冻土区输电线路冻融灾害防控研究

冻土区输电线路冻融灾害防控研究

张帅张文瀚杨国峰

（国网山西省电力公司检修分公司030032）

摘要：随着我国冻土区输电线路的不断建设，冻土问题日益引起人们的关注，如何正确处理多年冻土与输电线路工程的关系，已成为输电线路建设的关键问题之一。输电线路建设中的冻土问题在不同建设阶段，防控重点均有所不同，只有全面把握，才能科学应对。

关键词：冻土；输电线路；防控措施

0.引言

随着青藏高原多年冻土地区±400kV青藏直流联网工程的建成投运，陆续又有330kV在青藏高原多年冻土地区开工建设，同时，我国天山、东北等地的工程建设也呈现不断增加的态势。鉴于冻土对工程稳定性的重要影响，如何正确处理多年冻土与输电线路工程的关系，就成为输电线路建设的关键问题之一。地球上冻土区面积约占陆地面积的50%，其中多年冻土面积占陆地面积的25%。我国多年冻土面积占国土面积的22%。由于多年冻土热稳定性差、水热活动强烈、厚层地下冰和高含冰量冻土所占比重大、对环境变化极为敏，冻胀、融沉以及冻拔作用等对工程施工和安全运营等构成了严重威胁，尤其是气候转暖和冻土的不断退化更加剧了这些问题的产生。我国，以及美国、加拿大等冻土大国在多年冻土区建设输电线路的工程还很少，因此，有关这方面成功的经验和研究相对匮乏。如何应对这些难题，对工程的建设、运维、以及长期稳定均具有重要意义。因此，本文主要就多年冻土地区输电线路建设必须面对的一些关键环节和主要问题开展讨论，以期为工程建设提供有益借鉴。

1.冻融灾害对塔基稳定性影响

IPCC第一工作组在2013年发布的气候变化第五次评估报告指出，全球地表持续升温，1880－2012年全球平均温度已升温0.85℃。青藏高原是对全球气候变化响应最为敏感的区域之一，因此，气候变暖所引起的冻土环境的变化必然会对输电线路基础产生重要影响。北美和俄罗斯冻土区的工程实践表明，冻胀是危害冻土区输电线路安全的主要问题。亚北极阿拉斯加地区的138kV输电线路穿越深季节冻土区时，基础采用10m长木桩，冻胀力的作用导致基础被冻拔出1～2m，造成运营期巨额的维护费用。冻拔主要发生在冻胀敏感性土和地表、地下水发育区域。工程建设改变了冻土环境，会诱发和加剧冻胀的发生。次生不良冻胀严重威胁着俄罗斯Tyumen北部地区输电线塔基的安全稳定，现场监测表明，桩基础的冻拔是危害输电线工程的主要原因，基础冻结期的不均匀冻胀量达5cm，最大冻胀量可达20cm。输电线工程运营20a后，监测的塔架最大偏差可达2.5～2.7m。在我国，东北大庆地区110kV龙任线、220kV奇让线和二火线等输电线路的多个塔位，由于地基土冻胀使基础失稳而发生过倒塔和倒杆事故;海拉尔-牙克石220kV输电线路工程于1997年底建成投产，到2003年时，位于东大泡子附近的N29号塔灌注桩基础因冻胀导致桩顶与铁塔倾斜、联梁与桩身联结处开裂，影响了输电线路的正常运行。同时，融沉也是危害多年冻土区输电线工程的另一个重要病害。俄罗斯Tyumen北部地区输电线工程的实践表明，多年冻土的融化将减小基础承载力，并在回冻期引起塔基显著的冻胀破坏。因此，冻土问题也是多年冻土区输电线路建设面临的最为重要的难题之一，必须从设计、施工、运营等各环节进行系统的分析和重视。

2.输电线路的选线原则的确立

在我国，不同区域的冻土分布、发育类型等存在较大差异，导致在不同区域主要面对工程问题发生改变。因此，在进行输电线路的选线、塔位的选择、类型的确定均需根据具体情况而进行设定。同时，输电线路是点线工程，在线路走向基本确定的情况下，塔位的选择具有较大程度的可调整性。因此，针对多年冻土地区工程地质问题，进行线路以及塔位的优化设计显得尤为必要。输电线路塔基应优先选择融区、基岩露头或基岩埋深较浅的地段。在冻土区，结合冻土的发育和分布规律，线路应尽量选择地下冰含量少的地段或地点通过。同时，塔基的定点还要进一步结合微地貌条件下地下冰分布规律来确定，如线路通过山坡时，塔基宜选择在平缓、干燥、向阳的中上部地带，该地带的多年冻土通常埋藏较深，含冰较少，稳定性较好，尽量避免在山间低洼区及坡角处定点，该区冻土地下冰发育良好，不利于塔基的稳定性。对于不良冻土现象地区和多年冻土边缘的冻融过渡带，线路塔基要尽量绕行或跨越，以免造成由于塔基不均匀沉降引发的倾斜。总体原则可以概括为:“选高不选低、选阳不选阴、选干不选湿、选融不选冻、选裸不选盖、选粗不选细、选避不选进、选直不选折”。

3.输电线路塔基型式的选择

不同的基础型式在特定的冻土地质环境中其稳定性可能发生较大的变化，对塔基型式的不合理选择可能导致塔基发生较大幅度的变形，甚至危及线路的安全运营。特别是在多年冻土地区电力杆塔基础与线路工程基础、铁路桥墩、房屋基础受力作用迥异，其垂直荷载小而上拔荷载。同时，由于冬季冻土对塔基的冻拔作用更加剧了对塔基稳定性的影响。此外，气候变化、施工过程也会导致地基的冻土融化并造成影响，如青藏110kV线路基础的差异性融沉引起了基础的严重变形。为确定塔基型式的稳定性，通过青藏高原、新疆等冻土地区的现场试验，同时结合室内试验对不同塔基的力学、热学性状进行了系统试验。

研究表明，多年冻土区塔基基础型式的选择需要考虑冻土条件、气候条件、施工季节及交通状况等因素，其中冻土条件具有决定性作用，气候条件决定了塔基变形的发展趋势，施工季节选择的不当也可能导致基础后期产生较大的变形。在基础受力方面，需要重点考虑冻拔作用对塔基的影响，同时融沉作用对塔基稳定性也具有较大影响。基于研究成果，在青藏直流联网工程的实践中，冻土区塔基型式选择主要遵循:地质和冻土条件较好，能掏挖成形的地段采用掏挖基础;施工便利的地段采用预制装配式基础;冻胀力较强、地基较为稳定的地段采用锥柱基础;饱冰、含土冰层发育地段，以及跨河、漫水、地下水较浅的地区，采用灌注桩基础。

4.施工周期和过程的控制

施工周期和过程的控制，主要在于通过合理选择施工环境，最大限度减小、避免气温环境、水文条件等的不利影响，以及控制施工过程对冻土的热扰动，达到减小施工过程对冻土地基稳定性影响的目的。由于输电线路基础均为开挖类基础，施工的顺利进行、以及施工过程对冻土扰动的强度、影响范围、冻土基础强度的恢复等，都与施工周期的选择密切相关。对于锥柱等大开挖基础，通过青藏直流联网工程实践得到的有益经验为“冬季施工、快速施工”，由此可以最大程度减小施工过程对冻土的扰动。输电线路塔基地温观测结果表明，通过该种方式施工的塔基，在冷却基础工程措施作用下，通过冬季降温过程，可以满足冻土基础的回冻，并保证第二年后续施工工序的进行。

结束语：

结论通过对输电线路建设过程、以及在不同阶段所遇到的冻土问题的分析发现，冻土问题贯穿了输电线路设计、建设和运维的整个过程，对于冻土问题的重视和解决的程度，直接关系到工程的长期稳定性。

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