输电线路基础与接地设计

我国架空输电线路地基基础工程现状及存在的问题（国家电力公司电力建设研究所）1、引言随着我国国民经济的飞速发展，国家每年用于电力基础设施，特别是用于高压输电线路的投资日益增加。杆塔基础作为输电线路结构的重要组成部分，它的造价、工期和劳动消耗量在整个线路工程中占很大比重。据有关资料统计：输电线路基础工程施工工期约占整个工期一半时间，运输量约占整个工程60%，费用约占整个工程15%～35%。基础选型、设计及施工的优劣严重影响着线路工程的建设。根据我国现有的技术规范，上部铁塔部分的设计和国外相比，较为合理和成熟，而设计的基础尺寸比国外大，设计较为保守，因而基础施工等各方面的费用比国外要高出很多。同时,下部基础过大，若基础是大面积的开挖，势必会造成大面积植被的破坏和水土的流失。因此有必要加强对输电线路基础的研究，降低混凝土和钢筋的用量，减小土石方的开挖量，从而降低基础造价，节省资源，同时也减小对植被的破坏，加强环境保护，取得较好的经济效益和社会效益，实现可持续发展。但是目前我国尚未系统地开展新的基础型式的试验、测试和分析研究，杆塔基础已成为输电线路建设中十分薄弱的环节，地基处理及其基础型式选择与设计优化是当前输电线路工程迫切需要解决的重大课题。2、我国架空输电线路地基基础工程现状我国幅员辽阔，各个地区的地质条件相差很大，所采用的输电线路基础形式也较为多样。其中西北地区主要为黄土地基，也存在部分沙漠及岩石地基。黄土地基使用的基础形式主要有刚性台阶式基础和插入式基础，部分软弱地基则主要采用钻孔灌注桩。西北地区黄土具有湿陷性，常采用二灰换添法，石灰和素土的比例一般采用2:8或3:7，对重点塔位的地基重点处理。沙漠地区地基抗剪强度低，比普通基础要多埋深1米。山区的岩石地基使用的基础形式主要有掏挖式基础等。在西北地区，出现倒塔一般不是基础原因，主要是有外界因素的作用，如滑坡、流沙、河流冲刷等。东北地区和新疆北部多为冻土地基，使用的基础形式主要是插入式基础和掏挖式基础。同时，在东北的部分地区和新疆的南部也存在永冻土和岩石地基，使用的基础形式主要是斜插式基础。我国华北地区的石家庄以北、北京地区、和内蒙古地区的土质条件较好，天津地区有软土地基，土质条件较差。各地使用的基础形式主要有：嵌固式基础、锚杆式基础、插入式基础和掏挖式基础，同时还有灌注桩、挖孔桩、扩底桩等。我国华东地区河网密布，主要是软弱地基。在进行输变电杆塔建造时，有的对地基先进行处理，然后再建造杆塔基础。在这一地区采用的基础形式有：灌注桩、大板式基础、螺旋锚式基础、挤密碎石桩和挤密砂桩。螺旋锚用钢量大，机具复杂。灌注桩造价高昂，且质量不易控制。中南地区的地质情况较为复杂，有软土、岩石、膨胀土等。（1）华中地区软土比较多，特别是江汉平原一带，土壤的内析水较多，采用的基础形式以大板式基础、桩基（钻孔灌注桩、沉管桩）为主，也有采用沉井替代。桩基础的费用是掏挖基础的4~5倍，造价非常昂贵。使用的其它基础形式主要有：刚性阶梯式基础、掏挖式基础等。（2）在三峡、宜昌地区，山区的花岗岩比较多，使用的基础形式主要有：岩石锚杆式基础和岩石插入式基础。（3）在鄂西北的丘陵地带，黄色粘土比较多，使用的基础形式主要有：刚性阶梯式基础、掏挖式基础等。（4）在其余一些地区，多为粉土、砂土和可塑粘土地质条件，近几年来插入式基础用的较多，但该基础形式不适用于软土地基。西南地区主要以山区为主，地基主要是岩石。使用的基础形式主要是：岩石锚桩、嵌固式基础和斜插式基础。山区水塘附近的软土地基，地基处理的主要方法是：砂井、粉喷桩等。3、我国架空输电线路地基基础工程存在的问题3.1设计方面的问题我国架空输电线路地基基础工程在设计方面存在的问题有：（1）由于输电线路地基基础工程问题的特殊性和复杂性，目前《送电线路基础设计技术规定》还没有采用概率极限状态设计原则，仍然采用总安全系数法，而不是分项系数设计法。国内外很多专家、学者都在致力于地基基础工程可靠度的研究。地基基础工程问题与结构工程问题实行同步的可靠度设计是国际趋势。输电线路地基基础工程如果继续在以后较长时间内沿用传统安全系数设计法的定值设计方法，显然是不合适的。如何尽快改变这种现状是一个紧迫且具有现实意义的问题。（2）由风荷载引起的输电线路杆塔的破坏常给经济建设和人民生活带来非常严重的影响，而且需要花费大量的资金和时间修复。据统计，在各类杆塔倒塌、导线断股等严重事故中，由风引起的约占30%。动力风荷载需要通过理论和试验的方法，根据风特性、结构自振特性以及风和结构地基基础的相互作用等多方面的参数才能确定，因此，动力风效应分析的正确性和精度将关系到送电线路杆塔及基础设计的合理和安全。研究风与杆塔结构体系的相互作用，并且在输电线路设计中采取恰当的抗风措施，对保障线路结构体系的安全有非常重要的意义。（3）在软土质地区，由于其杆塔基础设计不仅要满足一般杆塔基础设计要求，还应满足塔基沉降量、倾斜度等要求，因此软土质地区杆塔基础设计有其特殊性。在软弱地基中使用灌注桩，造价很高，质量不易控制；在软弱地基中如果使用大板式基础，基础的尺寸约为7×8m，成本较高，土的开方量大，施工复杂，钢筋用量在7、8t。且大板式基础有时在铁塔安装前，基础已经发生了不均匀沉降。由于我国以往在软土质地区地基处理及其杆塔基础方面的研究存在许多不足之处，导致软土质地区杆塔基础设计水平较低，与国际先进水平相比存在较大的差距，其基础部分的造价占线路总体投资的比例一般在25％－35％左右，有的甚至更高，而又未系统的开展新的基础型式的试验、测试和分析研究，因此软土质地区杆塔基础已成为输电线路建设中十分薄弱的环节，而地基处理及其基础型式选择与设计优化则是软土质地区输电线路工程迫切需要解决的重大课题。另外，我国架空输电线路地基基础工程在设计方面除上述问题比较突出以外，还存在以下问题：在我国的东北和西北地区，由于冻土的冻胀使基础位置抬高，怎样处理冻土地基成为重要课题；在近海区建造输变电线路，在海水中，基础抗腐蚀性的问题不可忽视。3.2勘测方面的问题在山区，由于勘测点较多，勘测比较粗浅，对变电站和塔位的地质情况的了解不是很准确，有时易发生滑坡现象。所以使用岩石地基尽管基础造价可以降低很多，但鉴定岩石物理性质和力学性质的方法、手段等需要改进。3.3施工方面的问题在山区施工，现有的施工机具难以进入场地进行施工，钢筋、混凝土的运输和基础的开挖等较为困难。在软土地基施工，水网密布，各种施工机具难以进入场地，各种基础形式的施工比较困难。因此，需要研制轻巧、高效的施工机具以解决施工方面存在的问题。总之，根据我国现有的技术规范，上部铁塔部分的设计和国外相比，较为合理和成熟，但根据现有的《送电线路基础设计技术规定》进行基础设计过于保守，设计理论一直延用前苏联规范，基础的尺寸要比国外同等级别的基础大，基础的安全系数过高，基础砼及钢筋用量过大，基础的施工工程量占总体工程量的比重较大，约为20％，其中，仅土石方的开挖费用就为2500－3000元/m3，钢筋、混凝土的运输费用也较高。基础的施工费用约为工程造价的15－25％，基础施工等各方面的费用比国外要高出很多，工期较长，在国外投标中，和国外设计的基础相比，处于不利的地位。4、我国架空输电线路地基基础工程存在问题的原因我国架空输电线路地基基础工程存在上述问题的原因为：1、一般输电线路所经地区的地形、地质条件差异较大，设计和施工要考虑的边界条件较多，加之科研条件和研究经费的制约，在输电线路杆塔基础方面的科研工作较薄弱，科研成果较少，技术储备不足。2、对地基基础问题国内外专家和学者已做了大量的研究工作，取得了许多有价值的成果，但大多数都把注意力集中在某些结构（如建筑物、桥梁等）的基础上，这些研究成果由于下列原因而限制了它们在电力线路上使用：（1）抗拔荷载经常是各种输电线路杆塔基础设计的控制条件，而对建筑物和桥梁来说上拔力却是次要的。（2）输电线路杆塔基础所在的土质勘测，无论在精确性还是在详细程度上，都无法与建筑物和桥梁相比。（3）一条线路上可能使用许多基本相同的杆塔，但它们的基础则因土质不同而不同。（4）线路杆塔常位于无人居住之处，而且除了施工、检修和维护外并不危及人们的生命安全。这些不同导致电力工业的杆塔基础有其独特的分析、设计方法，这些内容在一般的基础书籍中是难以找到的，例如：一般的基础工程教科书对基础上拔问题仅附带提一下，对钢框结构的基础很少涉及。这样就导致在输电线路基础方面受过专门训练的国内人才偏少，专门从事输电线路杆塔基础设计的高级研究人员则更少。3、国内电力行业对杆塔基础也做了一些研究工作，但还没有建立专门的基础工程实验室，对不同特性地基、不同型式基础展开系统的试验研究。目前，世界上电力工业发达国家，非常重视杆塔基础的研究，尤其是美国、加拿大等国，除了理论分析计算外，还建立了专门的岩土工程实验室，对不同特性地基、不同型式基础进行了系统的试验研究，有效保证了线路的安全运行，同时降低了线路基础造价。美国、加拿大等国可以针对输电线路所经地区的地质状况，提出合理的基础型式。因此建立我国专门的输电线路杆塔基础工程实验室，可为各种基础型式的试验研究提供保障，对提高线路的可靠性，推动行业技术进步有重要意义。5、结语中国“十五”计划纲要中国国家电力公司提出加强城乡电网建设和改造，建设西电东送的北、中、南3条大通道，因此非常有必要加强架空输电线路地基基础工程的研究，成立专门的输电线路地基基础工程实验室，针对输电线路杆塔基础的共性、前沿和关键的科学问题，探索输电线路杆塔基础的机理和规律，形成我国系统完整的“送电线路基础设计和计算”的理论体系。瞄准国家急需解决的“西电东送”工程中出现的一系列地基基础工程关键科学技术问题，进行地基处理、岩土边坡加固、岩土工程环境保护等设计方法、施工技术等关键控制技术的探索与创新，研究开发出安全、经济、实用的科技成果为工程建设服务，彻底改变我国送电线路基础设计保守落后的现状，开创我国21世纪送电线路基础工程“技术先进、设计安全合理”的全新局面。输电线路杆塔接地设计降低杆塔接地电阻是提高杆塔耐雷水平、降低雷击跳闸率的重要途径。对输电线路的雷击跳闸率进行的冲击分析表明，山区多雷区的输电线路频频发生雷击跳闸故障，测量雷击故障所在杆塔的接地电阻大部分都偏大。进一步检测分析，杆塔接地装置均不同程度地存在一些缺陷，而原因或是设计不尽合理、或是施工不严格规范、或是运行环境恶劣、或是运行维护不及时。利用各自优点而改进的接地电阻测量新方法，并提出了几种理接地电阻超标值的方法。送电线路杆塔必须可靠接地，以确保雷电流泄入大地，保护线路绝缘。为提高耐雷水平，保护设备绝缘和避免跨步电压产生的人身伤害，就一定要降低杆塔的接地电阻。关键词：输电线路杆塔接地设计一、引言输电线路杆塔接地装置是输电线路的重要组成部分,是接地体和接地引下线的总称,接地电阻是指接地体散流电阻、接地引下线电阻和接触电阻的总和。其作用是确保雷电流可靠泄入大地,保护线路设备绝缘,减少线路雷击跳闸率,提高运行可靠性和避免跨步电压产生的人身伤害。对输电线路杆塔接地装置进行规范管理和维护,确保接地装置完整性是降低输电线路雷击跳闸率的有效措施,降低接地装置接地电阻是提高线路耐雷水平的主要措施。输电线路杆塔接地装置是输电线路的重要组成部分,是输电线路防雷的主要措施,其设计、施工及运行维护的好坏直接关系到输电线路杆塔耐雷水平的高低和输电线路的安全稳定运行,为此需要对杆塔接地装置的设计、施工和竣工验收开展全过程、全方位的技术监督,同时要加强运行维护管理,对存在缺陷或不合格的接地装置及时进行改造处理,直至满足相关要求。输电线路杆塔接地装置改造推荐采用增加垂直接地体、加长接地带、改变接地形式、换土或采用接地新技术(如接地模块、阴极保护阳极接地)等措施进行,原则上不使用化学降阻剂。对混凝土杆存在导通接触不良的情况,推荐采用混凝土杆外引接地,即利用一定截面的扁钢从架空地线悬挂点引至接地体进行接地。二、我国输电线路杆塔接地情况：输电线路是电力系统的大动脉，它将巨大