巴西美麗山特高壓輸電線路托坎廷斯河大跨越塔設計施工技術

文｜中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司 邵國棟

0 引言

輸電線路有時需要跨越大江大河或海峽港灣，由于跨越寬闊水面的跨距大，并且河流或海峽的通航要求常造成跨越塔比普通塔高很多，造成跨河段輸電線路需要進行特殊設計。一般而言，跨距超過1000m，跨越塔高度超過100m，需特殊設計的輸電線路稱為大跨越輸電線路。大跨越的設計氣象條件比一般線路嚴格，對安全的要求也比一般線路高，工程量大且施工周期長。一處大跨越輸電線路工程的單公里投資比一般輸電線路高數倍到數十倍。因此，在大跨越輸電線路工程中必須作廣泛、深入、細致的工作，優化設計，同時推廣應用新技術、新工藝和新設備。選擇合適的設計和施工方案可以顯著降低工程投資并縮短工程施工工期，創造顯著的經濟和社會效益。

巴西美麗山特高壓二期輸電線路托坎廷斯河跨越工程，是典型的熱帶雨林地區河網沼澤地區大跨越工程，其所跨越的托坎廷斯河是巴西第二大河，氣候為熱帶高原氣候，雨季持續時間長、降雨量大，交通不便，施工難度大。主河面寬1102米，主河兩側為寬度約300米的河網沼澤區，水面深度2米左右，大型機械難以施展。因此，提出合理的組塔方法尤為重要。

本文分別從設計和施工方面介紹了巴西美麗山托坎廷斯河大跨越工程的設計和施工方案。介紹了大跨越輸電塔風振系數取值方法，基礎變形對大跨越輸電塔內力影響的分析方法以及開展風荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力計算方法。施工方面介紹了采用的附著式輕型抱桿系統以及漂浮式水上施工平臺，為國內外輸電線路工程的建設提供參考

1 工程概況

巴西美麗山±800kV特高壓直流輸電二期工程是世界第四大水電站，同時也是巴西第二大水電站—美麗山水電站（裝機1100萬千瓦）的電力送出工程，是海外建成的電壓等級最高、輸電容量最大、送電距離最遠的輸電工程。工程由中國國家電網公司巴西控股公司投資建設，中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司巴西公司EPC總承包，線路全長2539公里，將亞馬孫河流域的水電輸送到東南部的里約熱內盧負荷中心，可解決當2200萬人口的用電需求。該工程是中國特高壓走出去的重點工程，中央企業服務和參與“一帶一路”建設的重要成果，中巴基礎設施領域合作的典范，對促進優勢產能國際合作與互利共贏具有重要意義。

圖1 巴西美麗山特高壓直流輸電線路二期托坎廷斯河跨越工程

該工程跨越設計采用耐-直-直-直-直-耐的形式進行河面跨越，跨越耐張段總長達3882m，跨越檔檔距1136m，跨越直線塔塔高160.5米，重量184.7噸。跨越段所在地區具有很強的風力帶，大跨越鐵塔及導地線受風力影響尤為明顯，國內外輸電鐵塔設計規范中，對鐵塔、導地線分別考慮，僅把導地線的風荷載等效為靜力荷載施加在鐵塔上。事實上，由于輸電線具有較強的幾何非線性，大跨越輸電塔-線體系在脈動風荷載作用下表現出復雜的振動特性，兩者具有很強的耦合性。而國內外關于風荷載下大跨越輸電塔-線體系的動力特性及整體風洞試驗研究較少，難以指導大跨越輸電塔在強風荷載作用下的工程設計。由于河兩岸是大片河網沼澤叢林地帶，水位旱雨兩季變化明顯，地基承載力差易產生沉降等原因，跨越施工困難非常大。（如圖1）

2 大跨越鐵塔設計方法

2.1 大跨越輸電塔風振系數取值方法

大跨越輸電塔是集高聳結構和空間桿系結構兩種特征于一體的風敏感結構體系，風荷載是大跨越桿塔設計的主要荷載。在風荷載作用下，大跨越輸電塔風振效應顯著。當塔高全高不超過60m時，風振系數可以按照全高采用統一數值。對國內特高壓工程而言，當桿塔全高超過60m時，風振系數一般按照我國特高壓桿塔設計原則進行分段取值。橫擔取值最大，塔身不同高度處取值不同，上部取值大于下部取值。目前國內特高壓線路工程風振系該取值方法整體偏于保守，也存在局部風振系數取值偏小的問題。本工程跨河塔全高160.5m，采用隨機振動理論計算風振系數，并采用時域方法進行驗證，有效降低風振系數取值。與傳統方法相比，降低塔重9.7%。

2.2 基礎變形對大跨越輸電塔內力的影響分析

本工程采用的基礎類型為高樁承臺基礎，在基礎作用力的水平力作用下，易發生水平位移，有必要研究基礎水平位移對大跨越輸電塔內力的影響。采用ABAQUS有限元分析軟件，建立輸電塔-高樁承臺-樁-土的精細化有限元分析模型，分析基礎變形對大跨越輸電塔內力的影響，研究輸電鐵塔承受基礎變形的能力，指導大跨越輸電鐵塔及基礎的施工。

2.3 利用P-Y曲線法，分析二階效應對樁基的影響

m法是一種線彈性地基反力法，假定土體的抗力系數隨深度而線性增加；P-Y曲線法是復合地基反力法的一種，假定土體下樁身的變形與作用在樁身的土抗力呈非線性關系，樁在土體下的內力和變形可采用P-Y曲線的無量綱迭代法或有限差分法進行計算。采用m法計算群樁基礎的內力和變形，并對樁基礎進行設計和校核；采用p-y曲線法計算群樁基礎的內力和變形，并與試驗結果對比，驗證該方法的合理性；對比分析m法和p-y曲線法計算群樁基礎受力和變形的規律和差異，并給出合理值。分析二階效應對樁基的影響，以及基礎變形對大跨越輸電塔內力的影響。

2.4 風荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力分析

大跨越鐵塔常受強風荷載的作用而影響線路的安全運行，采用風場模擬技術對大跨越鐵塔的風振響應進行研究，可有效剖析強風荷載作用下大跨越鐵塔的受力狀態，進而進行有針對性的優化。

輸電塔是一種柔性結構，風荷載是其主要動力荷載。由于輸電線具有較強的幾何非線性，在風荷載作用下這種結構表現出復雜的振動特性。建立大跨越輸電塔-線耦合體系模型，在強風荷載作用下，對比分析不同攻角下大跨越輸電塔簡化模型和大跨越輸電塔-線耦合體系模型的風振反應；研究在不同攻角下風致大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力，給出最不利分析工況，并確定大跨越輸電塔的薄弱部位，進行有針對性的補強。

通過風洞試驗和建立大跨越輸電塔-線體系，研究強風荷載作用下大跨越輸電塔的受力狀態和風振響應，在確保特高壓大跨越輸電線路運營安全的前提下，對大跨越鐵塔進行合理優化，降低大跨越輸電塔的塔重，減少工程投資，并為今后大跨越工程的建設提供借鑒和指導。

3 大跨越鐵塔施工方法

針對現場實際環境，克服優化其在淺水沼澤區的不易移動及承載穩定性問題。結合現有起重吊臂、河道清理設備并進行設計改造，考慮組塔施工、打樁施工等作業工況，基于作業過程中動態穩定性分析方法，研究集水中清淤、物料吊裝運輸于一體的水上漂浮式綜合施工平臺，保證平臺作業過程中的安全性。

以目前現有吊裝設備為及鐵塔組立工藝為基礎，結合水上漂浮施工平臺，以受限空間作業面的鐵塔預組場地、吊裝設備選用及動力裝置布置、漂浮式施工平臺穩定性等為主要研究對象，通過施工機具裝備改造和組立工藝優化等方式，開展受限空間作業面超高鐵塔組立工藝研究及應用。

3.1 附著式輕型抱桿的豎立、固定

本工程研發了水上漂浮式綜合施工平臺，為鐵塔的組立提供了方便。底部一段塔材較重，施工中采用汽車起重機進行組裝。安裝完底部塔材后，將塔腿處的接地線與鐵塔可靠連接，在塔材頂端掛滑車。用鋼絲繩從頂部卸扣環內穿入，并與底部卸扣連接。利用這根鋼絲繩起吊抱桿，抱桿根部用留繩控制。

移動抱桿，使其靠近主材。然后牽引鋼絲繩，使抱桿沿主材內側提升。在掛滑車的主材上綁一根鋼絲繩，一側與主角鋼緊密連接，另一側成環形，同時在抱桿頂部向四面用鋼絲繩打好四根臨時拉線。繼續起吊抱桿，控制腰繩線的松緊度，控制抱桿頭傾斜。抱桿繼續起吊，當抱桿超過已組塔段6.5m時，對抱桿根部進行捆綁。（如圖2）

圖2 抱桿固定

3.2 附著式輕型抱桿的提升

在已組裝塔段的主材上端掛滑車，從該滑車穿過鋼絲繩，引向塔腿轉向滑車，提升鋼絲繩，使其一端與抱桿根部連接，另一端連接機動絞磨，并對其進行收緊。一道腰繩布置在已組塔主材上部水平橫材下方，套住抱桿并提升鋼絲繩。另一道腰繩固定在抱桿根部。利用浪風繩控制抱桿頭，機動絞磨牽引拉線繩，并對抱桿的垂直度進行調直，待承托繩不受力后，將其與塔身連接處松開。當抱桿提升至指定高度后，再按前述方法進行固定、綁牢。施工過程中，鋼管抱桿傾斜角度應嚴格控制在10°以內。（如圖3）

圖3 抱桿提升圖

3.3 塔材的吊裝

將機動絞磨的轉向滑車安裝在抱桿所在的塔腿對側或鄰側，機動絞磨與鐵塔距離應大于塔高的1.2倍。當吊重超過控制荷載要求時,需采取單根吊裝方式，水平材、斜材需在四根主材安裝完畢后，再進行安裝。塔身采取片吊的方式，大片塔材到位后，將其控制平穩，接近就位時，應減慢起吊速度。吊裝時應嚴格控制起吊重量，塔片重量超過限值時，應采用單根吊裝。（如圖4）

圖4 塔身吊裝圖

3.4 附著式抱桿的拆除

抱桿的拆除與提升操作步驟相反，在組立好的塔上部掛滑車，將鋼絲繩連接在抱桿底端，通過主材上部滑車引向地面機動絞磨。上部鋼絲繩穿過滑車后將其纏繞在抱桿上，然后用機動絞磨將牽引鋼絲繩收緊抱桿。鋼管抱桿在牽引系統的控制下，拆除根部的捆綁繩及承托繩，。一切準備就緒后,可通過機動絞磨放松鋼絲繩，逐步地對附著式抱桿進行拆除。

4 結語

在輸電線路大跨越工程中，采用全壽命周期理念，從設計源頭上做好結構方案，然后采用先進、適用的工藝、技術和裝備科學合理地組織施工，提高機械化水平，減少強度高、工序繁瑣的手工勞動。參考國內外大跨越工程鐵塔設計和施工方案，結合工程執行標準、施工環境、工藝方法，充分考慮安全可靠性，選擇最合適的設計方案和施工方法，建立和完善產品標準、工藝標準、工法等。

巴西美麗山±800kV特高壓輸電線路工程是“一帶一路”的典范工程，是中國特高壓技術“走出去”的重大成果。托坎廷斯河大跨越工程是境外第一個特高壓大跨越工程，為了解決工程建設的技術難題，同時在確保輸電線路運行安全可靠性的同時，降低工程造價，通過風場模擬程序可視化界面的實現與大跨越輸電塔風振系數研究，以及風荷載下大跨越輸電塔-線耦合體系極限承載力分析，并考慮基礎變形、二階效應對結構影響，完成了跨越鐵塔的結構設計，并結合鐵塔所處河網沼澤等周邊環境，選取附著式輕型抱桿安裝鐵塔，在施工裝備和技術短缺的情況下順利完成的大跨越的施工。本文分別從設計和施工方面介紹了巴西美麗山托坎廷斯河大跨越工程開展的研究和采用的方案，為國內外輸電線路工程的建設提供參考。