沿海山区输电线路工程数字化设计深化应用

林 锐，李逸健，秦纪宾，方 序，张文翔，李宏进，林原辰

( 中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

我国电网规模目前已居世界第一位，数字化电网建设、环境友好型电网建设、现代企业管理和设计发展的战略需求[1]都对设计技术的发展提出了新的挑战，采用三维数字化设计技术是电网设计行业发展的必然选择，也是大数据时代发展的必然要求。以建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术为基础的三维设计工作经过多年的发展日趋成熟[2-3]，近些年，在民用建筑、水利水电等大型工程项目中已经广泛采用基于BIM 技术的三维设计工作，并逐步取得了良好的效益。在提升设计质量、节约管理成本、提高交流效率等方面，BIM 较传统设计都有更出色的表现。

相比建筑领域，电网工程特别是输电线路建设领域开展三维数字化设计相关的研究起步较晚，但在国家电网有限公司的大力推动下，市场上几个主流厂商已初步开发出适用于输电线路工程的三维数字化设计商用平台[4-6]，目前国内输电线路工程对数字化设计技术的应用逐渐由三维设计成果的管理及展示向真正意义上的工程应用及全过程协同设计转变[7-13]。本文依托福建漳州—泉州500 kV I、II 回线路开断进集美变工程，结合沿海山区输电线路的特点，对数字化设计在输电线路工程设计中的深化应用进行论述。

1 数字化平台功能

输电线路三维数字化设计平台实现了测量、地质、水文气象、电气、结构、技经等专业的“横向协同”和各设计阶段的“纵向贯通”，可满足线路工程可研、初设、施工图及竣工图设计等阶段要求，完成线路走廊地理信息数字化、线路工程本体设计、经济指标计算及数字化移交等功能，如图1 所示。

图1 数字化平台总体功能

2 依托工程特点

工程位于厦门市经济发达地区，线路沿线障碍物及敏感点众多、路径走廊极为拥挤、工程多数塔位基面地形陡峭、塔位相对高差较大，线路连续跨越500 kV 电力线4 次，受山地塔位地形及障碍物影响，跨越点及跨越方案选择困难。同时工程所在地区经常受到台风侵袭，提高抗风能力是工程设计考虑的重点之一。工程地理位置如图2 所示。

图2 依托工程地理位置

3 线路走廊信息模型

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来发展起来的一项高新技术[14]，通过航空器搭载相机对地表进行拍摄，相机对地进行一定角度的倾斜，能有效获取地表各个角度的信息。本工程倾斜摄影建模使用ZR-60M 六轴碳纤维无人机平台，搭载SONY DSC-RX1RM2 相机、自动化航摄飞行控制系统和全球定位系统(GPS)，单次续航时间60 min，巡航速度：65 km/h。工程摄影成果如图3 所示。

图3 线路走廊倾斜摄影成果

4 三维数字化平台深化应用

4.1 线路选线及优化

在三维系统中通过建立矢量地理信息、设置障碍物缓冲半径，系统可自动分析输电线路周边敏感点的影响，在交互设计过程中对控制线路走向的自然保护区、大型建筑、矿区等设施进行绕避。

1)进出线段路径优化

针对变电站出线段障碍物密集的情况，结合倾斜摄影数据所建立通道范围内重要设施三维模型，运用空间三维分析技术及平台电磁环境计算，通过对邻近多层结构房屋进行空间距离及电磁环境准确评估，如图4、图5 所示。

图4 避让大型楼房

图5 楼房附近空间电场强度计算

在确保线路出线偏角在安全范围前提下，合理控制出线终端塔立塔位置及铁塔高度，减少房屋拆迁量约6 500 m2。

2)采石场附近线路三维选线

利用采石场及输电线路的数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据，结合爆破飞石运行轨迹理论，实现爆破飞石运行轨迹三维模拟(见图6)，组建起一个集数字模拟、空间分析、影响评价于一体的输电线路与采石场安全距离的评价体系，充分考虑山体对爆破飞石的遮蔽效应，输电线路与采石场的避让距离可由500 m 缩小至280 m，从而合理优化了路径长度及转角塔数量。

图6 爆破飞石飞行轨迹三维模拟

4.2 杆塔排位及杆塔规划

充分利用三维数字化设计系统二、三维场景联动设计功能，能够做到三维地理信息实时分析、线路路径方案实时调整、二三维平断面杆塔布置实时校验(见图7)，提高了线路设计排塔定位的工作效率。

图7 二、三维协同排位

利用三维数字化设计平台进行杆塔排位成果，进行杆塔使用条件的统计分析。综合考虑线路走廊、防风偏、防雷性能、结构布置、美观等因素，直线塔采用“3V 串”布置，为解决大风区因V 串夹角大带来的电气间隙问题，悬垂塔设计为雁翅形状拱形横担，造型灵动优美，与常规平横担相比，层高降低0.4 m，走廊宽度减小27.5%，电气间隙紧凑、结构受力合理。杆塔规划及建模计算成果如图8 所示。

图8 杆塔规划及三维建模成果

4.3 杆塔结构优化

针对本工程属于台风多发区的特点，塔身变坡以下增加两处横隔面(见图9)。无横隔面方案塔身段4 阶模态为交叉斜材局部振动，增加横隔面方案前4 阶模态没出现局部振动，可以看出增加横隔面可有效避免局部振动及变形，提升杆塔抗风承载力和变形能力。

图9 增加塔身横隔面前后示意图及模态对比

4.4 基础选型及优化

1)新型复合式基础

针对山地比例大，塔位常遇到上部为土层、下部为坚硬岩石层情况，以往设计中，没有考虑土层—岩体与基础的共同作用机理，按传统方法采用单一基础型式进行设计，存在经济性和可靠性上的不足。

图10 山区段三维地质模型

图11 掏挖锚杆复合基础计算模型及位移云图

2)螺杆桩基础

变电站出线终端地质条件为素填土、粉质粘土、砂质粘性土地质，采用螺杆桩基础。变电站出线段螺杆桩计算模型如图12 所示，螺杆桩复合地基由螺杆桩和褥垫层组成，螺杆桩成桩过程挤压桩周土体，提高了桩周土体的强度，螺杆桩上部圆柱段分担了下部螺纹段的荷载，减少了桩长，与常规灌注桩基础相比可减少混凝土方量约30%。

图12 变电站出线段螺杆桩基础模型

4.5 重要交叉跨越校验

可研路径方案在连续跨越两条500 kV 线路时从被跨线路杆塔的塔头上方跨越，这将使跨越塔的呼高增高，且跨越档档距较大，不利于带电施工封网跨越。在三维真实场景中，对区域附近地形、跨越线路及周围设施进行分析，对跨越点进行优化(见图13)，避免跨越原线路塔头，且使跨越交叉角度更大、使档距分布更加合理，跨越塔呼高由81 m 降低至60 m，经济效益显著。

图13 跨越500 kV线路区段跨越点优化

4.6 电气间隙三维校验

利用三维铁塔模型，采用三维“间隙球”“间隙柱”的方式，展现导线及绝缘子串在静止状态和风偏摆动状态下的真实空间姿态，实现电气间隙自动校验，如图14 所示。有效的解决了山区工程设计中大高差条件下跳线对铁塔间隙、导线小弧垂对铁塔间隙等电气间隙校验的技术难题。

图14 跳线三维“间隙柱”电气校验

4.7 碰撞检查和连接校验

如图15 所示，利用金具三维组装系统实现对金具串的组装，系统可以自动进行碰撞实验、判断能否连接并进行强度校核。杆塔放样后可在三维模型上直观体现塔材之间、螺栓与塔材、螺栓之间的碰撞。基础三维模型可校核基础地脚螺栓或插入角钢与杆塔模型能否正确组装，校验地脚螺栓和钢筋的碰撞。通过三维碰撞校验可大大节省人工校验的时间，提高效率约25%。

图15 三维碰撞检查和连接校验

4.8 线路通道清理设计

线路通道清理设计主要包含了房屋拆迁图设计和林木砍伐图设计，利用倾斜摄影数据结合测量专业现场补充调查的信息进行房屋、林木实景进行参数化建模(房屋位置、房屋面积、林木位置、林木种类、林木高度等)。

通过系统对实景模型的建立，可以在指定走廊宽度内进行房屋面积量测、统计，利用我院自主研发的房屋信息处理系统全自动生成房屋拆迁分布图、一户一卡图，如图16 所示。

图16 通道内房屋及自动生成的房屋分布图

山区地形起伏较大，同时受档距和弧垂影响，线路风偏时档距中央偏离线路中心最远而塔身处偏离最近，导线实际影响范围的水平投影为纺锤形状，传统二维平面难以绘制林木风偏砍伐断面。在三维场景中，把导线悬链线投影离散为多边形，并给出各个点的坐标，自动计算导线风偏与林木的位置关系确定砍伐范围并对树木砍伐进行自动判断和统计。

山区导线风偏及纺锤形砍树示意如图17所示。

图17 山区树木三维实景及砍伐示意图

纺锤形砍树方案减少了10%～20%的林木砍伐量，节省了工程投资。既保障了线路安全运行，又保护了生态环境。

4.9 辅助环水保设计

通过高精度地理影像，利用三维数字化设计平台，真实还原原始地形和地貌，可准确进行全方位长短腿和不等高基础的配置，同时边坡三维设计能充分考虑水保措施与原状地形的贴合，如图18 所示。实现了塔基环水保设计由传统的粗放式变为精细化设计，最大程度减小工程建设对生态环境的扰动。

图18 三维辅助设计塔基护坡

4.10 辅助施工组织设计

利用输电三维数字化设计平台构建的三维环境，结合现场踏勘情况，在平台进行临时道路绘制，区分道路修筑、道路拓宽、道路硬化等不同修筑方案，满足施工机械道路需求，减少临时道路修建量。通过数字化平台，结合地形和牵张分段，初定牵张场位置，并采用三维手段进行精细化布置，如图19 所示。

图19 施工道路分布图及牵张场三维布置

5 结语

充分发挥三维可视化优势，弥补传统二维设计在工程路径优化、杆塔排位及杆塔规划、杆塔结构优化、基础选型及优化、重要交跨校验、电气三维校验、碰撞检查、通道清理、辅助环水保设计等方面的不足，有效提高设计质量。

虽然目前相对于传统二维设计，还存在着模型构建工作量大、缺乏配套的数字化设计技术和质量管理体系、设计辅助工具与平台兼容性不强、对设计人员要求高等问题，但随着数字化技术的深入探索和广泛应用，其技术优势和潜在价值将得到充分发挥，实现环境友好型、资源节约型的高端数字化输电线路设计目标，为智能化电网建设和管理打下坚实的基础。