《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告

《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第1页共49页《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告厦门电业局福州大学土木工程学院2006年12月输电线路铁塔加固纠偏技术研究鉴定资料之二《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第2页共49页1.问题的提出随着我国经济建设的蓬勃发展，电力工业作为我国的一项基础产业业，其发展速度的快慢直接影响制约着其它工业的发展。高压架空线路是构成电力系统必不可少的重要组成部分，是电力系统中电能传输、交换、调节和分配的主要环节。通过高压架空线路可以进行电力系统间的联网，提高系统的安全性、可靠性以及稳定性．使各种能源能够得到充分利用。输电铁塔作为电力输送的支柱，约占线路总投资的40％左右，所占的比重很大，它的安全性和信赖性受到现代社会的日益关注。近年来，以大城市为中心的电力需求急剧增加，而火力、水力和原子能等大规模的发电设备都远离都市，特别是在我国“北电南送”、“西电东送”的格局下，高电压、大容量输电线路的建设成为社会发展的必然。因此，铁塔在电力能源的传输中起着举足轻重的作用，它的结构强度、力学性能会直接影响到整个电力系统的安全和经济运行。自1980年我国第一条500kV平武输电线路投入运行以来，500kV线路已逐步成为各大电力系统的骨架和跨省跨地区的联络线。随着装机容量、电压等级的提高，对铁塔性能的要求也越来越高，而一旦遭受破坏，短时间内又难以恢复，给国民经济带来了巨大的损失，人民生活受到严重影响。据新浪网新闻中心新华通讯社报道，2000年7月21日凌晨，在吉林省．东北电网10座500kV高压输电铁塔因遭龙卷风、大暴雨和冰雹侵袭《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第3页共49页发生倒塌。1999年9月21日，在台湾地区，发生6.8级大地震，造成345kVM高压输电铁塔大规模损坏。2001年4月3日晚间，在美国加州，一场暴风雨摧毁了太平洋电网的6个输电铁塔，输电干线被迫中断。铁塔作为高压输电线路的一项重要组成部分，其功能主要是用来支持导线、避雷线以及其它附件，使导线、避雷线保持一定的安全距离，并使导线对地面、交叉跨越物或其它建筑物保持允许的安全距离。铁塔承受的载荷主要包括：导线自重、风载、覆冰等的作用以及年平均气温的影响。而且在一定的风力作用下，导线会发生稳定的风致微幅振动，从而激励塔身振动，严重时会引起铁塔破坏。在这些载荷条件下，铁塔都应该保证有足够强度而不致被破坏。另外，对于一些特殊的工作条件，比如导线断裂，此时铁塔是否具有足够的强度来防止由于断线引起更进一步的严重破坏也是考核铁塔性能的一个重要指标。随着输电电压等级的提高，铁塔的体积越来越庞大，重量也越来越重。目前我国己经有很多地方建成500kV的输电网，并且电压等级还在进一步提高，多回路、多分裂导线铁塔以及山区、过江等大跨越巨型铁塔的使用进一步提高了对输电铁塔的要求。按照铁塔在线路中的位置和作用不同，可以分为直线塔（z）、跨越塔（K）、耐张塔（N）、转角塔（J）、终端塔（D）、换位塔（H)和变电构架等。按照铁塔结构、形状、特点来分，《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第4页共49页常见的有酒杯型铁塔（B）、猫头型铁塔（M）、干字形铁塔(G）、丰子型铁塔（F）等。按材料来分．有角钢钢板螺栓铁塔和钢管焊接螺栓铁塔等。在我国，大多数采用角钢钢板螺栓铁塔，其构造主要采用角钢、钢板等部件制仁作，用螺栓联接组合而成，局部采用少量焊接件，基础座板采用电焊焊接，塔上部件一般都采用热浸镀锌防腐。总体结构上，自立式角钢塔的主体结构为构架型，主要有如下几个特点：（1）铁塔的主材通常采用较大型号的角钢，并且主材通常不打断，而只在联接处打螺栓孔用螺栓或者联接板联接。（2）斜材、辅材及横隔材采用较主材型号小的角钢，两联接端之间为一小段独立的角钢。（3）铁塔的塔脚处通常用螺栓与塔脚板联接，并与地基相连。（4）构成铁塔构件（角钢）的长细比较大。（5）各个角钢联接处通常采用联接板（也有直接联接在主材上）用一个或者多个螺栓联接。（6）主材、斜材及横隔材通常是受力材，将载荷从它们的施加点处往下传到铁塔的基础上，而辅助材是用来提供受力材的中间支撑。厦门电业局所辖110KV钟贞Ⅰ、Ⅱ回＃10塔位于海沧出口加工区内，该塔基地质条件比较复杂，在运行过程中地基发生《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第5页共49页不均匀沉降，造成铁塔严重偏斜，经监测显示基础沉降和铁塔偏斜有进一步发展的趋势。如不及时处理，铁塔基础的稳定性将遭受破坏，存在倒杆断线的重大事故隐患，直接威胁海沧地区的安全供电。如按常规做法另选塔位进行线路改建，存在110kV贞庵变全站停电影响周边地区正常供电的问题，而且该塔所处地形特殊，前为水渠、后为公路，难以选择新铁塔基础位置。为解决上述问题，决定组织进行技术攻关，在不影响线路正常供电的情况下，进行铁塔基础原位加固纠编。本项目的提出是受建筑物纠偏的启发，但因为架空线路的材料、结构、受力情况及基础形式与普通建筑物不同，最关键的是要保证纠偏过程中不能中断供电，因此难度很大，但是经过咨询有关专家并经多次现场勘察及论证，课题组人员认为借鉴建筑物加固纠偏理论和技术并充分考虑电力线路铁塔的特殊性，项目是可行的。据了解，目前省内尚未进行该项技术研究，国内少见在输电线路铁塔中采用这类技术的报道，但是开展不停电铁塔纠偏是大势所趋。该项目的成功研究将有效解决输电线路铁塔由于基础沉降造成的偏斜缺陷，提高电网供电可靠性，有很好的推广应用前景。《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第6页共49页2.项目研究方案简介2.1项目研究目标结合厦门电业局所辖110KV钟贞Ⅰ、Ⅱ回＃10倾斜电塔加固纠偏工程，深入研究输电线路倾斜铁塔加固纠偏关键技术，提出输电线电路铁塔加固纠偏成套技术，为输电线路倾斜铁塔原位在线加固纠偏提供技术支持。2.2项目研究内容输电线路倾斜铁塔加固纠偏设计计算方法研究；输电线路倾斜铁塔加固纠偏顶升结构优化设计；输电线路倾斜铁塔加固纠偏信息化施工控制技术。2.3技术关键运用现代数值分析手段，分析倾斜铁塔健康状况和加固纠偏过程应力状况，提出输电线路倾斜铁塔加固纠偏设计计算方法；结合工程实际和现场试验，提出输电线路倾斜铁塔信息化施工控制技术。2.4预期成果输电线电路铁塔加固纠偏成套技术在不断电的条件下实施铁塔基础原位加固纠偏，社会经济效益显著；所提出的输电线电路铁塔加固纠偏成套技术，可为输电线路倾斜铁塔原位在线加固纠偏提供技术支持。2.5项目创新点采用有限元技术分析倾斜铁塔健康状况和纠偏过程塔身应力变化，完善铁塔加固纠偏设计计算方法；结合工程实际，优化顶升结构设计，确保铁塔加固纠偏达到《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第7页共49页预期目标；研究铁塔加固纠偏信息化施工控制技术，确保加固纠偏过程铁塔绝对安全。2.6项目依托工程概况已建的110KV输电线路铁塔位于厦门市海沧出口加工区内，该塔在运行过程中，地基发生不均匀沉降，变形观测结果分别见表1。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ腿相对Ⅳ腿出现不均匀沉降，并有进一步发展的趋势。塔身倾斜现状见图1，基础平面与钻孔布置见图2。图1铁塔倾斜现状《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第8页共49页基础Ⅲ基础Ⅱ基础Ⅰ基础ⅣZK1ZK3ZK2图2电塔基础平面与钻孔布置表1基础不均匀沉降观测结果测量位置与Ⅳ腿相差值（mm）Ⅰ腿-37Ⅱ腿-133Ⅲ腿-117Ⅳ腿02006年1月对铁塔场地进行岩土工程补充勘察，钻孔地质剖面见图3，各土层特征分述如下：a)素填土①：浅黄色、褐灰色，稍湿-湿，结构松散，填料成分以粉质粘性土为主，底部为原塔施工时换填的中砂，属新近回填而成，该层在场区均有揭露，厚度5.80～6.80m；b)淤泥②：呈灰黑色，湿，流塑状，触变、污手，含些腐殖《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第9页共49页质，具腥臭味；该层在Ⅳ腿附近缺失（ZK3孔未揭露），其埋深5.80～6.50m，厚度2.10～3.20m；c)粉质粘土③：褐灰色、青灰色，呈可塑～硬塑状，成分以粘、粉粒为主，砂砾含量为10%左右，粘性强，属冲洪积而成；该层在场区均有揭露，其埋深6.80～9.00m，厚度7.80～10.10m；d)残积砂质粘性土④：系花岗岩风化残积而成，呈浅黄色、褐黄色、灰白色，湿，可塑状～硬塑状，主要由长石风化的粘粉粒、石英砂粒及少量云母碎屑组成，石英砂粒含量约15%，具遇水易崩解、软化的特点；该层在场区均有揭露，其埋深16.80～17.00m，揭露厚度1.15～3.15m，属中等压缩性土，工程性能较好。8.420.15ZK1素填土淤泥粉质粘土残积砂质粘性土6.5020.158.6017.009.0016.908.4013.155.8018.056.80残积砂质粘性土粉质粘土淤泥素填土ZK218.5518.05ZK310.4孔距(m)图3钻孔地质剖面（单位：m）《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第10页共49页3.既有建筑物纠偏加固机理3.1既有建筑物基础加固托换技术既有建(构)筑物地基加固与基础托换主要从3方面考虑：一是通过将原基础加宽，减小作用在地基土上的接触压力。虽然地基土强度和压缩性没有改变，但单位面积上荷载减小，地基土中附加应力水平减小，可使原地基满足建筑物对地基承载力和变形的要求。或者通过基础加深，虽未改变作用在地基土上的接触应力，但由于基础埋深加大，一者使基础置入较深的好土层，再者加大埋深，地基承载力通过深度修正也有所增加。二是通过地基处理改良地基土体或改良部分地基土体，提高地基土体抗剪强度、改善压缩性，以满足建筑物对地基承载力和变形的要求，常用如高压喷射注浆、压力注浆以及化学加固、排水固结、压密、挤密等技术。三是在地基中设置墩基础或桩基础等竖向增强体，通过复合地基作用来满足建筑物对地基承载力和变形的要求，常用锚杆静压桩、树根桩或高压旋喷注浆等加固技术。有时可将上述几种技术综合应用。3.1.1基础加固技术有许多既有建筑物或改建增层工程，常因基础底面积不足而使地基承载力或变形不满足规范要求，从而导致既有建筑物开裂或倾斜；或由于基础材料老化、浸水、地震或施工质量等因素的影响，原有地基基础已显然不再适应，一般常用基础加宽托换，以增大基础支承面积、加强基础刚度、或增大基础的《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第11页共49页埋置深度等。通常采用混凝土套或钢筋混凝土套加固。当采用混凝土套或钢筋混凝土套时，应注意以下几点施工要求：基础加大后刚性基础应满足混凝土刚性角要求，柔性基础应满足抗弯要求；为使新旧基础牢固联结，在灌注混凝土前应将原基础凿毛并刷洗干净，再涂一层高标号水泥砂浆，沿基础高度每隔一定距离应设置锚固钢筋；也可在墙脚或圈梁钻孔穿钢筋，再用环氧树脂填满，穿孔钢筋须与加固筋焊牢；对加套的混凝土或钢筋混凝土的加宽部分，其地基上应铺设的垫料及其厚度，应与原基础垫层的材料及厚度相同，使加套后的基础与原基础的基底标高和应力扩散条件相同和变形协调；对条形基础应按长度1.5～2.0m划分成许多单独区段，分别进行分批、分段、间隔施工，决不能在基础全长挖成连续的坑槽和使全长上地基土暴露过久，以免导致地基土浸泡软化，使基础随之产生很大的不均匀沉降。当原基础承受中心荷载时，可采用双面加宽；当原基础承受偏心荷载，或受相邻建筑基础条件限制，或为沉降缝处的基础，或为了不影响室内正常使用时，可在单面加宽原基础；亦可将柔性基础改为刚性基础；也可将条形基础扩大成片筏基础。3.1.2坑式托换加固若根据验算原地基承载力和变形不能满足规范要求时，除了可采用基础加宽的托换方法外，尚可将基础落深在较好的新持力层上的坑式托换加固方法，也称为墩式托换。《输电线路铁塔加固纠偏技术研究》技术报告第12页共49页坑式托换基础施工步骤：在贴近被托换的基础侧面，由人工开挖一个长×宽为1.2m×0.9m的竖向导坑，并挖到比原有基础底面下再深1.5m处；再将导坑横向扩展到直接的基础下面，并继续在基础下面开挖到所要求的持力层标高；采用现浇混凝土浇筑已被开挖出来的基础下的挖坑体积形成墩子