环境恶劣地区输电线路设计对策研究

鄢秀庆，何松洋，王健钟，刘洪昌，周建军

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

随着西南地区水电开发的不断深入和发展，电力送出走廊经过的地形复杂地区和气候恶劣地区也越来越多[1]。据统计，四川省内已投运的500 kV及以上电压等级的输电线路有16条线路共28处位于极其困难区域，线路总长为213 km； 2007年前投运的普洪三线共2处位于极其困难区域，线路长度为13 km；而2007年后投运的有15条线路共26处位于极其困难区域，线路长度为200 km。四川省内正在设计阶段的500 kV及以上电压等级输电线路有6条线路共8处位于极其困难区域，线路长度为150 km。根据四川水电开发及四川电网的规划，极其困难区域的线路还将大规模增长。因此如何降低此类输电线路的运行风险，提高线路安全运行的能力，减少运行维护的困难，并保证铁塔的安全可靠度，是亟待解决的难题，部分学者对恶劣环境下输电线路的环保措施和避雷措施等方面进行了相应研究[2-4]，但没有对恶劣环境下的输电线路结构设计进行系统的研究，缺乏成体系的设计对策。因此，本文从荷载取值、塔型选择、材料运输、防腐处理等四个方面进行分析总结，并提出相应的设计对策，为以后该类地区的设计提供参考。

1 环境恶劣地区输电线路设计难题

环境恶劣区域输电线路设计具有如下难点：

1)通道狭窄、立塔困难

根据以往工程经验，环境恶劣地区往往通道受限，场地十分狭窄，较常出现的地形包括孤山包、45°～50°陡峭边坡等，对于立塔和边坡及弃土处理都十分困难，如图1～图2所示。

图1 孤山包地形

图2 陡峭边坡

2) 重覆冰

在环境恶劣地区，重覆冰问题是十分突出和普遍的。经过2008年和2011年的冰灾后，逐步加强了冰厚的原始数据采集，并对重冰区的铁塔设计进行了改进，但由于覆冰随海拔、微地形、微气象条件的影响很大，所以要非常准确地确定覆冰厚度非常困难。因此在确定环境恶劣地区重覆冰情况下的铁塔荷载时，须特别注意这种覆冰荷载复杂性的影响，如图3～图4所示。

图3 重覆冰铁塔

3)高烈度地震

2008年汶川大地震震害结果表明：在高烈度地区的输电线路铁塔损坏情形中，杆塔和基础损坏主要原因是地震次生灾害导致的地基失效，主要表现为地震引起的塔位滑坡垮塌、山体裂缝、边坡垮塌、滚石砸坏杆塔、泥石流冲毁杆塔等，如图5所示。地质灾害直接导致铁塔基础发生不均匀沉降，进一步引起铁塔内力重分布，导致铁塔破坏，如图6所示。

图5 滚石砸断塔材

图6 不均匀沉降引发的塔材拉裂

此外，从施工角度而言，环境恶劣地区往往位于无人区，交通极为不便，塔材运输困难。从运行维护角度而言，一是地形陡峭，到达塔位难度大；二是无手机通讯，人身安全难以保障；三是事故后抢修极为困难。

2 环境恶劣地区输电线路设计对策

2.1 荷载取值及可靠度

结构构件承载能力极限状态的可靠指标[5-6]如表1所示。

表1 构件可靠度指标表

对于常规500 kV线路而言，其安全等级为二级，铁塔破坏一般属于延性破坏，因此可靠度指标β≥3.2即可。但是如前文所述，由于环境恶劣地区输电线路的外荷载的复杂性及特殊性，因此，安全等级应比常规线路高一个级别，取为一级，同时β≥3.7。

根据《建筑结构可靠度设计统一标准》[5]规定，对于安全等级为一级的结构，其重要性系数γ0取1.1。根据图7，γ0取1.1时难以满足可靠度要求，因此需提高重现期。根据图8可知，100 a重现期时，满足β≥3.7的要求。因此，在设计中，杆塔重要性系数应取1.1，基本风速、设计冰厚重现期应取100 a。

图7 重要性系数和可靠度指标的关系

图8 重现期和可靠度指标的关系

2.2 铁塔设计

2.2.1 设置多道传力途径

对于传力关键点及薄弱点，除应加强相应节点连接外，与其相连的其它杆件应留有适当裕度[7]，以保证主要构件受损时，其余构件能够分担部分受力，从而保证不发生更大的破坏，如表2所示。

表2 传力途径示意

2.2.2 增加铁塔抗冰能力

从2008年及2011年冰灾可知，导致铁塔覆冰倒塌的主要原因是覆冰过重导致的压坏和断线引发的扭转破坏。因此，一方面需要选择适当的冰厚进行计算，加强导地线的覆冰过载能力；另一方面，对于冰灾过程中易损坏的部位，如横担及地线支架根部与塔身的连接、横担与塔身相连处的隔面、强酒杯塔曲臂等应适当加强。

2.2.3 新型塔型的应用

除了加强铁塔自身可靠度外，加强铁塔与环境的适应性是环境恶劣地区的又一大课题。如前文所述，环境恶劣地区，部分地段地形恶劣，立塔困难，因此，本文总结了历年应用于环境恶劣地区的新型塔型，如表3所示。

表3表明，采用非常规的新型塔，虽然会增加部分投资，但是对于线路中部分关键节点的畅通起到了至关重要的作用，因此在环境恶劣地区推广是非常必要且有意义的。

表3 新型塔型的应用

2.2.4 塔材的选择

环境恶劣地区往往交通条件恶劣，运输十分困难，塔材宜采用较为轻便的角钢。角钢长度会影响单根构件的重量，对于运输的要求也不同，如塔材太长，则运输时要求的转弯半径更大[7-8]，对汽车及道路要求更高，费用也将增大。以川藏联网工程为例，对塔材开断进行比较，如表4所示。

表4 塔材不同开断方案技术经济比较表

由表4可知，当铁塔构件采用9 m开断后，在铁塔材料费用少量增加的基础上更多地减少塔材运输道路整治和维修费用，直接节约工程投资约570万，相对减少约0.43%，带来较大的经济效益；此外也可较大程度地解决施工运输问题。该方案已在川藏联网工程中实施，反响良好，因此，对于环境恶劣地区，塔材开断长度建议为9 m。

2.3 基础及防护设施

高烈度地震区域，影响线路正常运行的主要因素为地震引发的次生灾害。因此，对于此类地区基础及防护设施的设计，应注意塔位附近的危岩和塔位下方的临空面，必要时应采取清理临空面、增加防护网和抗滑桩等措施。此外，还应注意以下几点：

1)铁塔与基础的连接宜采用地脚螺栓方式，施工便捷，适应恶劣地质条件能力强，调节方便，事故抢修便利；

2)应建议用原状土基础，其土石方量最小，对地形和植被的破坏也最小，能充分利用原状土的特性，提高承载力；

3)弃土应运至不危及塔位安全的地方堆放；

4)塔位宜避开自然形成的排水通道。

2.4 运行维护措施

环境恶劣地区，往往检修维护困难，根据以往工程经验，可以采取以下措施：

1)杆塔构件规格尺寸不应出现负偏差，镀锌层厚度应比一般区段增加10 μm，采取此措施可以增强铁塔抗腐蚀能力，减少维护成本；

2)杆塔防卸螺栓应具有防松功能，除防卸螺栓外的其余螺栓应采用双帽防松。采取此措施可以减少因螺栓松动而增加的运维工作量；

3)加装在线监测装置，目前国内在线监测技术已经比较成熟，并在实际运行线路上取得了应用，可以有效减少人力检修工作量；

4)采用铝合金抢修塔。虽然考虑了足够的安全措施，但是仍难以保证100%的无故障率，一旦造成倒塔事故，可以采用铝合金抢修塔临时恢复供电。与传统钢材相比，铝合金桁架结构，重量轻，装运方便，同等截面承载力大，同时易加工，耐腐蚀，可以极大的缩短加工和运输周期。此外，抢修塔可以模块化制作，根据塔型的组成，迅速拼装，等抢修期过后，可以分段拆卸回收，以备下次再用，经济环保。目前，南网超高压公司已设计出500 kV线路全铝合金抢修塔系统，并制定了相应的使用原则和方法。

3 结论

本文分析了环境恶劣地区线路特点，从荷载可靠度、铁塔设计、基础设计及运行维护等四个方面提出了相应的设计对策，根据这些对策，工程中能够较好地应对恶劣环境的影响，主要研究结论如下：

1)分析了环境恶劣地区线路设计的难点，主要包括：地线陡峭或狭窄，立塔困难；覆冰荷载十分复杂；高烈度地震容易引发次生灾害；交通不便，运输困难；运行维护困难等。

2)为提高环境恶劣地区杆塔可靠度，可取β≥3.7，建议覆冰及风速重现期取值为100 a，结构重要性系数取1.1。

3)为提高铁塔抗外荷载能力，建议增加铁塔多重传力途径和加强抗冰构造措施。

4)为提高铁塔对环境恶劣地区地形的适应能力，推荐采用倾斜钢架、垂直钢架、门型塔和窄基塔等新型塔型。

5)为方便环境恶劣地区塔材运输，建议塔材采用角钢型式，开断长度可取值为9.0 m。

6)为减少高烈度区域次生灾害对铁塔的破坏，建议了相关的基础及防护措施，包括铁塔与基础采用底脚螺栓连接，基础建议采用原状土基础。

7)为减少运维工作量，从铁塔防腐、螺栓防松、在线监测及抢修塔的设计等方面进行了研究，并推荐了可行的方案。