巴西美丽山特高压输电线路托坎廷斯河大跨越塔设计施工技术

文｜中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司 邵国栋

0 引言

输电线路有时需要跨越大江大河或海峡港湾，由于跨越宽阔水面的跨距大，并且河流或海峡的通航要求常造成跨越塔比普通塔高很多，造成跨河段输电线路需要进行特殊设计。一般而言，跨距超过1000m，跨越塔高度超过100m，需特殊设计的输电线路称为大跨越输电线路。大跨越的设计气象条件比一般线路严格，对安全的要求也比一般线路高，工程量大且施工周期长。一处大跨越输电线路工程的单公里投资比一般输电线路高数倍到数十倍。因此，在大跨越输电线路工程中必须作广泛、深入、细致的工作，优化设计，同时推广应用新技术、新工艺和新设备。选择合适的设计和施工方案可以显著降低工程投资并缩短工程施工工期，创造显著的经济和社会效益。

巴西美丽山特高压二期输电线路托坎廷斯河跨越工程，是典型的热带雨林地区河网沼泽地区大跨越工程，其所跨越的托坎廷斯河是巴西第二大河，气候为热带高原气候，雨季持续时间长、降雨量大，交通不便，施工难度大。主河面宽1102米，主河两侧为宽度约300米的河网沼泽区，水面深度2米左右，大型机械难以施展。因此，提出合理的组塔方法尤为重要。

本文分别从设计和施工方面介绍了巴西美丽山托坎廷斯河大跨越工程的设计和施工方案。介绍了大跨越输电塔风振系数取值方法，基础变形对大跨越输电塔内力影响的分析方法以及开展风荷载下大跨越输电塔-线耦合体系极限承载力计算方法。施工方面介绍了采用的附着式轻型抱杆系统以及漂浮式水上施工平台，为国内外输电线路工程的建设提供参考

1 工程概况

巴西美丽山±800kV特高压直流输电二期工程是世界第四大水电站，同时也是巴西第二大水电站—美丽山水电站（装机1100万千瓦）的电力送出工程，是海外建成的电压等级最高、输电容量最大、送电距离最远的输电工程。工程由中国国家电网公司巴西控股公司投资建设，中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司巴西公司EPC总承包，线路全长2539公里，将亚马孙河流域的水电输送到东南部的里约热内卢负荷中心，可解决当2200万人口的用电需求。该工程是中国特高压走出去的重点工程，中央企业服务和参与“一带一路”建设的重要成果，中巴基础设施领域合作的典范，对促进优势产能国际合作与互利共赢具有重要意义。

图1 巴西美丽山特高压直流输电线路二期托坎廷斯河跨越工程

该工程跨越设计采用耐-直-直-直-直-耐的形式进行河面跨越，跨越耐张段总长达3882m，跨越档档距1136m，跨越直线塔塔高160.5米，重量184.7吨。跨越段所在地区具有很强的风力带，大跨越铁塔及导地线受风力影响尤为明显，国内外输电铁塔设计规范中，对铁塔、导地线分别考虑，仅把导地线的风荷载等效为静力荷载施加在铁塔上。事实上，由于输电线具有较强的几何非线性，大跨越输电塔-线体系在脉动风荷载作用下表现出复杂的振动特性，两者具有很强的耦合性。而国内外关于风荷载下大跨越输电塔-线体系的动力特性及整体风洞试验研究较少，难以指导大跨越输电塔在强风荷载作用下的工程设计。由于河两岸是大片河网沼泽丛林地带，水位旱雨两季变化明显，地基承载力差易产生沉降等原因，跨越施工困难非常大。（如图1）

2 大跨越铁塔设计方法

2.1 大跨越输电塔风振系数取值方法

大跨越输电塔是集高耸结构和空间杆系结构两种特征于一体的风敏感结构体系，风荷载是大跨越杆塔设计的主要荷载。在风荷载作用下，大跨越输电塔风振效应显著。当塔高全高不超过60m时，风振系数可以按照全高采用统一数值。对国内特高压工程而言，当杆塔全高超过60m时，风振系数一般按照我国特高压杆塔设计原则进行分段取值。横担取值最大，塔身不同高度处取值不同，上部取值大于下部取值。目前国内特高压线路工程风振系该取值方法整体偏于保守，也存在局部风振系数取值偏小的问题。本工程跨河塔全高160.5m，采用随机振动理论计算风振系数，并采用时域方法进行验证，有效降低风振系数取值。与传统方法相比，降低塔重9.7%。

2.2 基础变形对大跨越输电塔内力的影响分析

本工程采用的基础类型为高桩承台基础，在基础作用力的水平力作用下，易发生水平位移，有必要研究基础水平位移对大跨越输电塔内力的影响。采用ABAQUS有限元分析软件，建立输电塔-高桩承台-桩-土的精细化有限元分析模型，分析基础变形对大跨越输电塔内力的影响，研究输电铁塔承受基础变形的能力，指导大跨越输电铁塔及基础的施工。

2.3 利用P-Y曲线法，分析二阶效应对桩基的影响

m法是一种线弹性地基反力法，假定土体的抗力系数随深度而线性增加；P-Y曲线法是复合地基反力法的一种，假定土体下桩身的变形与作用在桩身的土抗力呈非线性关系，桩在土体下的内力和变形可采用P-Y曲线的无量纲迭代法或有限差分法进行计算。采用m法计算群桩基础的内力和变形，并对桩基础进行设计和校核；采用p-y曲线法计算群桩基础的内力和变形，并与试验结果对比，验证该方法的合理性；对比分析m法和p-y曲线法计算群桩基础受力和变形的规律和差异，并给出合理值。分析二阶效应对桩基的影响，以及基础变形对大跨越输电塔内力的影响。

2.4 风荷载下大跨越输电塔-线耦合体系极限承载力分析

大跨越铁塔常受强风荷载的作用而影响线路的安全运行，采用风场模拟技术对大跨越铁塔的风振响应进行研究，可有效剖析强风荷载作用下大跨越铁塔的受力状态，进而进行有针对性的优化。

输电塔是一种柔性结构，风荷载是其主要动力荷载。由于输电线具有较强的几何非线性，在风荷载作用下这种结构表现出复杂的振动特性。建立大跨越输电塔-线耦合体系模型，在强风荷载作用下，对比分析不同攻角下大跨越输电塔简化模型和大跨越输电塔-线耦合体系模型的风振反应；研究在不同攻角下风致大跨越输电塔-线耦合体系极限承载力，给出最不利分析工况，并确定大跨越输电塔的薄弱部位，进行有针对性的补强。

通过风洞试验和建立大跨越输电塔-线体系，研究强风荷载作用下大跨越输电塔的受力状态和风振响应，在确保特高压大跨越输电线路运营安全的前提下，对大跨越铁塔进行合理优化，降低大跨越输电塔的塔重，减少工程投资，并为今后大跨越工程的建设提供借鉴和指导。

3 大跨越铁塔施工方法

针对现场实际环境，克服优化其在浅水沼泽区的不易移动及承载稳定性问题。结合现有起重吊臂、河道清理设备并进行设计改造，考虑组塔施工、打桩施工等作业工况，基于作业过程中动态稳定性分析方法，研究集水中清淤、物料吊装运输于一体的水上漂浮式综合施工平台，保证平台作业过程中的安全性。

以目前现有吊装设备为及铁塔组立工艺为基础，结合水上漂浮施工平台，以受限空间作业面的铁塔预组场地、吊装设备选用及动力装置布置、漂浮式施工平台稳定性等为主要研究对象，通过施工机具装备改造和组立工艺优化等方式，开展受限空间作业面超高铁塔组立工艺研究及应用。

3.1 附着式轻型抱杆的竖立、固定

本工程研发了水上漂浮式综合施工平台，为铁塔的组立提供了方便。底部一段塔材较重，施工中采用汽车起重机进行组装。安装完底部塔材后，将塔腿处的接地线与铁塔可靠连接，在塔材顶端挂滑车。用钢丝绳从顶部卸扣环内穿入，并与底部卸扣连接。利用这根钢丝绳起吊抱杆，抱杆根部用留绳控制。

移动抱杆，使其靠近主材。然后牵引钢丝绳，使抱杆沿主材内侧提升。在挂滑车的主材上绑一根钢丝绳，一侧与主角钢紧密连接，另一侧成环形，同时在抱杆顶部向四面用钢丝绳打好四根临时拉线。继续起吊抱杆，控制腰绳线的松紧度，控制抱杆头倾斜。抱杆继续起吊，当抱杆超过已组塔段6.5m时，对抱杆根部进行捆绑。（如图2）

图2 抱杆固定

3.2 附着式轻型抱杆的提升

在已组装塔段的主材上端挂滑车，从该滑车穿过钢丝绳，引向塔腿转向滑车，提升钢丝绳，使其一端与抱杆根部连接，另一端连接机动绞磨，并对其进行收紧。一道腰绳布置在已组塔主材上部水平横材下方，套住抱杆并提升钢丝绳。另一道腰绳固定在抱杆根部。利用浪风绳控制抱杆头，机动绞磨牵引拉线绳，并对抱杆的垂直度进行调直，待承托绳不受力后，将其与塔身连接处松开。当抱杆提升至指定高度后，再按前述方法进行固定、绑牢。施工过程中，钢管抱杆倾斜角度应严格控制在10°以内。（如图3）

图3 抱杆提升图

3.3 塔材的吊装

将机动绞磨的转向滑车安装在抱杆所在的塔腿对侧或邻侧，机动绞磨与铁塔距离应大于塔高的1.2倍。当吊重超过控制荷载要求时,需采取单根吊装方式，水平材、斜材需在四根主材安装完毕后，再进行安装。塔身采取片吊的方式，大片塔材到位后，将其控制平稳，接近就位时，应减慢起吊速度。吊装时应严格控制起吊重量，塔片重量超过限值时，应采用单根吊装。（如图4）

图4 塔身吊装图

3.4 附着式抱杆的拆除

抱杆的拆除与提升操作步骤相反，在组立好的塔上部挂滑车，将钢丝绳连接在抱杆底端，通过主材上部滑车引向地面机动绞磨。上部钢丝绳穿过滑车后将其缠绕在抱杆上，然后用机动绞磨将牵引钢丝绳收紧抱杆。钢管抱杆在牵引系统的控制下，拆除根部的捆绑绳及承托绳，。一切准备就绪后,可通过机动绞磨放松钢丝绳，逐步地对附着式抱杆进行拆除。

4 结语

在输电线路大跨越工程中，采用全寿命周期理念，从设计源头上做好结构方案，然后采用先进、适用的工艺、技术和装备科学合理地组织施工，提高机械化水平，减少强度高、工序繁琐的手工劳动。参考国内外大跨越工程铁塔设计和施工方案，结合工程执行标准、施工环境、工艺方法，充分考虑安全可靠性，选择最合适的设计方案和施工方法，建立和完善产品标准、工艺标准、工法等。

巴西美丽山±800kV特高压输电线路工程是“一带一路”的典范工程，是中国特高压技术“走出去”的重大成果。托坎廷斯河大跨越工程是境外第一个特高压大跨越工程，为了解决工程建设的技术难题，同时在确保输电线路运行安全可靠性的同时，降低工程造价，通过风场模拟程序可视化界面的实现与大跨越输电塔风振系数研究，以及风荷载下大跨越输电塔-线耦合体系极限承载力分析，并考虑基础变形、二阶效应对结构影响，完成了跨越铁塔的结构设计，并结合铁塔所处河网沼泽等周边环境，选取附着式轻型抱杆安装铁塔，在施工装备和技术短缺的情况下顺利完成的大跨越的施工。本文分别从设计和施工方面介绍了巴西美丽山托坎廷斯河大跨越工程开展的研究和采用的方案，为国内外输电线路工程的建设提供参考。