文｜中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司 邵國(guó)棟

0 引言

輸電線路有時(shí)需要跨越大江大河或海峽港灣，由于跨越寬闊水面的跨距大，并且河流或海峽的通航要求常造成跨越塔比普通塔高很多，造成跨河段輸電線路需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。一般而言，跨距超過(guò)1000m，跨越塔高度超過(guò)100m，需特殊設(shè)計(jì)的輸電線路稱(chēng)為大跨越輸電線路。大跨越的設(shè)計(jì)氣象條件比一般線路嚴(yán)格，對(duì)安全的要求也比一般線路高，工程量大且施工周期長(zhǎng)。一處大跨越輸電線路工程的單公里投資比一般輸電線路高數(shù)倍到數(shù)十倍。因此，在大跨越輸電線路工程中必須作廣泛、深入、細(xì)致的工作，優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備。選擇合適的設(shè)計(jì)和施工方案可以顯著降低工程投資并縮短工程施工工期，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

巴西美麗山特高壓二期輸電線路托坎廷斯河跨越工程，是典型的熱帶雨林地區(qū)河網(wǎng)沼澤地區(qū)大跨越工程，其所跨越的托坎廷斯河是巴西第二大河，氣候?yàn)闊釒Ц咴瓪夂?，雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降雨量大，交通不便，施工難度大。主河面寬1102米，主河兩側(cè)為寬度約300米的河網(wǎng)沼澤區(qū)，水面深度2米左右，大型機(jī)械難以施展。因此，提出合理的組塔方法尤為重要。

本文分別從設(shè)計(jì)和施工方面介紹了巴西美麗山托坎廷斯河大跨越工程的設(shè)計(jì)和施工方案。介紹了大跨越輸電塔風(fēng)振系數(shù)取值方法，基礎(chǔ)變形對(duì)大跨越輸電塔內(nèi)力影響的分析方法以及開(kāi)展風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力計(jì)算方法。施工方面介紹了采用的附著式輕型抱桿系統(tǒng)以及漂浮式水上施工平臺(tái)，為國(guó)內(nèi)外輸電線路工程的建設(shè)提供參考

1 工程概況

巴西美麗山±800kV特高壓直流輸電二期工程是世界第四大水電站，同時(shí)也是巴西第二大水電站—美麗山水電站（裝機(jī)1100萬(wàn)千瓦）的電力送出工程，是海外建成的電壓等級(jí)最高、輸電容量最大、送電距離最遠(yuǎn)的輸電工程。工程由中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司巴西控股公司投資建設(shè)，中國(guó)電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司巴西公司EPC總承包，線路全長(zhǎng)2539公里，將亞馬孫河流域的水電輸送到東南部的里約熱內(nèi)盧負(fù)荷中心，可解決當(dāng)2200萬(wàn)人口的用電需求。該工程是中國(guó)特高壓走出去的重點(diǎn)工程，中央企業(yè)服務(wù)和參與“一帶一路”建設(shè)的重要成果，中巴基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域合作的典范，對(duì)促進(jìn)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)能?chē)?guó)際合作與互利共贏具有重要意義。

圖1 巴西美麗山特高壓直流輸電線路二期托坎廷斯河跨越工程

該工程跨越設(shè)計(jì)采用耐-直-直-直-直-耐的形式進(jìn)行河面跨越，跨越耐張段總長(zhǎng)達(dá)3882m，跨越檔檔距1136m，跨越直線塔塔高160.5米，重量184.7噸。跨越段所在地區(qū)具有很強(qiáng)的風(fēng)力帶，大跨越鐵塔及導(dǎo)地線受風(fēng)力影響尤為明顯，國(guó)內(nèi)外輸電鐵塔設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)鐵塔、導(dǎo)地線分別考慮，僅把導(dǎo)地線的風(fēng)荷載等效為靜力荷載施加在鐵塔上。事實(shí)上，由于輸電線具有較強(qiáng)的幾何非線性，大跨越輸電塔-線體系在脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下表現(xiàn)出復(fù)雜的振動(dòng)特性，兩者具有很強(qiáng)的耦合性。而國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線體系的動(dòng)力特性及整體風(fēng)洞試驗(yàn)研究較少，難以指導(dǎo)大跨越輸電塔在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下的工程設(shè)計(jì)。由于河兩岸是大片河網(wǎng)沼澤叢林地帶，水位旱雨兩季變化明顯，地基承載力差易產(chǎn)生沉降等原因，跨越施工困難非常大。（如圖1）

2 大跨越鐵塔設(shè)計(jì)方法

2.1 大跨越輸電塔風(fēng)振系數(shù)取值方法

大跨越輸電塔是集高聳結(jié)構(gòu)和空間桿系結(jié)構(gòu)兩種特征于一體的風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)體系，風(fēng)荷載是大跨越桿塔設(shè)計(jì)的主要荷載。在風(fēng)荷載作用下，大跨越輸電塔風(fēng)振效應(yīng)顯著。當(dāng)塔高全高不超過(guò)60m時(shí)，風(fēng)振系數(shù)可以按照全高采用統(tǒng)一數(shù)值。對(duì)國(guó)內(nèi)特高壓工程而言，當(dāng)桿塔全高超過(guò)60m時(shí)，風(fēng)振系數(shù)一般按照我國(guó)特高壓桿塔設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分段取值。橫擔(dān)取值最大，塔身不同高度處取值不同，上部取值大于下部取值。目前國(guó)內(nèi)特高壓線路工程風(fēng)振系該取值方法整體偏于保守，也存在局部風(fēng)振系數(shù)取值偏小的問(wèn)題。本工程跨河塔全高160.5m，采用隨機(jī)振動(dòng)理論計(jì)算風(fēng)振系數(shù)，并采用時(shí)域方法進(jìn)行驗(yàn)證，有效降低風(fēng)振系數(shù)取值。與傳統(tǒng)方法相比，降低塔重9.7%。

2.2 基礎(chǔ)變形對(duì)大跨越輸電塔內(nèi)力的影響分析

本工程采用的基礎(chǔ)類(lèi)型為高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)作用力的水平力作用下，易發(fā)生水平位移，有必要研究基礎(chǔ)水平位移對(duì)大跨越輸電塔內(nèi)力的影響。采用ABAQUS有限元分析軟件，建立輸電塔-高樁承臺(tái)-樁-土的精細(xì)化有限元分析模型，分析基礎(chǔ)變形對(duì)大跨越輸電塔內(nèi)力的影響，研究輸電鐵塔承受基礎(chǔ)變形的能力，指導(dǎo)大跨越輸電鐵塔及基礎(chǔ)的施工。

2.3 利用P-Y曲線法，分析二階效應(yīng)對(duì)樁基的影響

m法是一種線彈性地基反力法，假定土體的抗力系數(shù)隨深度而線性增加；P-Y曲線法是復(fù)合地基反力法的一種，假定土體下樁身的變形與作用在樁身的土抗力呈非線性關(guān)系，樁在土體下的內(nèi)力和變形可采用P-Y曲線的無(wú)量綱迭代法或有限差分法進(jìn)行計(jì)算。采用m法計(jì)算群樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，并對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核；采用p-y曲線法計(jì)算群樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證該方法的合理性；對(duì)比分析m法和p-y曲線法計(jì)算群樁基礎(chǔ)受力和變形的規(guī)律和差異，并給出合理值。分析二階效應(yīng)對(duì)樁基的影響，以及基礎(chǔ)變形對(duì)大跨越輸電塔內(nèi)力的影響。

2.4 風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力分析

大跨越鐵塔常受強(qiáng)風(fēng)荷載的作用而影響線路的安全運(yùn)行，采用風(fēng)場(chǎng)模擬技術(shù)對(duì)大跨越鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行研究，可有效剖析強(qiáng)風(fēng)荷載作用下大跨越鐵塔的受力狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化。

輸電塔是一種柔性結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是其主要?jiǎng)恿奢d。由于輸電線具有較強(qiáng)的幾何非線性，在風(fēng)荷載作用下這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜的振動(dòng)特性。建立大跨越輸電塔-線耦合體系模型，在強(qiáng)風(fēng)荷載作用下，對(duì)比分析不同攻角下大跨越輸電塔簡(jiǎn)化模型和大跨越輸電塔-線耦合體系模型的風(fēng)振反應(yīng)；研究在不同攻角下風(fēng)致大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力，給出最不利分析工況，并確定大跨越輸電塔的薄弱部位，進(jìn)行有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)。

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和建立大跨越輸電塔-線體系，研究強(qiáng)風(fēng)荷載作用下大跨越輸電塔的受力狀態(tài)和風(fēng)振響應(yīng)，在確保特高壓大跨越輸電線路運(yùn)營(yíng)安全的前提下，對(duì)大跨越鐵塔進(jìn)行合理優(yōu)化，降低大跨越輸電塔的塔重，減少工程投資，并為今后大跨越工程的建設(shè)提供借鑒和指導(dǎo)。

3 大跨越鐵塔施工方法

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，克服優(yōu)化其在淺水沼澤區(qū)的不易移動(dòng)及承載穩(wěn)定性問(wèn)題。結(jié)合現(xiàn)有起重吊臂、河道清理設(shè)備并進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，考慮組塔施工、打樁施工等作業(yè)工況，基于作業(yè)過(guò)程中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析方法，研究集水中清淤、物料吊裝運(yùn)輸于一體的水上漂浮式綜合施工平臺(tái)，保證平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中的安全性。

以目前現(xiàn)有吊裝設(shè)備為及鐵塔組立工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合水上漂浮施工平臺(tái)，以受限空間作業(yè)面的鐵塔預(yù)組場(chǎng)地、吊裝設(shè)備選用及動(dòng)力裝置布置、漂浮式施工平臺(tái)穩(wěn)定性等為主要研究對(duì)象，通過(guò)施工機(jī)具裝備改造和組立工藝優(yōu)化等方式，開(kāi)展受限空間作業(yè)面超高鐵塔組立工藝研究及應(yīng)用。

3.1 附著式輕型抱桿的豎立、固定

本工程研發(fā)了水上漂浮式綜合施工平臺(tái)，為鐵塔的組立提供了方便。底部一段塔材較重，施工中采用汽車(chē)起重機(jī)進(jìn)行組裝。安裝完底部塔材后，將塔腿處的接地線與鐵塔可靠連接，在塔材頂端掛滑車(chē)。用鋼絲繩從頂部卸扣環(huán)內(nèi)穿入，并與底部卸扣連接。利用這根鋼絲繩起吊抱桿，抱桿根部用留繩控制。

移動(dòng)抱桿，使其靠近主材。然后牽引鋼絲繩，使抱桿沿主材內(nèi)側(cè)提升。在掛滑車(chē)的主材上綁一根鋼絲繩，一側(cè)與主角鋼緊密連接，另一側(cè)成環(huán)形，同時(shí)在抱桿頂部向四面用鋼絲繩打好四根臨時(shí)拉線。繼續(xù)起吊抱桿，控制腰繩線的松緊度，控制抱桿頭傾斜。抱桿繼續(xù)起吊，當(dāng)抱桿超過(guò)已組塔段6.5m時(shí)，對(duì)抱桿根部進(jìn)行捆綁。（如圖2）

圖2 抱桿固定

3.2 附著式輕型抱桿的提升

在已組裝塔段的主材上端掛滑車(chē)，從該滑車(chē)穿過(guò)鋼絲繩，引向塔腿轉(zhuǎn)向滑車(chē)，提升鋼絲繩，使其一端與抱桿根部連接，另一端連接機(jī)動(dòng)絞磨，并對(duì)其進(jìn)行收緊。一道腰繩布置在已組塔主材上部水平橫材下方，套住抱桿并提升鋼絲繩。另一道腰繩固定在抱桿根部。利用浪風(fēng)繩控制抱桿頭，機(jī)動(dòng)絞磨牽引拉線繩，并對(duì)抱桿的垂直度進(jìn)行調(diào)直，待承托繩不受力后，將其與塔身連接處松開(kāi)。當(dāng)抱桿提升至指定高度后，再按前述方法進(jìn)行固定、綁牢。施工過(guò)程中，鋼管抱桿傾斜角度應(yīng)嚴(yán)格控制在10°以內(nèi)。（如圖3）

圖3 抱桿提升圖

3.3 塔材的吊裝

將機(jī)動(dòng)絞磨的轉(zhuǎn)向滑車(chē)安裝在抱桿所在的塔腿對(duì)側(cè)或鄰側(cè)，機(jī)動(dòng)絞磨與鐵塔距離應(yīng)大于塔高的1.2倍。當(dāng)?shù)踔爻^(guò)控制荷載要求時(shí),需采取單根吊裝方式，水平材、斜材需在四根主材安裝完畢后，再進(jìn)行安裝。塔身采取片吊的方式，大片塔材到位后，將其控制平穩(wěn)，接近就位時(shí)，應(yīng)減慢起吊速度。吊裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制起吊重量，塔片重量超過(guò)限值時(shí)，應(yīng)采用單根吊裝。（如圖4）

圖4 塔身吊裝圖

3.4 附著式抱桿的拆除

抱桿的拆除與提升操作步驟相反，在組立好的塔上部掛滑車(chē)，將鋼絲繩連接在抱桿底端，通過(guò)主材上部滑車(chē)引向地面機(jī)動(dòng)絞磨。上部鋼絲繩穿過(guò)滑車(chē)后將其纏繞在抱桿上，然后用機(jī)動(dòng)絞磨將牽引鋼絲繩收緊抱桿。鋼管抱桿在牽引系統(tǒng)的控制下，拆除根部的捆綁繩及承托繩，。一切準(zhǔn)備就緒后,可通過(guò)機(jī)動(dòng)絞磨放松鋼絲繩，逐步地對(duì)附著式抱桿進(jìn)行拆除。

4 結(jié)語(yǔ)

在輸電線路大跨越工程中，采用全壽命周期理念，從設(shè)計(jì)源頭上做好結(jié)構(gòu)方案，然后采用先進(jìn)、適用的工藝、技術(shù)和裝備科學(xué)合理地組織施工，提高機(jī)械化水平，減少?gòu)?qiáng)度高、工序繁瑣的手工勞動(dòng)。參考國(guó)內(nèi)外大跨越工程鐵塔設(shè)計(jì)和施工方案，結(jié)合工程執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、施工環(huán)境、工藝方法，充分考慮安全可靠性，選擇最合適的設(shè)計(jì)方案和施工方法，建立和完善產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)、工法等。

巴西美麗山±800kV特高壓輸電線路工程是“一帶一路”的典范工程，是中國(guó)特高壓技術(shù)“走出去”的重大成果。托坎廷斯河大跨越工程是境外第一個(gè)特高壓大跨越工程，為了解決工程建設(shè)的技術(shù)難題，同時(shí)在確保輸電線路運(yùn)行安全可靠性的同時(shí)，降低工程造價(jià)，通過(guò)風(fēng)場(chǎng)模擬程序可視化界面的實(shí)現(xiàn)與大跨越輸電塔風(fēng)振系數(shù)研究，以及風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力分析，并考慮基礎(chǔ)變形、二階效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響，完成了跨越鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合鐵塔所處河網(wǎng)沼澤等周邊環(huán)境，選取附著式輕型抱桿安裝鐵塔，在施工裝備和技術(shù)短缺的情況下順利完成的大跨越的施工。本文分別從設(shè)計(jì)和施工方面介紹了巴西美麗山托坎廷斯河大跨越工程開(kāi)展的研究和采用的方案，為國(guó)內(nèi)外輸電線路工程的建設(shè)提供參考。