架根部與塔身的連接、橫擔(dān)與塔身相連處的隔面、強(qiáng)酒杯塔曲臂等應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

2.2.3 新型塔型的應(yīng)用

除了加強(qiáng)鐵塔自身可靠度外，加強(qiáng)鐵塔與環(huán)境的適應(yīng)性是環(huán)境惡劣地區(qū)的又一大課題。如前文所述，環(huán)境惡劣地區(qū)，部分地段地形惡劣，立塔困難，因此，本文總結(jié)了歷年應(yīng)用于環(huán)境惡劣地區(qū)的新型塔型，如表3所示。

表3表明，采用非常規(guī)的新型塔，雖然會(huì)增加部分投資，但是對于線路中部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的暢通起到了至關(guān)重要的作用，因此在環(huán)境惡劣地區(qū)推廣是非常必要且有意義的。

表3 新型塔型的應(yīng)用

2.2.4 塔材的選擇

環(huán)境惡劣地區(qū)往往交通條件惡劣，運(yùn)輸十分困難，塔材宜采用較為輕便的角鋼。角鋼長度會(huì)影響單根構(gòu)件的重量，對于運(yùn)輸?shù)囊笠膊煌?，如塔材太長，則運(yùn)輸時(shí)要求的轉(zhuǎn)彎半徑更大[7-8]，對汽車及道路要求更高，費(fèi)用也將增大。以川藏聯(lián)網(wǎng)工程為例，對塔材開斷進(jìn)行比較，如表4所示。

表4 塔材不同開斷方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

由表4可知，當(dāng)鐵塔構(gòu)件采用9 m開斷后，在鐵塔材料費(fèi)用少量增加的基礎(chǔ)上更多地減少塔材運(yùn)輸?shù)缆氛魏途S修費(fèi)用，直接節(jié)約工程投資約570萬，相對減少約0.43%，帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益；此外也可較大程度地解決施工運(yùn)輸問題。該方案已在川藏聯(lián)網(wǎng)工程中實(shí)施，反響良好，因此，對于環(huán)境惡劣地區(qū)，塔材開斷長度建議為9 m。

2.3 基礎(chǔ)及防護(hù)設(shè)施

高烈度地震區(qū)域，影響線路正常運(yùn)行的主要因素為地震引發(fā)的次生災(zāi)害。因此，對于此類地區(qū)基礎(chǔ)及防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)，應(yīng)注意塔位附近的危巖和塔位下方的臨空面，必要時(shí)應(yīng)采取清理臨空面、增加防護(hù)網(wǎng)和抗滑樁等措施。此外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)鐵塔與基礎(chǔ)的連接宜采用地腳螺栓方式，施工便捷，適應(yīng)惡劣地質(zhì)條件能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)方便，事故搶修便利；

2)應(yīng)建議用原狀土基礎(chǔ)，其土石方量最小，對地形和植被的破壞也最小，能充分利用原狀土的特性，提高承載力；

3)棄土應(yīng)運(yùn)至不危及塔位安全的地方堆放；

4)塔位宜避開自然形成的排水通道。

2.4 運(yùn)行維護(hù)措施

環(huán)境惡劣地區(qū)，往往檢修維護(hù)困難，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下措施：

1)桿塔構(gòu)件規(guī)格尺寸不應(yīng)出現(xiàn)負(fù)偏差，鍍鋅層厚度應(yīng)比一般區(qū)段增加10 μm，采取此措施可以增強(qiáng)鐵塔抗腐蝕能力，減少維護(hù)成本；

2)桿塔防卸螺栓應(yīng)具有防松功能，除防卸螺栓外的其余螺栓應(yīng)采用雙帽防松。采取此措施可以減少因螺栓松動(dòng)而增加的運(yùn)維工作量；

3)加裝在線監(jiān)測裝置，目前國內(nèi)在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并在實(shí)際運(yùn)行線路上取得了應(yīng)用，可以有效減少人力檢修工作量；

4)采用鋁合金搶修塔。雖然考慮了足夠的安全措施，但是仍難以保證100%的無故障率，一旦造成倒塔事故，可以采用鋁合金搶修塔臨時(shí)恢復(fù)供電。與傳統(tǒng)鋼材相比，鋁合金桁架結(jié)構(gòu)，重量輕，裝運(yùn)方便，同等截面承載力大，同時(shí)易加工，耐腐蝕，可以極大的縮短加工和運(yùn)輸周期。此外，搶修塔可以模塊化制作，根據(jù)塔型的組成，迅速拼裝，等搶修期過后，可以分段拆卸回收，以備下次再用，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。目前，南網(wǎng)超高壓公司已設(shè)計(jì)出500 kV線路全鋁合金搶修塔系統(tǒng)，并制定了相應(yīng)的使用原則和方法。

3 結(jié)論

本文分析了環(huán)境惡劣地區(qū)線路特點(diǎn)，從荷載可靠度、鐵塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)等四個(gè)方面提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)對策，根據(jù)這些對策，工程中能夠較好地應(yīng)對惡劣環(huán)境的影響，主要研究結(jié)論如下：

1)分析了環(huán)境惡劣地區(qū)線路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，主要包括：地線陡峭或狹窄，立塔困難；覆冰荷載十分復(fù)雜；高烈度地震容易引發(fā)次生災(zāi)害；交通不便，運(yùn)輸困難；運(yùn)行維護(hù)困難等。

2)為提高環(huán)境惡劣地區(qū)桿塔可靠度，可取β≥3.7，建議覆冰及風(fēng)速重現(xiàn)期取值為100 a，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

3)為提高鐵塔抗外荷載能力，建議增加鐵塔多重傳力途徑和加強(qiáng)抗冰構(gòu)造措施。

4)為提高鐵塔對環(huán)境惡劣地區(qū)地形的適應(yīng)能力，推薦采用傾斜鋼架、垂直鋼架、門型塔和窄基塔等新型塔型。

5)為方便環(huán)境惡劣地區(qū)塔材運(yùn)輸，建議塔材采用角鋼型式，開斷長度可取值為9.0 m。

6)為減少高烈度區(qū)域次生災(zāi)害對鐵塔的破壞，建議了相關(guān)的基礎(chǔ)及防護(hù)措施，包括鐵塔與基礎(chǔ)采用底腳螺栓連接，基礎(chǔ)建議采用原狀土基礎(chǔ)。

7)為減少運(yùn)維工作量，從鐵塔防腐、螺栓防松、在線監(jiān)測及搶修塔的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究，并推薦了可行的方案。