沿海山區(qū)輸電線路工程數(shù)字化設(shè)計深化應(yīng)用

林 銳，李逸健，秦紀賓，方 序，張文翔，李宏進，林原辰

( 中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

我國電網(wǎng)規(guī)模目前已居世界第一位，數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)、環(huán)境友好型電網(wǎng)建設(shè)、現(xiàn)代企業(yè)管理和設(shè)計發(fā)展的戰(zhàn)略需求[1]都對設(shè)計技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，采用三維數(shù)字化設(shè)計技術(shù)是電網(wǎng)設(shè)計行業(yè)發(fā)展的必然選擇，也是大數(shù)據(jù)時代發(fā)展的必然要求。以建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維設(shè)計工作經(jīng)過多年的發(fā)展日趨成熟[2-3]，近些年，在民用建筑、水利水電等大型工程項目中已經(jīng)廣泛采用基于BIM 技術(shù)的三維設(shè)計工作，并逐步取得了良好的效益。在提升設(shè)計質(zhì)量、節(jié)約管理成本、提高交流效率等方面，BIM 較傳統(tǒng)設(shè)計都有更出色的表現(xiàn)。

相比建筑領(lǐng)域，電網(wǎng)工程特別是輸電線路建設(shè)領(lǐng)域開展三維數(shù)字化設(shè)計相關(guān)的研究起步較晚，但在國家電網(wǎng)有限公司的大力推動下，市場上幾個主流廠商已初步開發(fā)出適用于輸電線路工程的三維數(shù)字化設(shè)計商用平臺[4-6]，目前國內(nèi)輸電線路工程對數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用逐漸由三維設(shè)計成果的管理及展示向真正意義上的工程應(yīng)用及全過程協(xié)同設(shè)計轉(zhuǎn)變[7-13]。本文依托福建漳州—泉州500 kV I、II 回線路開斷進集美變工程，結(jié)合沿海山區(qū)輸電線路的特點，對數(shù)字化設(shè)計在輸電線路工程設(shè)計中的深化應(yīng)用進行論述。

1 數(shù)字化平臺功能

輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計平臺實現(xiàn)了測量、地質(zhì)、水文氣象、電氣、結(jié)構(gòu)、技經(jīng)等專業(yè)的“橫向協(xié)同”和各設(shè)計階段的“縱向貫通”，可滿足線路工程可研、初設(shè)、施工圖及竣工圖設(shè)計等階段要求，完成線路走廊地理信息數(shù)字化、線路工程本體設(shè)計、經(jīng)濟指標計算及數(shù)字化移交等功能，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化平臺總體功能

2 依托工程特點

工程位于廈門市經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，線路沿線障礙物及敏感點眾多、路徑走廊極為擁擠、工程多數(shù)塔位基面地形陡峭、塔位相對高差較大，線路連續(xù)跨越500 kV 電力線4 次，受山地塔位地形及障礙物影響，跨越點及跨越方案選擇困難。同時工程所在地區(qū)經(jīng)常受到臺風侵襲，提高抗風能力是工程設(shè)計考慮的重點之一。工程地理位置如圖2 所示。

圖2 依托工程地理位置

3 線路走廊信息模型

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[14]，通過航空器搭載相機對地表進行拍攝，相機對地進行一定角度的傾斜，能有效獲取地表各個角度的信息。本工程傾斜攝影建模使用ZR-60M 六軸碳纖維無人機平臺，搭載SONY DSC-RX1RM2 相機、自動化航攝飛行控制系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，單次續(xù)航時間60 min，巡航速度：65 km/h。工程攝影成果如圖3 所示。

圖3 線路走廊傾斜攝影成果

4 三維數(shù)字化平臺深化應(yīng)用

4.1 線路選線及優(yōu)化

在三維系統(tǒng)中通過建立矢量地理信息、設(shè)置障礙物緩沖半徑，系統(tǒng)可自動分析輸電線路周邊敏感點的影響，在交互設(shè)計過程中對控制線路走向的自然保護區(qū)、大型建筑、礦區(qū)等設(shè)施進行繞避。

1)進出線段路徑優(yōu)化

針對變電站出線段障礙物密集的情況，結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)所建立通道范圍內(nèi)重要設(shè)施三維模型，運用空間三維分析技術(shù)及平臺電磁環(huán)境計算，通過對鄰近多層結(jié)構(gòu)房屋進行空間距離及電磁環(huán)境準確評估，如圖4、圖5 所示。

圖4 避讓大型樓房

圖5 樓房附近空間電場強度計算

在確保線路出線偏角在安全范圍前提下，合理控制出線終端塔立塔位置及鐵塔高度，減少房屋拆遷量約6 500 m2。

2)采石場附近線路三維選線

利用采石場及輸電線路的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破飛石運行軌跡理論，實現(xiàn)爆破飛石運行軌跡三維模擬(見圖6)，組建起一個集數(shù)字模擬、空間分析、影響評價于一體的輸電線路與采石場安全距離的評價體系，充分考慮山體對爆破飛石的遮蔽效應(yīng)，輸電線路與采石場的避讓距離可由500 m 縮小至280 m，從而合理優(yōu)化了路徑長度及轉(zhuǎn)角塔數(shù)量。

圖6 爆破飛石飛行軌跡三維模擬

4.2 桿塔排位及桿塔規(guī)劃

充分利用三維數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)二、三維場景聯(lián)動設(shè)計功能，能夠做到三維地理信息實時分析、線路路徑方案實時調(diào)整、二三維平斷面桿塔布置實時校驗(見圖7)，提高了線路設(shè)計排塔定位的工作效率。

圖7 二、三維協(xié)同排位

利用三維數(shù)字化設(shè)計平臺進行桿塔排位成果，進行桿塔使用條件的統(tǒng)計分析。綜合考慮線路走廊、防風偏、防雷性能、結(jié)構(gòu)布置、美觀等因素，直線塔采用“3V 串”布置，為解決大風區(qū)因V 串夾角大帶來的電氣間隙問題，懸垂塔設(shè)計為雁翅形狀拱形橫擔，造型靈動優(yōu)美，與常規(guī)平橫擔相比，層高降低0.4 m，走廊寬度減小27.5%，電氣間隙緊湊、結(jié)構(gòu)受力合理。桿塔規(guī)劃及建模計算成果如圖8 所示。

圖8 桿塔規(guī)劃及三維建模成果

4.3 桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對本工程屬于臺風多發(fā)區(qū)的特點，塔身變坡以下增加兩處橫隔面(見圖9)。無橫隔面方案塔身段4 階模態(tài)為交叉斜材局部振動，增加橫隔面方案前4 階模態(tài)沒出現(xiàn)局部振動，可以看出增加橫隔面可有效避免局部振動及變形，提升桿塔抗風承載力和變形能力。

圖9 增加塔身橫隔面前后示意圖及模態(tài)對比

4.4 基礎(chǔ)選型及優(yōu)化

1)新型復(fù)合式基礎(chǔ)

針對山地比例大，塔位常遇到上部為土層、下部為堅硬巖石層情況，以往設(shè)計中，沒有考慮土層—巖體與基礎(chǔ)的共同作用機理，按傳統(tǒng)方法采用單一基礎(chǔ)型式進行設(shè)計，存在經(jīng)濟性和可靠性上的不足。

圖10 山區(qū)段三維地質(zhì)模型

圖11 掏挖錨桿復(fù)合基礎(chǔ)計算模型及位移云圖

2)螺桿樁基礎(chǔ)

變電站出線終端地質(zhì)條件為素填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土地質(zhì)，采用螺桿樁基礎(chǔ)。變電站出線段螺桿樁計算模型如圖12 所示，螺桿樁復(fù)合地基由螺桿樁和褥墊層組成，螺桿樁成樁過程擠壓樁周土體，提高了樁周土體的強度，螺桿樁上部圓柱段分擔了下部螺紋段的荷載，減少了樁長，與常規(guī)灌注樁基礎(chǔ)相比可減少混凝土方量約30%。

圖12 變電站出線段螺桿樁基礎(chǔ)模型

4.5 重要交叉跨越校驗

可研路徑方案在連續(xù)跨越兩條500 kV 線路時從被跨線路桿塔的塔頭上方跨越，這將使跨越塔的呼高增高，且跨越檔檔距較大，不利于帶電施工封網(wǎng)跨越。在三維真實場景中，對區(qū)域附近地形、跨越線路及周圍設(shè)施進行分析，對跨越點進行優(yōu)化(見圖13)，避免跨越原線路塔頭，且使跨越交叉角度更大、使檔距分布更加合理，跨越塔呼高由81 m 降低至60 m，經(jīng)濟效益顯著。

圖13 跨越500 kV線路區(qū)段跨越點優(yōu)化

4.6 電氣間隙三維校驗

利用三維鐵塔模型，采用三維“間隙球”“間隙柱”的方式，展現(xiàn)導(dǎo)線及絕緣子串在靜止狀態(tài)和風偏擺動狀態(tài)下的真實空間姿態(tài)，實現(xiàn)電氣間隙自動校驗，如圖14 所示。有效的解決了山區(qū)工程設(shè)計中大高差條件下跳線對鐵塔間隙、導(dǎo)線小弧垂對鐵塔間隙等電氣間隙校驗的技術(shù)難題。

圖14 跳線三維“間隙柱”電氣校驗

4.7 碰撞檢查和連接校驗

如圖15 所示，利用金具三維組裝系統(tǒng)實現(xiàn)對金具串的組裝，系統(tǒng)可以自動進行碰撞實驗、判斷能否連接并進行強度校核。桿塔放樣后可在三維模型上直觀體現(xiàn)塔材之間、螺栓與塔材、螺栓之間的碰撞?；A(chǔ)三維模型可校核基礎(chǔ)地腳螺栓或插入角鋼與桿塔模型能否正確組裝，校驗地腳螺栓和鋼筋的碰撞。通過三維碰撞校驗可大大節(jié)省人工校驗的時間，提高效率約25%。

圖15 三維碰撞檢查和連接校驗

4.8 線路通道清理設(shè)計

線路通道清理設(shè)計主要包含了房屋拆遷圖設(shè)計和林木砍伐圖設(shè)計，利用傾斜攝影數(shù)據(jù)結(jié)合測量專業(yè)現(xiàn)場補充調(diào)查的信息進行房屋、林木實景進行參數(shù)化建模(房屋位置、房屋面積、林木位置、林木種類、林木高度等)。

通過系統(tǒng)對實景模型的建立，可以在指定走廊寬度內(nèi)進行房屋面積量測、統(tǒng)計，利用我院自主研發(fā)的房屋信息處理系統(tǒng)全自動生成房屋拆遷分布圖、一戶一卡圖，如圖16 所示。

圖16 通道內(nèi)房屋及自動生成的房屋分布圖

山區(qū)地形起伏較大，同時受檔距和弧垂影響，線路風偏時檔距中央偏離線路中心最遠而塔身處偏離最近，導(dǎo)線實際影響范圍的水平投影為紡錘形狀，傳統(tǒng)二維平面難以繪制林木風偏砍伐斷面。在三維場景中，把導(dǎo)線懸鏈線投影離散為多邊形，并給出各個點的坐標，自動計算導(dǎo)線風偏與林木的位置關(guān)系確定砍伐范圍并對樹木砍伐進行自動判斷和統(tǒng)計。

山區(qū)導(dǎo)線風偏及紡錘形砍樹示意如圖17所示。

圖17 山區(qū)樹木三維實景及砍伐示意圖

紡錘形砍樹方案減少了10%～20%的林木砍伐量，節(jié)省了工程投資。既保障了線路安全運行，又保護了生態(tài)環(huán)境。

4.9 輔助環(huán)水保設(shè)計

通過高精度地理影像，利用三維數(shù)字化設(shè)計平臺，真實還原原始地形和地貌，可準確進行全方位長短腿和不等高基礎(chǔ)的配置，同時邊坡三維設(shè)計能充分考慮水保措施與原狀地形的貼合，如圖18 所示。實現(xiàn)了塔基環(huán)水保設(shè)計由傳統(tǒng)的粗放式變?yōu)榫毣O(shè)計，最大程度減小工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的擾動。

圖18 三維輔助設(shè)計塔基護坡

4.10 輔助施工組織設(shè)計

利用輸電三維數(shù)字化設(shè)計平臺構(gòu)建的三維環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)場踏勘情況，在平臺進行臨時道路繪制，區(qū)分道路修筑、道路拓寬、道路硬化等不同修筑方案，滿足施工機械道路需求，減少臨時道路修建量。通過數(shù)字化平臺，結(jié)合地形和牽張分段，初定牽張場位置，并采用三維手段進行精細化布置，如圖19 所示。

圖19 施工道路分布圖及牽張場三維布置

5 結(jié)語

充分發(fā)揮三維可視化優(yōu)勢，彌補傳統(tǒng)二維設(shè)計在工程路徑優(yōu)化、桿塔排位及桿塔規(guī)劃、桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基礎(chǔ)選型及優(yōu)化、重要交跨校驗、電氣三維校驗、碰撞檢查、通道清理、輔助環(huán)水保設(shè)計等方面的不足，有效提高設(shè)計質(zhì)量。

雖然目前相對于傳統(tǒng)二維設(shè)計，還存在著模型構(gòu)建工作量大、缺乏配套的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)和質(zhì)量管理體系、設(shè)計輔助工具與平臺兼容性不強、對設(shè)計人員要求高等問題，但隨著數(shù)字化技術(shù)的深入探索和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢和潛在價值將得到充分發(fā)揮，實現(xiàn)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的高端數(shù)字化輸電線路設(shè)計目標，為智能化電網(wǎng)建設(shè)和管理打下堅實的基礎(chǔ)。