莊志翔，郭劍，張玨，鮑自然

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510663；2.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南曲靖 655000）

0 引言

南方電網(wǎng)云貴互聯(lián)通道工程是世界首個(gè)±500 kV三端直流工程。該工程的順利竣工標(biāo)志著云南與貴州兩省形成電力互聯(lián)互濟(jì)綜合體，每年可輸送云南清潔水電約60 億千瓦時(shí)至粵港澳大灣區(qū)，將有效助力打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，對(duì)促進(jìn)云南清潔水電消納、助力粵港澳大灣區(qū)建設(shè)具有十分重要的作用。該線(xiàn)路具有地質(zhì)復(fù)雜，氣象條件惡劣等特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)風(fēng)速為27 m/s、30 m/s，沿線(xiàn)海拔為700～3 200 m，涉及10 mm、15 mm、20 mm、30 mm、40 mm 共5 個(gè)冰區(qū)，其中重冰區(qū)占比38.6%。因此，多冰區(qū)桿塔的設(shè)計(jì)是該工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)任務(wù)之一。

根據(jù)對(duì)以往工程的統(tǒng)計(jì)，桿塔工程及基礎(chǔ)工程約占送電線(xiàn)路本體工程造價(jià)的50%～70%，桿塔使用條件、水文氣象參數(shù)、導(dǎo)地線(xiàn)型號(hào)和污穢等級(jí)等均對(duì)其工程量有重要影響。設(shè)計(jì)覆冰的加重將直接導(dǎo)致工程量的大大增加，其主要體現(xiàn)在塔重和基礎(chǔ)混凝土量這兩個(gè)指標(biāo)［1］。對(duì)多冰區(qū)桿塔的塔重及基礎(chǔ)混凝土量進(jìn)行比對(duì)分析，有助于在工程資料不完善的前期階段，對(duì)工程量進(jìn)行估算，極大地提高方案比選的效率及實(shí)現(xiàn)對(duì)工程投資的把控。

國(guó)內(nèi)學(xué)者從覆冰所產(chǎn)生的不平衡張力［2-4］、覆冰荷載組合［5-6］等多個(gè)方向?qū)Ω脖r進(jìn)行了深入的研究，但至今對(duì)于多冰區(qū)直流線(xiàn)路的塔重及基礎(chǔ)混凝土量的研究較少。本文以云貴互聯(lián)通道工程新設(shè)計(jì)的桿塔模塊為例，研究塔重及基礎(chǔ)混凝土量隨冰區(qū)變化的趨勢(shì)，為今后的直流工程桿塔設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。

1 桿塔及基礎(chǔ)概況

1.1 桿塔概況

參考永富直流和金中直流的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，云貴互聯(lián)通道工程耐張塔和直線(xiàn)塔均采用成熟的干字型塔［7］，該塔型是直流線(xiàn)路的傳統(tǒng)塔型，具有結(jié)構(gòu)布置合理、傳力路線(xiàn)簡(jiǎn)潔、構(gòu)件受力明確清晰、塔重較輕、運(yùn)維方便、適用設(shè)計(jì)條件廣，經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。耐張塔塔型、直線(xiàn)塔塔型如圖1所示。

圖1 耐張塔塔型、直線(xiàn)塔塔型Fig.1 Shape diagram of the tension tower and the straight tower

云貴互聯(lián)通道工程中涉及塔型較多，本文僅選取其中代表性強(qiáng)、應(yīng)用數(shù)量多的桿塔模塊進(jìn)行研究。從模塊一到模塊五，其設(shè)計(jì)覆冰依次為10 mm，15 mm，20 mm，30 mm，40 mm，各桿塔模塊桿塔信息如表1所示。

表1 桿塔模塊Tab.1 Tower module

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工程實(shí)際應(yīng)用中桿塔的平均呼高為45 m，本文的相關(guān)研究均以45 m呼高為例。

1.2 基礎(chǔ)概況

云貴互聯(lián)通道工程途經(jīng)云南、貴州2 省，路徑所經(jīng)區(qū)域主要地形地貌為一般山地和高山大嶺，沿線(xiàn)主要以砂泥巖、灰?guī)r、玄武巖為主，狀況呈現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)化到微風(fēng)化。地下水埋藏深，極少塔位受到地下水的影響。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)、沿線(xiàn)工程地形、地質(zhì)特點(diǎn)及運(yùn)輸條件綜合考慮，本工程主要采用挖孔基礎(chǔ)。該基礎(chǔ)能充分發(fā)揮原狀土的承載性能［8-9］，減少土石方的開(kāi)挖，非常有利于環(huán)境的保護(hù)。且該基礎(chǔ)主柱剛度較大，不僅能承受較高的豎向力，在抗水平力方面也有出色的表現(xiàn)［10-11］，挖孔基礎(chǔ)如圖2所示。

圖2 挖孔基礎(chǔ)Fig.2 Foundation

挖孔基礎(chǔ)不單具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、成樁質(zhì)量容易保證等特點(diǎn)，在輸電線(xiàn)路工程上也有成熟的計(jì)算理論和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在各類(lèi)工程中廣泛應(yīng)用［12］。

綜上，本文以強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下1.5 m 設(shè)計(jì)露高的挖孔基礎(chǔ)為例研究基礎(chǔ)混凝土量。

2 塔重分析

桿塔工程量是工程本體中一項(xiàng)重要的工程指標(biāo)，其占工程本體造價(jià)的40%～50%。設(shè)計(jì)覆冰對(duì)塔重指標(biāo)有著重要影響［13］，探究不同冰區(qū)與塔重的關(guān)系，對(duì)快速進(jìn)行方案比對(duì)，投資估算具有重要意義。

2.1 桿塔部件塔重占比分析

直流桿塔一般可分為5 個(gè)部件，即地線(xiàn)支架、導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)、變坡以上塔身、變坡以下塔身及塔腿。研究桿塔各部件對(duì)桿塔總重的占比，不僅可增強(qiáng)對(duì)塔重構(gòu)成的認(rèn)識(shí)，還可以識(shí)別桿塔中對(duì)冰區(qū)變化較為敏感且占總塔重比例較高的部件，從而為今后的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供方向。

分別統(tǒng)計(jì)五個(gè)模塊耐張塔中各部件的重量并對(duì)其求平均可得，地線(xiàn)支架約占總塔重的6%；導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)約占總塔重的15%；變坡以上塔身約占總塔重的17%；變坡以下塔身約占總塔重的42%；塔腿約占總塔重的21%。

從變化趨勢(shì)分析，隨著設(shè)計(jì)覆冰加重，地線(xiàn)支架、導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)、變坡以上塔身三者的塔重占全塔重量的比重增加；而變坡以下塔身、塔腿的塔重占比減小。從所占總重比例分析，變坡以下塔身的占總塔重的比例最大，塔腿所占比例次之。

耐張塔桿塔部件占總塔重比例如表2所示。

表2 耐張塔桿塔部件占總塔重比例Tab.2 Proportion of tension tower components in total tower weight %

針對(duì)耐張塔，由于變坡以下塔身所占比重較大，在設(shè)計(jì)中可采取優(yōu)化塔身坡度、比選隔面設(shè)置型式等策略以減少塔重。

分別統(tǒng)計(jì)五個(gè)模塊直線(xiàn)塔中各部件的重量并對(duì)其求平均可得，地線(xiàn)支架約占總塔重的4%；導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)約占總塔重的21%；變坡以上塔身約占總塔重的24%；變坡以下塔身約占總塔重的33%；塔腿約占總塔重的17%。

從變化趨勢(shì)分析，隨著設(shè)計(jì)覆冰加重，地線(xiàn)支架、導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)、變坡以上塔身三者的塔重占全塔重量的比重增加；而變坡以下塔身、塔腿二者的塔重占減小。從所占總重比例分析，變坡以下塔身的占總塔重的比例最大，變坡以上塔身和導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)均占有較大的比例。

直線(xiàn)塔桿塔部件占總塔重比例如表3所示。

表3 直線(xiàn)塔桿塔部件占總塔重比例Tab.3 Proportion of tangent tower components in total tower weight %

針對(duì)直線(xiàn)塔其橫擔(dān)，變坡以上塔身及變坡以下塔身均占有較大的比重，在桿塔設(shè)計(jì)中可采取優(yōu)化主材分段、調(diào)整桿件計(jì)算長(zhǎng)度等策略以減少塔重。

2.2 同冰區(qū)塔重分析

研究相同冰區(qū)中直線(xiàn)塔與耐張塔的塔重關(guān)系，可在設(shè)計(jì)資料較少的工程早期，快速估算塔重，為工程量的估算提供參考。

同冰區(qū)耐張塔重量約為直線(xiàn)塔的1.91 倍到2.39倍，平均為2.09 倍。隨著設(shè)計(jì)覆冰加重，耐張塔與直線(xiàn)塔塔重之比減小，表明在覆冰加重時(shí)，耐張塔塔重的增速小于直線(xiàn)塔。同冰區(qū)塔重對(duì)比如表4所示。

表4 同冰區(qū)塔重對(duì)比Tab.4 Comparison of tower weight in the same ice area

2.3 多冰區(qū)塔重分析

對(duì)于涉及多冰區(qū)的工程，在前期階段，需要快速估算各塔型工程量時(shí)，各冰區(qū)之間塔重的關(guān)系則顯得尤為重要。

針對(duì)耐張塔，15 mm、20 mm、30 mm、40 mm冰區(qū)塔的塔重約為10 mm 冰區(qū)塔的1.09 倍、1.39倍、2.14 倍、2.59 倍。多冰區(qū)耐張塔塔重對(duì)比如表5所示。

表5 多冰區(qū)耐張塔塔重對(duì)比Tab.5 Comparison of tower weight of tension tower in multi ice area

針對(duì)直線(xiàn)塔，15 mm、20 mm、30 mm、40 mm冰區(qū)塔的塔重約為10 mm 冰區(qū)塔的1.14 倍、1.53倍、2.62 倍、3.2 倍。多冰區(qū)直線(xiàn)塔塔重對(duì)比如表6所示。

表6 多冰區(qū)直線(xiàn)塔塔重對(duì)比Tab.6 Comparison of tower weight of tangent tower in multi ice area

多冰區(qū)塔重變化如圖3 所示。設(shè)計(jì)覆冰對(duì)耐張塔重量的影響小于直線(xiàn)塔；從10 mm 冰區(qū)到20 mm冰區(qū)塔重增速較慢，30 mm 冰區(qū)塔重增速突然加大。由于重冰區(qū)桿塔需在基本荷載組合的情況下增加不均勻冰和驗(yàn)算冰工況的計(jì)算，該工況對(duì)較多桿件起控制作用，故塔重變化較大?；谒氐淖兓?guī)律，在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少重冰區(qū)（尤其是30 mm及以上冰區(qū)）的線(xiàn)路長(zhǎng)度。

圖3 多冰區(qū)塔重變化Fig.3 Variation of tower weight in multi ice area

3 基礎(chǔ)混凝土量分析

基礎(chǔ)工程量是另一項(xiàng)重要的工程指標(biāo)，其占工程本體造價(jià)的20%～30%［14-15］，其中最具代表性的指標(biāo)則是基礎(chǔ)混凝土量。影響基礎(chǔ)混凝土量的主要因素有基礎(chǔ)形式、基礎(chǔ)力、地質(zhì)參數(shù)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)露高等。

下文以強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)條件下1.5 m 設(shè)計(jì)露高的挖孔基礎(chǔ)為例，結(jié)合各塔型的基礎(chǔ)力對(duì)基礎(chǔ)混凝土量進(jìn)行測(cè)算，以探究各冰區(qū)桿塔基礎(chǔ)混凝土量之間的關(guān)系。

3.1 同冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量分析

研究相同冰區(qū)中耐張塔與直線(xiàn)塔基礎(chǔ)混凝土量的關(guān)系，可大致估算各塔型基礎(chǔ)混凝土量，為方案優(yōu)化及相關(guān)工程量估算提供參考。

同冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比如表7 所示，在典型條件下，耐張塔基礎(chǔ)混凝土量約為直線(xiàn)塔的2.50倍到6.50 倍，平均為4.50 倍。隨著設(shè)計(jì)覆冰加重，耐張塔與直線(xiàn)塔基礎(chǔ)混凝土量之比增大，表明在覆冰加重時(shí)，耐張塔基礎(chǔ)混凝土量的增速大于直線(xiàn)塔。

表7 同冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比Tab.7 Comparison of the quantity of foundation concrete in the same ice area

3.2 多冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量分析

針對(duì)耐張塔，15 mm、20 mm、30 mm、40 mm冰區(qū)塔的基礎(chǔ)混凝土工程量約為10 mm 冰區(qū)塔的1.08 倍、1.18 倍、1.80 倍、2.15倍。多冰區(qū)耐張塔基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比如表8所示。

表8 多冰區(qū)耐張塔基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比Tab.8 Comparison of foundation concrete quantity of tension tower in multi ice area

針對(duì)直線(xiàn)塔，15 mm、20 mm、30 mm、40 mm冰區(qū)塔的基礎(chǔ)混凝土工程量約為10 mm 冰區(qū)塔的1.00 倍、1.00 倍、1.18倍、1.38倍。多冰區(qū)直線(xiàn)塔基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比如表9所示。

表9 多冰區(qū)直線(xiàn)塔基礎(chǔ)混凝土量對(duì)比Tab.9 Comparison of foundation concrete quantity of tangent tower in multi ice area

多冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量變化如圖4 所示，設(shè)計(jì)覆冰對(duì)耐張塔基礎(chǔ)混凝土工程量的影響大于直線(xiàn)塔。針對(duì)直線(xiàn)塔，由于其基礎(chǔ)力較小，從10 mm 冰區(qū)到20 mm 冰區(qū)基礎(chǔ)按最小尺寸均設(shè)計(jì)均可滿(mǎn)足需求，故基礎(chǔ)混凝土量無(wú)變化，而30 mm，40 mm 冰區(qū)的基礎(chǔ)混凝土量逐漸增加。針對(duì)耐張塔，從10 mm 冰區(qū)到20 mm 冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量增速較慢，30 mm 冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量增速突然加大。由于重冰區(qū)桿塔需在基本荷載組合的情況下增加不均勻冰和驗(yàn)算冰工況的計(jì)算，該工況對(duì)基礎(chǔ)力起控制作用，導(dǎo)致基礎(chǔ)力增大，故基礎(chǔ)工程量變化較大?；诨A(chǔ)混凝土量的變化規(guī)律，在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少重冰區(qū)（尤其是30 mm及以上冰區(qū)）的線(xiàn)路長(zhǎng)度。

圖4 多冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量變化Fig.4 Variation of foundation concrete quantity in multi ice area

4 變化趨勢(shì)差異分析

對(duì)比圖3 和圖4 可知，隨著設(shè)計(jì)覆冰的加重，直線(xiàn)塔塔重增速大于耐張塔，耐張塔基礎(chǔ)混凝土量的增速卻大于直線(xiàn)塔。

結(jié)合本文2.1 的結(jié)論，直線(xiàn)塔變坡以下塔重占全塔重量的比例小于耐張塔，且橫擔(dān)和變坡以上塔身占總塔重的比例較大。當(dāng)覆冰厚度增加時(shí)，不均勻冰工況成為了直線(xiàn)塔中大量交叉斜材的控制工況，導(dǎo)致了大量的交叉斜材規(guī)格加大。故隨著設(shè)計(jì)覆冰的加重，直線(xiàn)塔塔重的增速大于耐張塔。

耐張塔變坡以下塔重占全塔重量的比例大于直線(xiàn)塔，且不均勻覆冰工況對(duì)耐張塔交叉斜材的影響程度小于直線(xiàn)塔，耐張塔塔重的增加主要集中在變坡以下主材部分。桿塔主材的受力與基礎(chǔ)力有直接的關(guān)系，故隨著設(shè)計(jì)覆冰的加重，耐張塔基礎(chǔ)混凝土量的增速大于直線(xiàn)塔。

5 結(jié)論

本文基于云貴互聯(lián)通道線(xiàn)路工程中多個(gè)冰區(qū)的典型桿塔，開(kāi)展同冰區(qū)，多冰區(qū)的塔重和基礎(chǔ)混凝土量分析?？偨Y(jié)了冰區(qū)變化對(duì)塔重，基礎(chǔ)混凝土工程量的影響，提出了多冰區(qū)直流線(xiàn)路設(shè)計(jì)的建議。

1）耐張塔變坡以下塔身占總塔重的比例最大，可采取優(yōu)化塔身坡度，比選隔面設(shè)置型式等策略以減少塔重。直線(xiàn)塔變坡以下塔身的占總塔重的比例最大，變坡以上塔身和導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)均占有較大的比例，可采取優(yōu)化主材分段，調(diào)整桿件計(jì)算長(zhǎng)度等策略以減少塔重。

2）覆冰加重時(shí)，耐張塔塔重的增速小于直線(xiàn)塔，相比于其他冰區(qū)，30 mm冰區(qū)塔重增速猛烈。

3）覆冰加重時(shí)，耐張塔基礎(chǔ)混凝土量的增速大于直線(xiàn)塔，相比于其他冰區(qū)，30 mm 冰區(qū)基礎(chǔ)混凝土量增速猛烈。

4）建議在今后的工程中，應(yīng)盡量減少重冰區(qū)（尤其是30 mm及以上冰區(qū)）的線(xiàn)路長(zhǎng)度。

5）在方案比選時(shí)，可參考相關(guān)工程量對(duì)路徑較短的輕重區(qū)方案和路徑較長(zhǎng)的輕冰區(qū)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，找尋更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。

本文主要探究±500 kV 直流線(xiàn)路工程多冰區(qū)結(jié)構(gòu)工程量之間的關(guān)系，下一步將繼續(xù)對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行探究。

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