风灾现场配电杆塔基础模块化快速组装技术研究

风灾现场配电杆塔基础模块化快速组装技术研究

李振嘉 ,王健 ,李衍川 ,谢芸 ,张延辉

国网福建省电力有限公司电力科学研究院  福建福州350000

摘要:近年来台风造成沿海地区配电线路杆塔倒断杆的灾损现象较为突出，其中倒杆占到灾损杆塔的一半以上，其反映出杆塔的基础抗灾能力不足，而实际工程设计和施工往往对基础不够重视。同时配网的倒断杆造成配电线路抢修困难，抢修工期较长，严重制约供电可靠性的提升。为解决上述问题，本课题首先考虑在满足现场配送和施工便捷性的基础上，研究配网典型灾损场景下的杆塔快抢快建设计方案，提出应用于不同场景下的模块化快抢快建基础，同时提出了灾害情况下的配网应急复电策略与应急装备配置原则。

关键词：基础模块化；快抢快建；机械化施工；应急复电

1.概述

1.1研究背景及意义

国网公司提出配网抢修抢建要按照“先进性、专业化、标准化、系列化”的总体要求，创新设计方法，创新装备研发，实现全过程、系列化技术成果。

福建省是气象灾害多发省份之一，对福建造成的灾害重而又常见的主要是台风、暴雨洪涝、大风等，台风造成的直接经济损失约占54%，暴雨洪涝造成的直接经济损失约占32%。其中强风暴雨导致电杆倒塌倾覆、导线断裂，从而造成大范围停电，为最大限度的减小损失、及时恢复送电，并要求在最短时间内完成灾害现场的电网抢修抢建，根据配网抢修抢建的时效性及灾害现场环境的复杂化，对抢修抢建工器具的配置提出了高要求，客观要求抢修抢建工器具必须具备轻量化、多功能化、机械化的特点。

本项目示范单位福建公司坚持“先复电后抢修”理念。对停电的生命线工程、重要用户及时提供临时电源，优先保障医院、供水、交通等民生用电。开展“一户一方案”编制，逐年增配应急供电装备，按照“先低压、后高压”、“先城市、后农村”的原则，优先推行发电机供电、低压柔性电缆短接供电，逐步实施移动箱变车就近取电、高压柔性电缆旁路供电，缩短用户故障停电时间，努力“让灯先亮起来”。

1.2国内外研究现状

目前，城市电网供电应急抢修技术主要探索当各种内外部因素导致的电力网络设备故障停运从而造成用户供电中断时（如台风造成的电网大面积停电事故），紧急进行修复和恢复供电所采取的技术手段。现有研究主要集中在面向灾害下的供电应急抢修指挥和关于应急抢修资源的最优调配方面，如朱广弘提出的电网施工企业电网抢修应急组织管理研究，孟俊姣提出的基于任务的配电网抢修资源配置与调度研究，张晶等提出的灾后配电网多故障抢修实时调整策略研究等。但实际在灾害抢修的现场，往往依靠“人海战术”，抢修人员机械化装备配置不足、施工技术原始落后，抢修抢建水平不高，同时针对重要用户的应急复电策略和方案也缺乏系统性地研究，如刘平等根据客户类型及客户停电敏感度指数的确定，介绍了不同停电时段处于高、中、低3个停电敏感度等级的客户类型，分析了2种判断应急抢修方式的方法，阐述了与客户所处时段的停电敏感度等级相对应的应急抢修策略，但研究内容偏理论，未明确提出针对不同网络接线的重要用户，推荐选优的最优供电策略。2.风灾现场配电杆塔基础模块化快速组装技术研究

2.1基础模块化快速组装技术

2.1.1 复合材料套筒式基础

2.1.1.1设计目标

复合材料轻型基础，在满足水泥电杆基础荷载要求的基础上，由于其预制好的组件重量轻可满足人力搬运，能做到现场人力的快速组装，避免常规混凝土养护所需的时间周期，可用于灾害环境下的快速抢修和快速建设和日常的建设。

2.1.1.2设计理念

在沙土地或淤泥等软弱土地质条件下的快速抢修，现浇混凝土电杆基础需要在施工现场支模、浇注混凝土、养护等多道施工工序，才可架线通电。其抢修周期较长，并存在工序复杂的缺陷。

复合材料轻型基础弥补了配电网架空线路位于沙土地或淤泥地等软土地段带来的不足，避免常规混凝土养护所需的时间周期。

2.1.1.3设计成果

复合材料轻型基础为组装式基础，包括复合材料外筒、复合材料内筒、复合材料卡垫、复合材料轴，均采用复合材料结构。复合材料轻型套筒安装好后，将电杆立入复合材料内筒，然后在复合材料内筒与电杆夹缝中填满石粉，电杆即刻可架线、通电，最后在复合材料外筒与复合材料内筒的缝中灌入混凝土。当电杆受到外部荷载的作用时，复合材料套筒基础可抵抗电杆侧向倾覆力矩及竖向荷载。

复合材料轴对穿过复合材料外筒与复合材料内筒，并用销钉固定卡紧。其作用是防止电杆架线产生竖向荷载使电杆下沉，电杆立入复合材料内筒，在复合材料内筒与电杆夹缝中填满石粉。当电杆受到强风断倒后，可将损坏的电杆拔出，再立新电杆，节省新立电杆制作基础的成本及时间。

复合材料外筒、复合材料内筒、复合材料卡垫三者是通过螺杆固定连接。复合材料卡垫有螺杆槽，当复合材料轻型基础灌入混凝土后，不用拆除螺杆就可将复合材料卡垫取出回收，可循环使用。

2.1.1.4基础特性

表2-1 套筒基础与传统基础的性能对比

2.1.2 带翼板的复合材料套筒式基础

2.1.2.1设计目标

带翼板套筒式复合材料基础，能防止特殊地质条件下的杆塔倾覆，该基础包括套筒基础本体和上部的翼板两部分，套筒和翼板的结合既能有效抵抗杆塔倾覆又能防止杆塔在软质地基下的沉降问题。

2.1.2.2设计理念

配电网架空线路在经过沙土地或淤泥等软弱土地质条件下存在地基承载力较低，在强风的作用下引起杆塔倾覆和杆身自重及导线重量的作用下引起杆塔下沉，容易造成运行过程中的安全隐患。

因此提出在淤泥地等软弱地质下能防止杆塔倾覆的带翼板的套筒式复合材料基础的制作方法。

2.1.2.3设计成果

带翼板的套筒式复合材料基础为组装式基础，包括复合材料外筒、复合材料内筒、复合材料卡垫、复合材料轴、复合材料支架、复合材料翼板，均采用复合材料结构。带翼板复合材料轻型套筒安装好后，将杆塔立入复合材料内筒，然后在复合材料内筒与杆塔夹缝中填满石粉，杆塔即刻可架线、通电，最后在复合材料外筒与复合材料内筒的缝中灌入混凝土。

复合材料卡垫具有弹性特征，通过螺杆松紧调节，使得复合材料卡垫与复合材料外筒、复合材料内筒接触面紧密贴合。复合材料轴对穿过复合材料外筒与复合材料内筒，并用销钉固定卡紧。其作用是防止杆塔架线产生竖向荷载使杆塔下沉。

复合材料外筒与复合材料内筒的缝中灌入混凝土时，当混凝土即将灌满时，应将上层的复合材料卡垫取出，再继续灌满混凝土。混凝土充分包裹套筒间的复合材料支架，使其与基础连结成一个整体，杆塔立入复合材料内筒，在复合材料内筒与杆塔夹缝中填满石粉。当杆塔受到强风断倒后，可将损坏的杆塔拔出，再立新杆塔，节省新立杆塔制作基础的成本及时间。

复合材料翼板是由多片复合材料板组合成圆环型结构，并用螺丝与复合材料支架、复合材料支架锁紧。复合材料支架的结构由复合材料翼板的大小及片数确定，复合材料支架起到连接多片复合材料板并组合成圆环型结构。

2.1.2.4基础特性

表2-2 带翼板的复合材料套筒式基础与传统基础的性能对比

2.1.3 窄基塔装配式基础

2.1.3.1设计目标

配电网工程建设中，窄基塔基础施工目前一般采用现场浇筑施工。长期以来，这种粗放型作业方式是造成土建工程施工周期长、质量参差不齐且对环境影响较大的主要原因，无法满足工程建设行业的发展趋势和国网公司“两型一化”的工程建设理念。

因此提供对原台阶基础采用“分体组合”方式来解决上述问题。

2.1.3.2设计理念

装配式基础的设计过程中，我们着重从两方面进行重点考虑，一是各个模块都是预制的，可有效减少混凝土养护所需的时间；二是需保证各个模块的重量控制在80公斤左右，以方便人工运输需求。

装配式基础主要由两个部分组成，一是钢结构支架，二是槽钢底板。槽钢间距以满足基础承载力要求为前提。本方案基础中，基础的主体结构均采用钢结构。

装配式基础应以满足基础抗倾覆的设计要求为前提重点考虑可预制及可装配，方便施工，减免混凝土养护时间，保障施工质量可控。

2.1.3.3设计成果

（1）基本参数

表2-3 ZJT-240-Z窄基塔技术参数表

窄基塔基本尺寸及力学参数见上表（本图取自国家电网公司配电网工程典型设计10 kV架空线路分册2013年版福建公司增补模块杆塔），土质选用普通土进行计算，土的力学参数如下：

γs=16.5kN/m3     c=18 kPa    ψ=15°   fa=180 kPa 

 等代内摩阻角β=35   土压力参数m=63    土侧压力系数ξ=0.38

图2-1 窄基塔基础组装图

钢结构支架的构件规格采用原铁塔设计软件进行选材。以下仅对下部槽钢部分进行验算及基础整体倾覆计算。

（2）倾覆稳定计算

该基础类似于传统窄基塔台阶基础，以下我们采用传统台阶基础的计算方式来计算该基础的倾覆稳定。

图2-2基础倾覆计算简图

由ZJT-240-Z窄基塔技术参数表得出：

水平力 S0=20.6

柱顶面上的弯距 M=461.35

柱顶面上的压力 F=196.2

上方土体V土=13.5

基础自重和其上的土重G=373.95

ht=h2+h3 =2.2    h1=h3-h4=2   H0=h =0

fβ=tanβ=0.7   e≈0.4b1=0.6   θ=h1/ht=0.9    b=b0k0=1.59

K0对应ht/a0,K0'对应h1/a0,

K0=1+2htξcos(45°+β/2)tanβ/(3a0)=1.06

K0'=1+2h1ξcos(45°+β/2)tanβ/(3a0)=1.05

a=a0(ht2k0-h12k0')/(ht2-h12)=3.26

E=maht2/2=497

γf(S0H0+M)=507.5≤Efβ[(a1-bθ2/a)(a1-b1)]/2-2Eht(1-bθ3/a)/3+y(e+fβht)=1012.1

y=(F+G-γfS0fβ)/(1+fβ2)=371.9≤0.8* a0* a1* fa=1296

满足基础倾覆稳定要求。

（3）地基承载力计算

根部下压力设计值N=28.5

基础底面积A=3^2=9

基底压力P=63.4＜fa =180 满足要求。

（4）设计方案

装配式基础主要由两个部分组成，一是钢结构支架，二是槽钢底板。上部钢结构支架采用和窄基塔一致的角钢构件，下部底板采用槽钢拼接，槽钢与槽钢之间的拼接主要采用螺栓连接。基础施工时，先整体拼接后支立模板，然后用混凝土包封，混凝土需根据具体情况添加速凝剂，以快速提高混凝土的早期强度。

底部用作板条的槽钢采用了两种规格（槽钢22、槽钢28），槽钢28用于与钢结构支架的连接。另外用作横梁的槽钢采用通过螺栓连接将底部槽钢拼接成一个整体。

钢结构支架与窄基塔的连接及钢结构支架与底板的连接均采用踏脚板连接。装配式基础可工厂化预制，施工质量可控。同时可有效减少混凝土养护时间，节省了输电线路施工中大型铁塔组装前等代混凝土养护的时间，减少施工工期，有利于抢修抢建的快速施工，减少停电对生产生活的影响。

2.1.3.4基础特性

表2-4 窄基塔装配式基础与常规混凝土基础对比

注：1.普通混凝土强度增长一般为前期快速增长，后期增长缓慢。加入早强剂可以快速提高混凝土的早期强度，但对于混凝土的远期强度有所减弱。

2.本次装配式基础为加快施工进度考虑采用早强混凝土，常规混凝土基础不考虑添加早强剂。

3.装备式基础其铁塔的力主要传递在钢结构上，加入混凝土的主要作用是钢结构防腐及增加基础自重。

2.2结论

本文在研究典型工程地质分类和典型地质场景下杆塔基础选用的方案的基础上，提出了满足现场快抢快建要求的、应用于水泥杆的复合材料轻型套筒基础和应用于窄基塔的装配式基础研制方案，解决了当前灾后抢修受制于时效性的要求，常规的水泥杆基础和窄基塔难以应用，导致灾损点低水平的重复性建设的问题，实现了杆塔基础“工厂化批量预制、施工现场统一配送、施工人员快速拼装”的快速标准化施工。

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