巴西美麗山特高壓輸電線路托坎廷斯河大跨越塔設(shè)計施工技術(shù)

文｜中國電建集團山東電力建設(shè)第一工程有限公司 邵國棟

0 引言

輸電線路有時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行特殊設(shè)計。一般而言，跨距超過1000m，跨越塔高度超過100m，需特殊設(shè)計的輸電線路稱為大跨越輸電線路。大跨越的設(shè)計氣象條件比一般線路嚴(yán)格，對安全的要求也比一般線路高，工程量大且施工周期長。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、細致的工作，優(yōu)化設(shè)計，同時推廣應(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)濟和社會效益。

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，氣候為熱帶高原氣候，雨季持續(xù)時間長、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)變形對大跨越輸電塔內(nèi)力影響的分析方法以及開展風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力計算方法。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，為國內(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，同時也是巴西第二大水電站—美麗山水電站（裝機1100萬千瓦）的電力送出工程，是海外建成的電壓等級最高、輸電容量最大、送電距離最遠的輸電工程。工程由中國國家電網(wǎng)公司巴西控股公司投資建設(shè)，中國電建集團山東電力建設(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)盧負荷中心，可解決當(dāng)2200萬人口的用電需求。該工程是中國特高壓走出去的重點工程，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，對促進優(yōu)勢產(chǎn)能國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)計采用耐-直-直-直-直-耐的形式進行河面跨越，跨越耐張段總長達3882m，跨越檔檔距1136m，跨越直線塔塔高160.5米，重量184.7噸?？缭蕉嗡诘貐^(qū)具有很強的風(fēng)力帶，大跨越鐵塔及導(dǎo)地線受風(fēng)力影響尤為明顯，國內(nèi)外輸電鐵塔設(shè)計規(guī)范中，對鐵塔、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。事實上，由于輸電線具有較強的幾何非線性，大跨越輸電塔-線體系在脈動風(fēng)荷載作用下表現(xiàn)出復(fù)雜的振動特性，兩者具有很強的耦合性。而國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)荷載下大跨越輸電塔-線體系的動力特性及整體風(fēng)洞試驗研究較少，難以指導(dǎo)大跨越輸電塔在強風(fēng)荷載作用下的工程設(shè)計。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60m時，風(fēng)振系數(shù)可以按照全高采用統(tǒng)一數(shù)值。對國內(nèi)特高壓工程而言，當(dāng)桿塔全高超過60m時，風(fēng)振系數(shù)一般按照我國特高壓桿塔設(shè)計原則進行分段取值。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)取值偏小的問題。本工程跨河塔全高160.5m，采用隨機振動理論計算風(fēng)振系數(shù)，并采用時域方法進行驗證，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)變形對大跨越輸電塔內(nèi)力的影響分析

本工程采用的基礎(chǔ)類型為高樁承臺基礎(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-樁-土的精細化有限元分析模型，分析基礎(chǔ)變形對大跨越輸電塔內(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曲線的無量綱迭代法或有限差分法進行計算。采用m法計算群樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，并對樁基礎(chǔ)進行設(shè)計和校核；采用p-y曲線法計算群樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形，并與試驗結(jié)果對比，驗證該方法的合理性；對比分析m法和p-y曲線法計算群樁基礎(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)對樁基的影響，以及基礎(chǔ)變形對大跨越輸電塔內(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

大跨越鐵塔常受強風(fēng)荷載的作用而影響線路的安全運行，采用風(fēng)場模擬技術(shù)對大跨越鐵塔的風(fēng)振響應(yīng)進行研究，可有效剖析強風(fēng)荷載作用下大跨越鐵塔的受力狀態(tài)，進而進行有針對性的優(yōu)化。

輸電塔是一種柔性結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是其主要動力荷載。由于輸電線具有較強的幾何非線性，在風(fēng)荷載作用下這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜的振動特性。建立大跨越輸電塔-線耦合體系模型，在強風(fēng)荷載作用下，對比分析不同攻角下大跨越輸電塔簡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，進行有針對性的補強。

通過風(fēng)洞試驗和建立大跨越輸電塔-線體系，研究強風(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營安全的前提下，對大跨越鐵塔進行合理優(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

針對現(xiàn)場實際環(huán)境，克服優(yōu)化其在淺水沼澤區(qū)的不易移動及承載穩(wěn)定性問題。結(jié)合現(xiàn)有起重吊臂、河道清理設(shè)備并進行設(shè)計改造，考慮組塔施工、打樁施工等作業(yè)工況，基于作業(yè)過程中動態(tài)穩(wěn)定性分析方法，研究集水中清淤、物料吊裝運輸于一體的水上漂浮式綜合施工平臺，保證平臺作業(yè)過程中的安全性。

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，以受限空間作業(yè)面的鐵塔預(yù)組場地、吊裝設(shè)備選用及動力裝置布置、漂浮式施工平臺穩(wěn)定性等為主要研究對象，通過施工機具裝備改造和組立工藝優(yōu)化等方式，開展受限空間作業(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，為鐵塔的組立提供了方便。底部一段塔材較重，施工中采用汽車起重機進行組裝。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。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，同時在抱桿頂部向四面用鋼絲繩打好四根臨時拉線。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)抱桿超過已組塔段6.5m時，對抱桿根部進行捆綁。（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，從該滑車穿過鋼絲繩，引向塔腿轉(zhuǎn)向滑車，提升鋼絲繩，使其一端與抱桿根部連接，另一端連接機動絞磨，并對其進行收緊。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，機動絞磨牽引拉線繩，并對抱桿的垂直度進行調(diào)直，待承托繩不受力后，將其與塔身連接處松開。當(dāng)抱桿提升至指定高度后，再按前述方法進行固定、綁牢。施工過程中，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

將機動絞磨的轉(zhuǎn)向滑車安裝在抱桿所在的塔腿對側(cè)或鄰側(cè)，機動絞磨與鐵塔距離應(yīng)大于塔高的1.2倍。當(dāng)?shù)踔爻^控制荷載要求時,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，應(yīng)減慢起吊速度。吊裝時應(yīng)嚴(yán)格控制起吊重量，塔片重量超過限值時，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，將鋼絲繩連接在抱桿底端，通過主材上部滑車引向地面機動絞磨。上部鋼絲繩穿過滑車后將其纏繞在抱桿上，然后用機動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,可通過機動絞磨放松鋼絲繩，逐步地對附著式抱桿進行拆除。

4 結(jié)語

在輸電線路大跨越工程中，采用全壽命周期理念，從設(shè)計源頭上做好結(jié)構(gòu)方案，然后采用先進、適用的工藝、技術(shù)和裝備科學(xué)合理地組織施工，提高機械化水平，減少強度高、工序繁瑣的手工勞動。參考國內(nèi)外大跨越工程鐵塔設(shè)計和施工方案，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，同時在確保輸電線路運行安全可靠性的同時，降低工程造價，通過風(fēng)場模擬程序可視化界面的實現(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)對結(jié)構(gòu)影響，完成了跨越鐵塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)計和施工方面介紹了巴西美麗山托坎廷斯河大跨越工程開展的研究和采用的方案，為國內(nèi)外輸電線路工程的建設(shè)提供參考。