输电线路铁塔和基础型式选择优化

聂旭初　王苗苗

【摘  要】在当下社会发展以及人民需求不断增加的情况下，给电力企业提出了新的挑战，在电力传输时，输电线路的铁塔负担着线路的质量，因此铁塔设计也是线路铺设时需要考虑的重点。在进行铁塔设计时需要注意结合环境和设计因素综合考虑，避免在输电过程中出现问题。本文主要针对国内输电铁塔基础设计和相关技术要点进行探讨以及研究，为铁塔设计提出一些参考意见。

【关键词】铁塔基础设计;输电线路;型式选择;优化

输电铁塔通常由塔头、塔腿以及基础三个部分构成，在转角塔、终端塔、跨越塔中通常会因为自身设计作用的不同而出现多种外形形状。铁塔和基础共同作用承担导地线和其他负荷，在输电线路工程中占有绝对重要的地位，因此要重视型式的选择和优化。

1铁塔设计

1.1  铁塔设计准备工作

国内的铁塔基础工程中，通常会考虑到施工现场对于输电线路铁塔设计所产生的影响。在铁塔设计时需要考虑到下列的一些因素：

第一，注意安全运行的原则。输电线路的铁塔设计，首先需要保证输电线路的整体运行安全和稳定，其次再保证环保等多种因素。

第二，在進行设计时，需要考虑到本身的成本问题。铁塔设计要在满足供电需求和安全运行的前提下，尽量降低成本，提高经济效益。

第三，需要注意施工现场的保护以及周围环境的维护。

第四，根据工程需求确定铁塔型式后，进行荷载工况组合，需要考虑大风、覆冰、低温、断线、安装、不均匀冰以及“三跨”验算等工况，特别重要的塔型还要考虑地震等特殊工况。

1.2  铁塔设计优化

铁塔优化包括横担优化、塔身口宽和坡度优化、结构布置和节间优化等。

横担优化：根据不同的塔型采取不同的优化方案，有型式优化和尺寸优化等。

塔身口宽和坡度优化：上部塔身的坡度较小，其口宽及坡度在小范围内变化对塔重及基础作用力影响均很小，因此，杆塔单基指标的降低重点在于优化下部塔身坡度及瓶口宽度。在优化瓶口宽度及根开大小（塔身坡度）时，应在合理的范围内取值。瓶口宽度越小，塔头刚度就越小，杆塔变形就越大，头部塔身主、斜材内力也越大，塔重增加;但瓶口宽度大到一定程度，杆塔反而又会越来越重。因此，塔身优化一定要在保证杆塔整体刚度的前提下，获得较优的塔重指标。

结构布置和节间优化：节间长度的确定受到临界计算长度、塔身的分段、接腿及外形尺寸等因素的制约，同时考虑到节间长度对斜材、辅助材的影响以及腹杆布置形式对主材的内力影响，往往很难理想地使主材长度达到按稳定计算的承载力等于按强度计算的承载力。因此在进行节间长度分段优化时，应综合考虑多种因素的影响，以临界计算长度为参考，同时考虑塔身布置、杆件应力比等因素，合理选择最优的长度。

2输电线路基础设计

2.1基础型式选择

杆塔基础设计是指在已知地质及荷载等条件下通过一系列计算来选择合适的杆塔基础类型，确定基础最佳尺寸的全过程。在设计过程中必须考虑下列因素。

⑴ 地质条件

地质条件是杆塔基础设计的出发点，主要包括塔位的地质情况、土（岩）种类、原状土层分布和应力状态、地下水位情况以及施工过程地基土（岩）的变化特性等，地基土（岩）的工程评价是正确进行杆塔基础设计的关键。

⑵ 荷载特性

荷载特性是杆塔基础设计时的主要变量，主要包括荷载的大小、分布和偏心程度等。

⑶ 施工因素

在输电线路基础设计时，需考虑施工单位的机械及技术装备能力、施工过程中的运输条件和材料供应情况，确保基础施工过程的连续性、快速性和施工质量满足使用要求。

⑷ 环境保护

随着经济的不断发展，对输电线路建设过程中环境保护方面提出了更高的要求，合理选择基础型式和设计塔位施工基面，做到少开塔位施工基面，以减少余土和边坡的防护，降低工程造价，保护环境，实现国家经济建设的可持续发展。

根据我国目前超高压输电线路杆塔基础工程的设计和施工现状，在基础方案选择时应考虑以下几方面：

（1）应尽可能采取合理的结构型式，降低水平力和弯矩对基础的影响，改善基础受力状态。

（2）应尽可能充分利用原状土地基承载力高、变形小的良好力学性能，因地制宜采用原状土基础。

（3）应注重环境保护和可持续发展战略。

（4）应注重施工的可操作性和质量的可控制性，重视施工过程的安全性。

结合具体的地形、地貌、水文地质条件，建议的基础型式如下：

（1）对平原有水软弱土地基，基础作用力较小时采用灌注桩单桩基础、板式基础，基础作用力较大的杆塔宜采用灌注桩群桩基础、PHC管桩基础。

（2）对平原有水普通土地基区段的塔位，作用力较小时优先推荐采用灌注桩单桩基础，作用力较大的杆塔，推荐采用灌注桩群桩基础、PHC管桩基础。

（3）对低山丘陵细粒土地基区段的塔位，当塔基地形平缓时优先推荐采用挖孔基础，其次考虑采用掏挖基础;当杆塔荷载较大或塔基地形陡峭时宜采用挖孔基础。

（4）对于丘陵、低山区下伏风化岩石地基，推荐采用岩石锚杆基础、岩石嵌固基础，地形陡峭区域根据经济性也可采用挖孔基础。

（5）跨河地区推荐采用灌注桩单桩及灌注桩群桩基础，对灌注桩群桩基础应结合水文相关要求，选择低桩或高桩承台。

2.2输电线路基础设计优化

在基础型式确定的条件下，基础优化包括基础材料的选择、基础尺寸的优化及铁塔与基础连接方式的优化。

板式基础优化包括：基础主柱宽、基础埋深、基础底板宽及底板厚等。

挖孔类基础优化：（1）对土类地基，在满足位移要求下，挖孔基础采取扩底措施，扩底端直径与桩身直径比D/d直线塔宜取1.5左右，耐张塔宜取2.0左右，具体取值根据承载力要求及扩底端部侧面和桩端持力层土性确定。长径比L/d取值应受水平位移和人工开挖活动限制，不宜过大。（2）对风化岩石类地基，在满足位移要求下，对于直线塔，扩底端直径与桩身直径比D/d为1.0与1.5时相差不大，因此考虑施工便利，直线塔挖孔桩基础可取消扩大头;对于耐张塔，具体取值根据承载力要求及扩底端部侧面和桩端持力层土性确定，必要时也可取消端部扩大头。

对于灌注桩基础，推荐采用承台45°摆放+立柱偏心的基础型式，偏心量根据杆塔作用力的大小来优化取值，并通过计算对比确定合理的布桩方案。

对于采用地脚螺栓与铁塔连接的直柱基础，推荐对地脚螺栓进行一定的预偏心，使下压或上拔力产生的弯矩抵消部分水平力产生的弯矩，改善立柱及基底受力，从而降低基础混凝土量和钢筋量。

3结语

铁塔的结构及基础通常在总成本上占据较大比例，所以铁塔的设计过程一直处于重要的地位，整个铁塔的结构以及质量关系到日后的经济效益。通过线路结构以及铁塔结构设计等方法优化设计之后所得出的结论如下：在设计时需要不断完善以及优化铁塔的基础设计要点，将铁塔的结构和基础设计有效配合，从而发挥出更好的效能，保证线路的整体运行稳定和安全。

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（作者单位：中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司）