新建特高压输电工程跨越塔沉降观测方案设计与数据分析

刘流，马雷 （国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

随着我国国民经济的快速发展，对电力基础设施的要求越来越高，国家投资建设的电力基础设施取得快速发展，电网规模越来越大，输电线路的电压等级也越来越高，输电架塔作为输电线路的承重部件随之越来越高，对架塔的稳定性要求也越来越苛刻。据统计，输电线路架塔工程，约占整个线路工程总投资的40%，投资占比很大。输电架塔的稳定与否，会对整个线路的安全运营产生影响。输电架塔为高耸结构，对架塔基础的稳定性要求很高。如果架塔基础沉降变形较大，架塔倾斜（如图1a），会连带导致上部各种输电部件的变形，可能导致线路档距、悬垂绝缘子串偏斜等各种问题，极端条件下甚至会造成整个架塔失稳倾覆（如图1b），从而导致供电中断，给社会经济运行及人民的生活造成严重后果。

图1 基础沉降过大导致的架塔倾斜和倾覆

从设计阶段就开始对输电架塔的沉降变形进行方案设计，并从施工阶段一开始就进行变形观测，到线路工程施工结束，线路投入运营后的2-3年内持续观测，直至输电架塔沉降收敛稳定，这一整个过程是确保新建特高压输电线路安全运营的重要手段。

本文以昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程皖3标段的长江大跨越工程为工程背景，全过程分析总结了新建特高压输电工程跨越塔沉降监测从方案设计、施工和工后监测实施、数据处理分析等工作，在确保线路工程安全运营的同时，也为今后类似工程提供有意义的参考和借鉴。

1 工程背景

1.1 工程概况

昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程起点为新疆准东（昌吉）换流站，止于安徽皖南（古泉）换流站，输送容量12000MW，是世界上第一条±1100kV直流输电工程，也是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输电距离最远、技术水平最高的特高压输电工程。工程线路路径全长约3319.2km，包含长江大跨越2.9km，曲折系数1.11。线路途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽六省区。工程建设完成后可实现西部煤电基地电能直供中东部地区负荷中心，弥补我国华东地区的能源缺口，实现大范围内的资源优化配置，符合国家“西电东送”总体战略。昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程皖3标段位于安徽省合肥市巢湖，芜湖市无为县、繁昌县、南陵县、芜湖县，铜陵市铜陵县境内。线路起自庐江县大墩西（N9363塔），止于古泉换流站门架。线路路径长度为125km，其中一般线路122.1km，长江大跨越2.9km。跨越方式为“耐-直-直-耐”，采用“直-直”方式跨越长江河道。耐张段全长2900m，跨越档距1790m，档距分布为“570m-1790m-540m”。跨越塔采用展翅型钢管塔，呼高223m，全高225.2m，根开45m；锚塔采用“干”字型钢管塔，呼高45m，全高66m，正面根开22m，侧面根开26m。

1.2 地理位置

昌吉-古泉±1100kV特高压直流输电线路工程皖3标段位于安徽省合肥市巢湖区、芜湖市无为县、繁昌县、南陵县、芜湖县，铜陵市铜陵县境内。线路起自庐江县大墩西（N9363塔），止于古泉换流站门架。其中“长江大跨越工程”北起芜湖市无为县观音庙村（E:11758'10"，N:3106'10"），南至芜湖市繁昌县翟家墩村 （E:11759'18"，N:3104'56"）,全长约2.9km。线路基本平行于铜陵长江公铁大桥，相距约1.2km。工程项目地理位置如图2所示。

图2 长江大跨越工程所在地理位置略图

1.3 塔基平面布置

本工程跨越塔有两座，分别位于长江北岸（北塔）和南岸（南塔），单塔塔高225.2m，塔重1259t，跨越长江1790m。铁塔塔高、塔重和线路跨越距离均为全线之最。为确保铁塔基础满足荷载承重及稳定性要求，设计人员经过多轮方案的模型设计、力学分析以及实验室试验，确定塔基几何尺寸及其他力学特性，并形成最终的几何平面布置图（如图3）。

图3 单个跨越塔基础平面布置图

每座跨越塔由4个长、宽、高分别为4.5m、4.5m和4.2m的钢筋混凝土基础支撑，基础按顺时针编号，分别为A#、B#、C#和D#；对角基础中心连线和线路前进方向夹角为45。由于北塔和南塔结构相同，重量一样，两塔布设位置的工程地质情况相似，为叙述方便，以下仅以南塔为例。

2 监测方案设计

2.1 监测目的及监测等级

本大跨越塔沉降观测的主要目的有两个，一是在架塔施工阶段，及时监测反馈铁塔沉降变形情况，指导架塔施工，确保工程安全；二是在施工结束后的投运阶段，监测跨越塔基础在全部上覆荷载作用下的沉降变形情况，在确保电力线路安全营运的同时，也为前期的力学模型分析和实验结果，提供实际情况下的形变验证数据，从而更好地用以预测今后本工程跨越塔的变形趋势。本工程依据《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）中规定的建筑物基础设计等级，建筑物重要程度及建筑物的控制变形情况，选择沉降观测等级为二级。

2.2 监测方法

本工程选择的沉降观测等级为二级，精度要求较高，需要采用高精度的几何水准测量方法进行。跨越塔属高耸建筑物，施工场地相比于其他建筑物而言相对狭小，现场干扰因素非常多。为确保监测数据真实可靠，本工程塔基沉降观测工作采用二级布网（首级网为沉降水准控制点和工作基点构成的水准线路，二级网为单个基点和监测点构成的水准线路），统一平差的技术方案。

2.2.1 首级控制网布设及观测方案

为了满足测量精度的要求，同时根据现场施工情况，在远离跨越塔监测范围的稳定区域内(施工区域50m外)布设3个基准点，编号分别为BM1、BM2和BM3，组成水准基准网（图4）。按二等水准测量精度要求，每期沉降观测都对基准点进行观测，观测顺序为“BM1-BM2-BM3-BM2-BM1”, 往返观测。观测结果经过平差软件计算，对比前后期数据分析确定首级网的稳定性。

图4 南塔沉降观测基准点及观测点布设示意图

2.2.2 二级监测网布设及观测方案

对（1）中所述由基准点组成的首级控制网进行数据处理及分析，判定基准点稳定后，以稳定的基准点（如图4中的BM1）为已知点，沿顺时针方向经过监测点（如图4中的SD1-SD2-SD3-SD4-…-SA1SA2-SA3-SA4）组成闭合环。依照二等水准的测量要求，按奇数站“后-前-前-后”，偶数站“前-后-后-前”的作业方法进行往返观测。观测完成后计算环线闭合差并根据测站数进行平差。具体技术要求如表1～表5所示，依据《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2016）和《电力工程施工测量技术规范》（DL/T 5445-2010）。

水准测量的仪器型号和标尺类型 表1

水准测量观测方式 表2

水准测量照准标尺顺序 表3

水准观测的视线长度、前后视距差和视线高度（m） 表4

水准观测限差（mm） 表5

2.3 监测周期

本工程目沉降监测时间为跨越塔施工阶段至工程竣工后营运阶段。依据施工阶段不同，采用不同的监测周期；依据不同的变形量，适当缩短或延长监测周期。一般情况下，施工阶段变形量可能较大，监测周期短；竣工后营运阶段变形量会变小，监测周期可延长。

2.3.1 跨越塔施工阶段

①每个承台施工完毕开始该承台的首次观测；

②混凝土达到28天龄期观测一次；

③铁塔施工前对所有承台观测点全面观测一次；

④每安装完一段塔身或横担观测一次。

2.3.2 跨越塔工程竣工后营运阶段（不少于三年）

①线路投运前观测一次；

②竣工后第一年每3个月观测一次；

③竣工后第二年每6个月观测一次；

④竣工后第三年每12个月观测一次，直至沉降稳定（连续两期沉降量≤2mm）。

2.4 边坡变形监测预警

根据规范要求（本工程采用监测报警值如表6所示），沉降观测期间遇到下列情况时及时报警，并采取相应的应急措施：

监测报警值一览表 表6

①变形量或变形速率出现异常变化；

②变形量达到或超出预警值；

③跨越塔本身、周边建筑及地表出现异常；

④根据当地工程经验判断已出现其他必须报警的情况或由于地震、暴雨、冻融等自然灾害引起的其他变形异常情况。

3 监测数据分析

本次监测始于2017年5月25日，截止于2020年4月18日，观测时间跨度近3年，累计观测34期观测数据。表7为截止到2020年4月18日最后一期观测，南塔上16个沉降观测点统计分析成果表；图5为整个沉降观测期南塔上沉降观测点的“时间-荷载-沉降曲线图”。

南塔沉降观测点统计分析成果表 表7

从表7数据中可以看到，16个监测点中，最大沉降点为沉降量SC4，沉降量为3.54mm，远小于预警值20.00mm；最小沉降点为沉降量SB2，沉降量为0.23mm，两期最大沉降点为SC4，沉降量为0.36mm；最后两期时间间隔6个月，沉降速率趋于0.00mm/d，沉降变化非常细微，表明沉降已经稳定。

从上述图5-图8可以看出，跨越塔在架塔施工期间（架设第1-17段铁塔）和铁塔架设完成的2个月内，各监测点都有一个下沉趋势，但这期间最大总沉降量为2.84mm（SC1，2018-04-17期），最大沉降速率为0.51mm/d(SA4，2018-02-03期）。数据和沉降曲线图说明，跨越塔在架塔施工期间和工后2个月内，塔体有整体沉降，但沉降总量不大（不足3mm），沉降速率平缓。在随后近两年工后运营期间，跨越塔上各观测点的沉降均处于一个比较平稳的状态，比对规范所给指标，可以得出结论：现阶段跨越塔整体已处于稳定状态。

图5 南塔承台A1-A4观测点时间-荷载-沉降曲线图

图6 南塔承台B1-B4观测点时间-荷载-沉降曲线图

图7 南塔承台C1-C4观测点时间-荷载-沉降曲线图

图8 南塔承台D1-D4观测点时间-荷载-沉降曲线图

4 结论

从2017年5月15日到2020年4月19日，项目监测组对昌吉-古泉±1100kV特高压输电工程跨越塔进行了近3年总共34期的沉降观测。通过科学合理地设计观测方案，及时采集、处理和分析观测数据，及时发现和反馈过程中发现的沉降变化，在保证工程安全施工及工后安全运营的同时，也基本掌握了跨越塔在施工过程中及工后运营阶段的自身变形情况，较好地完成了跨越塔的沉降变形观测任务，为今后类似工程提供有意义的参考和借鉴。