新建特高壓輸電工程跨越塔沉降觀測(cè)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

劉流，馬雷 （國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司建設(shè)分公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)電力基礎(chǔ)設(shè)施的要求越來(lái)越高，國(guó)家投資建設(shè)的電力基礎(chǔ)設(shè)施取得快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，輸電線路的電壓等級(jí)也越來(lái)越高，輸電架塔作為輸電線路的承重部件隨之越來(lái)越高，對(duì)架塔的穩(wěn)定性要求也越來(lái)越苛刻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，輸電線路架塔工程，約占整個(gè)線路工程總投資的40%，投資占比很大。輸電架塔的穩(wěn)定與否，會(huì)對(duì)整個(gè)線路的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。輸電架塔為高聳結(jié)構(gòu)，對(duì)架塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求很高。如果架塔基礎(chǔ)沉降變形較大，架塔傾斜（如圖1a），會(huì)連帶導(dǎo)致上部各種輸電部件的變形，可能導(dǎo)致線路檔距、懸垂絕緣子串偏斜等各種問(wèn)題，極端條件下甚至?xí)斐烧麄€(gè)架塔失穩(wěn)傾覆（如圖1b），從而導(dǎo)致供電中斷，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及人民的生活造成嚴(yán)重后果。

圖1 基礎(chǔ)沉降過(guò)大導(dǎo)致的架塔傾斜和傾覆

從設(shè)計(jì)階段就開始對(duì)輸電架塔的沉降變形進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并從施工階段一開始就進(jìn)行變形觀測(cè)，到線路工程施工結(jié)束，線路投入運(yùn)營(yíng)后的2-3年內(nèi)持續(xù)觀測(cè)，直至輸電架塔沉降收斂穩(wěn)定，這一整個(gè)過(guò)程是確保新建特高壓輸電線路安全運(yùn)營(yíng)的重要手段。

本文以昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標(biāo)段的長(zhǎng)江大跨越工程為工程背景，全過(guò)程分析總結(jié)了新建特高壓輸電工程跨越塔沉降監(jiān)測(cè)從方案設(shè)計(jì)、施工和工后監(jiān)測(cè)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理分析等工作，在確保線路工程安全運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，也為今后類似工程提供有意義的參考和借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程起點(diǎn)為新疆準(zhǔn)東（昌吉）換流站，止于安徽皖南（古泉）換流站，輸送容量12000MW，是世界上第一條±1100kV直流輸電工程，也是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、輸電距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最高的特高壓輸電工程。工程線路路徑全長(zhǎng)約3319.2km，包含長(zhǎng)江大跨越2.9km，曲折系數(shù)1.11。線路途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽六省區(qū)。工程建設(shè)完成后可實(shí)現(xiàn)西部煤電基地電能直供中東部地區(qū)負(fù)荷中心，彌補(bǔ)我國(guó)華東地區(qū)的能源缺口，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的資源優(yōu)化配置，符合國(guó)家“西電東送”總體戰(zhàn)略。昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標(biāo)段位于安徽省合肥市巢湖，蕪湖市無(wú)為縣、繁昌縣、南陵縣、蕪湖縣，銅陵市銅陵縣境內(nèi)。線路起自廬江縣大墩西（N9363塔），止于古泉換流站門架。線路路徑長(zhǎng)度為125km，其中一般線路122.1km，長(zhǎng)江大跨越2.9km。跨越方式為“耐-直-直-耐”，采用“直-直”方式跨越長(zhǎng)江河道。耐張段全長(zhǎng)2900m，跨越檔距1790m，檔距分布為“570m-1790m-540m”。跨越塔采用展翅型鋼管塔，呼高223m，全高225.2m，根開45m；錨塔采用“干”字型鋼管塔，呼高45m，全高66m，正面根開22m，側(cè)面根開26m。

1.2 地理位置

昌吉-古泉±1100kV特高壓直流輸電線路工程皖3標(biāo)段位于安徽省合肥市巢湖區(qū)、蕪湖市無(wú)為縣、繁昌縣、南陵縣、蕪湖縣，銅陵市銅陵縣境內(nèi)。線路起自廬江縣大墩西（N9363塔），止于古泉換流站門架。其中“長(zhǎng)江大跨越工程”北起蕪湖市無(wú)為縣觀音廟村（E:11758'10"，N:3106'10"），南至蕪湖市繁昌縣翟家墩村 （E:11759'18"，N:3104'56"）,全長(zhǎng)約2.9km。線路基本平行于銅陵長(zhǎng)江公鐵大橋，相距約1.2km。工程項(xiàng)目地理位置如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)江大跨越工程所在地理位置略圖

1.3 塔基平面布置

本工程跨越塔有兩座，分別位于長(zhǎng)江北岸（北塔）和南岸（南塔），單塔塔高225.2m，塔重1259t，跨越長(zhǎng)江1790m。鐵塔塔高、塔重和線路跨越距離均為全線之最。為確保鐵塔基礎(chǔ)滿足荷載承重及穩(wěn)定性要求，設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)多輪方案的模型設(shè)計(jì)、力學(xué)分析以及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，確定塔基幾何尺寸及其他力學(xué)特性，并形成最終的幾何平面布置圖（如圖3）。

圖3 單個(gè)跨越塔基礎(chǔ)平面布置圖

每座跨越塔由4個(gè)長(zhǎng)、寬、高分別為4.5m、4.5m和4.2m的鋼筋混凝土基礎(chǔ)支撐，基礎(chǔ)按順時(shí)針編號(hào)，分別為A#、B#、C#和D#；對(duì)角基礎(chǔ)中心連線和線路前進(jìn)方向夾角為45。由于北塔和南塔結(jié)構(gòu)相同，重量一樣，兩塔布設(shè)位置的工程地質(zhì)情況相似，為敘述方便，以下僅以南塔為例。

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)目的及監(jiān)測(cè)等級(jí)

本大跨越塔沉降觀測(cè)的主要目的有兩個(gè)，一是在架塔施工階段，及時(shí)監(jiān)測(cè)反饋鐵塔沉降變形情況，指導(dǎo)架塔施工，確保工程安全；二是在施工結(jié)束后的投運(yùn)階段，監(jiān)測(cè)跨越塔基礎(chǔ)在全部上覆荷載作用下的沉降變形情況，在確保電力線路安全營(yíng)運(yùn)的同時(shí)，也為前期的力學(xué)模型分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提供實(shí)際情況下的形變驗(yàn)證數(shù)據(jù)，從而更好地用以預(yù)測(cè)今后本工程跨越塔的變形趨勢(shì)。本工程依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8-2016）中規(guī)定的建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)，建筑物重要程度及建筑物的控制變形情況，選擇沉降觀測(cè)等級(jí)為二級(jí)。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

本工程選擇的沉降觀測(cè)等級(jí)為二級(jí)，精度要求較高，需要采用高精度的幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行?？缭剿俑呗柦ㄖ?，施工場(chǎng)地相比于其他建筑物而言相對(duì)狹小，現(xiàn)場(chǎng)干擾因素非常多。為確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，本工程塔基沉降觀測(cè)工作采用二級(jí)布網(wǎng)（首級(jí)網(wǎng)為沉降水準(zhǔn)控制點(diǎn)和工作基點(diǎn)構(gòu)成的水準(zhǔn)線路，二級(jí)網(wǎng)為單個(gè)基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成的水準(zhǔn)線路），統(tǒng)一平差的技術(shù)方案。

2.2.1 首級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)方案

為了滿足測(cè)量精度的要求，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，在遠(yuǎn)離跨越塔監(jiān)測(cè)范圍的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)(施工區(qū)域50m外)布設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)分別為BM1、BM2和BM3，組成水準(zhǔn)基準(zhǔn)網(wǎng)（圖4）。按二等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求，每期沉降觀測(cè)都對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)順序?yàn)椤癇M1-BM2-BM3-BM2-BM1”, 往返觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)平差軟件計(jì)算，對(duì)比前后期數(shù)據(jù)分析確定首級(jí)網(wǎng)的穩(wěn)定性。

圖4 南塔沉降觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)及觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

2.2.2 二級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)及觀測(cè)方案

對(duì)（1）中所述由基準(zhǔn)點(diǎn)組成的首級(jí)控制網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，判定基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定后，以穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)（如圖4中的BM1）為已知點(diǎn)，沿順時(shí)針?lè)较蚪?jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖4中的SD1-SD2-SD3-SD4-…-SA1SA2-SA3-SA4）組成閉合環(huán)。依照二等水準(zhǔn)的測(cè)量要求，按奇數(shù)站“后-前-前-后”，偶數(shù)站“前-后-后-前”的作業(yè)方法進(jìn)行往返觀測(cè)。觀測(cè)完成后計(jì)算環(huán)線閉合差并根據(jù)測(cè)站數(shù)進(jìn)行平差。具體技術(shù)要求如表1～表5所示，依據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8-2016）和《電力工程施工測(cè)量技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5445-2010）。

水準(zhǔn)測(cè)量的儀器型號(hào)和標(biāo)尺類型 表1

水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)方式 表2

水準(zhǔn)測(cè)量照準(zhǔn)標(biāo)尺順序 表3

水準(zhǔn)觀測(cè)的視線長(zhǎng)度、前后視距差和視線高度（m） 表4

水準(zhǔn)觀測(cè)限差（mm） 表5

2.3 監(jiān)測(cè)周期

本工程目沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間為跨越塔施工階段至工程竣工后營(yíng)運(yùn)階段。依據(jù)施工階段不同，采用不同的監(jiān)測(cè)周期；依據(jù)不同的變形量，適當(dāng)縮短或延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)周期。一般情況下，施工階段變形量可能較大，監(jiān)測(cè)周期短；竣工后營(yíng)運(yùn)階段變形量會(huì)變小，監(jiān)測(cè)周期可延長(zhǎng)。

2.3.1 跨越塔施工階段

①每個(gè)承臺(tái)施工完畢開始該承臺(tái)的首次觀測(cè)；

②混凝土達(dá)到28天齡期觀測(cè)一次；

③鐵塔施工前對(duì)所有承臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)全面觀測(cè)一次；

④每安裝完一段塔身或橫擔(dān)觀測(cè)一次。

2.3.2 跨越塔工程竣工后營(yíng)運(yùn)階段（不少于三年）

①線路投運(yùn)前觀測(cè)一次；

②竣工后第一年每3個(gè)月觀測(cè)一次；

③竣工后第二年每6個(gè)月觀測(cè)一次；

④竣工后第三年每12個(gè)月觀測(cè)一次，直至沉降穩(wěn)定（連續(xù)兩期沉降量≤2mm）。

2.4 邊坡變形監(jiān)測(cè)預(yù)警

根據(jù)規(guī)范要求（本工程采用監(jiān)測(cè)報(bào)警值如表6所示），沉降觀測(cè)期間遇到下列情況時(shí)及時(shí)報(bào)警，并采取相應(yīng)的應(yīng)急措施：

監(jiān)測(cè)報(bào)警值一覽表 表6

①變形量或變形速率出現(xiàn)異常變化；

②變形量達(dá)到或超出預(yù)警值；

③跨越塔本身、周邊建筑及地表出現(xiàn)異常；

④根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)判斷已出現(xiàn)其他必須報(bào)警的情況或由于地震、暴雨、凍融等自然災(zāi)害引起的其他變形異常情況。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測(cè)始于2017年5月25日，截止于2020年4月18日，觀測(cè)時(shí)間跨度近3年，累計(jì)觀測(cè)34期觀測(cè)數(shù)據(jù)。表7為截止到2020年4月18日最后一期觀測(cè)，南塔上16個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析成果表；圖5為整個(gè)沉降觀測(cè)期南塔上沉降觀測(cè)點(diǎn)的“時(shí)間-荷載-沉降曲線圖”。

南塔沉降觀測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析成果表 表7

從表7數(shù)據(jù)中可以看到，16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，最大沉降點(diǎn)為沉降量SC4，沉降量為3.54mm，遠(yuǎn)小于預(yù)警值20.00mm；最小沉降點(diǎn)為沉降量SB2，沉降量為0.23mm，兩期最大沉降點(diǎn)為SC4，沉降量為0.36mm；最后兩期時(shí)間間隔6個(gè)月，沉降速率趨于0.00mm/d，沉降變化非常細(xì)微，表明沉降已經(jīng)穩(wěn)定。

從上述圖5-圖8可以看出，跨越塔在架塔施工期間（架設(shè)第1-17段鐵塔）和鐵塔架設(shè)完成的2個(gè)月內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)下沉趨勢(shì)，但這期間最大總沉降量為2.84mm（SC1，2018-04-17期），最大沉降速率為0.51mm/d(SA4，2018-02-03期）。數(shù)據(jù)和沉降曲線圖說(shuō)明，跨越塔在架塔施工期間和工后2個(gè)月內(nèi)，塔體有整體沉降，但沉降總量不大（不足3mm），沉降速率平緩。在隨后近兩年工后運(yùn)營(yíng)期間，跨越塔上各觀測(cè)點(diǎn)的沉降均處于一個(gè)比較平穩(wěn)的狀態(tài)，比對(duì)規(guī)范所給指標(biāo)，可以得出結(jié)論：現(xiàn)階段跨越塔整體已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 南塔承臺(tái)A1-A4觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間-荷載-沉降曲線圖

圖6 南塔承臺(tái)B1-B4觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間-荷載-沉降曲線圖

圖7 南塔承臺(tái)C1-C4觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間-荷載-沉降曲線圖

圖8 南塔承臺(tái)D1-D4觀測(cè)點(diǎn)時(shí)間-荷載-沉降曲線圖

4 結(jié)論

從2017年5月15日到2020年4月19日，項(xiàng)目監(jiān)測(cè)組對(duì)昌吉-古泉±1100kV特高壓輸電工程跨越塔進(jìn)行了近3年總共34期的沉降觀測(cè)。通過(guò)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)觀測(cè)方案，及時(shí)采集、處理和分析觀測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和反饋過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的沉降變化，在保證工程安全施工及工后安全運(yùn)營(yíng)的同時(shí)，也基本掌握了跨越塔在施工過(guò)程中及工后運(yùn)營(yíng)階段的自身變形情況，較好地完成了跨越塔的沉降變形觀測(cè)任務(wù)，為今后類似工程提供有意義的參考和借鑒。