高压输电线路铁塔基础冻土区适应性研究

高压输电线路铁塔基础冻土区适应性研究

牛子儒

中国电建集团青海省电力设计院有限公司 青海省西宁市81008

摘要：本研究聚焦于高压输电线路铁塔基础在冻土区的适应性问题。冻土区特有的地质环境对铁塔基础的稳定性和耐久性提出了挑战，通过分析冻土的物理特性及其对基础设计与性能的影响，本文探讨了适应冻土条件的基础设计考量、材料选择、施工技术要点等内容，希望研究成果具有一定的借鉴和启发价值。

关键词：高压输电线路；铁塔基础；冻土区；适应性

引言：

高压输电线路是现代电力系统的重要组成部分，其稳定性直接影响到电网的可靠运行。在冻土区，低温和土壤冻融循环对铁塔基础提出了巨大的挑战，冻土的物理性质，如冻胀和融化收缩，可能会导致基础不稳定，甚至倒塌。因此，了解冻土的特性及其对铁塔基础的影响，对于提高高压输电线路铁塔基础工程的建设质量具有重要的意义。

1.冻土特性描述

1.1冻土性质概述

冻土是指温度低于或等于0°C，其中水分部分或全部冻结的土壤，这种土壤主要分布在高纬度地区和高海拔山区，其物理和力学性质随温度、含水量、土壤类型等因素变化而明显不同。冻土可以分为永久冻土和季节性冻土两大类，其中永久冻土指的是至少两年以上温度持续低于0°C的土壤，而季节性冻土则是每年冬季冻结、夏季融化的土壤[1]。冻土的主要物理性质包括冻胀和收缩特性、渗透性、热导率以及强度和变形特性。冻胀是当土壤中的水分冻结成冰时，体积膨胀的现象，这对结构基础造成上提力，融化时体积收缩，可能导致地基沉降。此外，冻土的渗透性较低，这限制了水分的流动，进而影响到土壤的湿度和温度分布。冻土的热导率决定了其对温度变化的响应速度，这对于制定保温方案至关重要。最后，冻土的强度和变形特性直接关系到结构的稳定性和承载能力。

1.2冻土对基础施工的挑战

首先，冻胀力可能导致结构基础上提或移位，特别是在季节性冻土区，每年的冻融循环都可能导致基础结构的不均匀沉降或变形。其次，冻土区的低渗透性限制了水分的自然排除，从而提高了施工中的排水难度，尤其是在开挖和地基准备阶段。此外，冻土的热导率变化导致温度控制在施工和运营期间极为复杂，需要采用额外的保温或加热措施来维持结构的温度稳定。另外，冻土的力学性质，如强度和模量的变化，也对基础设计提出了挑战，设计时必须考虑到冻土条件下的极限承载力和变形特性，以确保结构的稳定性。

2.设计考虑因素

2.1冻土区铁塔基础的结构要求

在冻土区设计高压输电线路铁塔基础时，结构要求旨在确保长期稳定性和安全性。首先，基础设计必须考虑到冻胀力对结构可能产生的影响，包括土壤的冻胀潜力和冻融循环的影响。为此，基础需要有足够的深度和宽度，以分散冻胀产生的上提力和确保在冻融循环中保持稳定。其次，基础的设计还必须考虑土壤承载能力的变化，特别是考虑到冻土融化时可能发生的强度下降。此外，铁塔基础还应设计适当的排水系统，以防止水分渗入基础附近的土壤。与此同时，为了增强基础的稳定性，需要采用加固措施，如使用混凝土垫层、钢筋笼或预制混凝土块，这些措施有助于抵抗因温度变化引起的不均匀沉降和侧向压力[2]。

2.2热学考虑和保温技术

冻土区铁塔基础的热学考虑关键在于预防土壤的过度冻融循环，以及维持基础周围土壤的温度稳定，因此保温隔冻技术是至关重要的。一种常用的方法是使用保温材料覆盖基础周围的土壤，如发泡聚苯乙烯或挤塑聚苯乙烯板，这些材料能够有效降低热流，减缓土壤冻融过程。另一种技术是采用被动或主动的地热调节系统，被动系统利用地下深处温度相对恒定的特性，通过埋设管道促进热量在基础与深层土壤之间的自然交换；主动系统则可能包括加热元件，如电热带或热水管，这些系统可以在必要时为土壤提供额外的热量，防止冻土对基础造成损害。

3.基础类型的确定

3.1适用于冻土条件的基础类型

在冻土条件下，选择合适的基础类型对于确保结构的稳定性和耐用性至关重要，不同的基础设计可根据地质条件、冻土特性及结构需求进行选择，以下是几种常见的适用于冻土区的基础类型：（1）深基础（桩基础）：深基础适用于冻土条件下的结构支撑，桩基可以是钢筋混凝土桩、钢桩或木桩，其深入到永久冻土层以下的未冻土中，利用未冻土层的稳定性来承载上部结构重量。（2）浅基础（条形基础、板基础）：在某些条件下，特别是当冻土层不是很深或土壤冻胀潜力较低时，可以使用浅基础，浅基础需要配合适当的隔冻措施，如保温层或排水系统，以减少冻融循环对基础的影响。（3）格栅基础：格栅基础是一种特殊的基础设计，通过在土壤表层创建一个由横竖梁组成的格栅结构来分散荷载，这种基础适用于承载较轻的结构，如输电塔，尤其是在地表活动或土壤膨胀性较大的区域。（4）热桩基础：热桩是一种新型的桩基础，通过在桩体中集成加热元件，主动控制周围土壤的温度，减少冻土的不利影响，热桩不仅能承载结构重量，还能通过调节土壤温度，从而缓解冻融循环的影响[3]。

3.2基础设计的比较分析

不同基础设计适应于不同的冻土条件和结构需求。深基础适用于承载重负荷的结构，能够提供最佳的稳定性，但施工成本和复杂性较高。此外，深基础能有效避开冻土层，减少冻胀对结构的影响。浅基础的优点在于施工简便、成本较低，但需要采取额外的隔冻措施，如加厚的保温层或有效的排水系统，以保护基础免受冻融循环的影响，因此适用于承载较轻或中等负荷的结构。格栅基础提供了一种成本效益高、对环境影响小的解决方案，特别是在需要分散荷载或在土壤扩展性大的地区。然而，其承载能力有限，不适用于所有类型的结构。热桩基础虽然提供了一种创新的解决冻土问题的方法，通过主动控制土壤温度以减轻冻融循环的影响，但其初期投资较大，运营成本也较高，更适合于对稳定性要求极高的铁塔基础工程。

4.施工技术的选择

4.1冻土区铁塔基础的施工技术

在冻土条件下进行铁塔基础施工，需要采用特殊的技术和方法。以下是一些关键的施工技术：（1）预制桩的使用。在冻土区施工时，使用预制桩可以减少现场施工对周围环境的影响，从而获取巨大的生态效益。（2）热桩技术。热桩技术是通过在桩体中安装加热元件，利用热能来融化周围的冻土，从而便于桩体的下沉并提高其稳定性，这种技术对于穿透厚层冻土或永久冻土层特别有效。（3）保温隔冻措施。施工期间采取保温隔冻措施，如在基础周围铺设隔热材料，可以防止地温下降导致的土壤过度冻结，同时减少冻融循环对基础的影响。

4.2特殊设备的使用

适应冻土条件的施工不仅需要适当的技术，也需要特殊的设备，以下设备常见于冻土区基础工程施工：（1）隔热桩打桩机：专为冻土设计的打桩机可以在低温环境下正常工作，部分型号配备有加热系统，防止机械部件冻结。（2）地热钻探设备：用于热桩施工的地热钻探设备能够在冻土中钻孔，并在施工过程中加热土壤，以便于桩基的安装。（3）土壤加热系统：在挖掘基础之前使用土壤加热系统可以预先融化冻土，减少挖掘难度。（4）GIS（地理信息系统）和遥感技术：在施工前期，使用GIS和遥感技术对冻土区域进行详细的地质和环境分析，可以帮助确定最适合的施工方法和基础设计。

5.结语

综上所述，本研究针对高压输电线路铁塔基础在冻土区的适应性进行了深入分析。实践表明，合理的设计方案和施工技术可以显著提高铁塔基础在冻土条件下的稳定性和安全性。未来，冻土区的高压输电线路铁塔基础工程建设应积极采用新材料、新技术，以适应极端环境条件，从而确保电力传输系统的可靠性和稳定性。

参考文献

[1]王睿，陈城，李健辉，宋云燕.冻土地区输电铁塔接地电阻降低措施及测量技术分析[J].电工技术，2023,14(12):126-129.

[2]靳义奎，梁来先，刘军，高鹏飞.高原冻土区输电铁塔基础施工关键技术[J].电力建设，2012,16(10):30-34.

[3]严福章，李鹏，程东幸.高海拔多年冻土区基础工程主要工程问题及对策[J].中国电力，2012,15(12):66-69.