青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程多年凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)的地溫與變形監(jiān)測分析
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黃元生，李鵬，嚴(yán)福辛，王彥兵
（1，華北電力大學(xué)，河北保定 071003;
2，國家電網(wǎng)公司，北京 100031;
3，國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209）
摘要：由于青藏高原多年凍土惡劣的工程地質(zhì)條件，給青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)和運(yùn)營帶來了巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)難題。對工程沿線不同凍土類型、不同桿塔基礎(chǔ)型式以及有無熱棒處理措施的8個地段、10個基塔進(jìn)行了地溫和變形監(jiān)測，并基于監(jiān)測結(jié)果，分析了凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)地溫和變形的變化規(guī)律和影響因素，預(yù)測了其在全球氣候變暖條件下的長期穩(wěn)定性，為凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程；多年凍土區(qū)：桿塔基礎(chǔ)；地溫：變形
0引言
青藏聯(lián)網(wǎng)直流輸電線路工程北起青海省格爾木，南至西藏自治區(qū)首府拉薩，線路全長約
1 038 km。線路穿越了青藏高原腹地，平均海拔4 500 m,最高海拔5 300 m，有“電力天路”之稱。線路穿越多年凍土區(qū)長度為632 km，其中大片連續(xù)多年凍土區(qū)長度約為550 km,島狀不連續(xù)多年凍土區(qū)長度約為82 km。在632 km的凍土帶中，年平均地溫(T，。)高于一1.0℃的高溫多年凍土區(qū)為275 km,高含冰量多年凍土區(qū)為221 km，高溫高含冰量重疊路段約為134 km。高海拔寒區(qū)多年凍土工程地質(zhì)條件給輸電線路工程設(shè)計(jì)、施工增加了很大難度，而塔基在凍土條件下的長期穩(wěn)定性問題便是難題之一。
青藏聯(lián)網(wǎng)直流輸電線路涉及的多年連續(xù)凍土、島狀凍土和季節(jié)凍土按含冰特征和數(shù)量可分為：含土冰層、飽冰凍土、富冰凍土、多冰凍土及少冰凍土。季節(jié)性凍土的處理工程經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在本文中不做贅述。但是對于多年凍土，根據(jù)工程需要處理措施有很多種，諸如青藏聯(lián)網(wǎng)直流線路工程便考慮其良好的地基承載性將塔基埋深至最大融化深度之下。這種設(shè)計(jì)在工程施工和運(yùn)營初期是穩(wěn)定的，但設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)(50年)，塔基的耐久性缺乏相應(yīng)的認(rèn)識和研究。
青藏公路、青藏鐵路實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在多年凍土區(qū)年平均地溫高于-1.5℃，僅采用簡單工程措施的方法不能保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定，必須采取綜合治理的方法來解決該問題，而低于-1.5℃采用常規(guī)方法可以保證基礎(chǔ)穩(wěn)定。由此可知，只有在Ⅳ區(qū)（TJ< -2℃為穩(wěn)定帶）和部分Ⅲ區(qū)（T=一1.0~-2.0℃為基本穩(wěn)定帶）帶內(nèi)，塔基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性才是有保證的，而在I區(qū)（Te。>-0.5℃為極不穩(wěn)定帶）、Ⅱ區(qū)（Tw=-0.5～-1.0℃為不穩(wěn)定帶）內(nèi)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性將受到極大的挑戰(zhàn)。根據(jù)全球變暖理論估算，青藏高原年平均氣溫還可能上升2.2—2.6℃，溫度上升會使占青藏高原2/3面積的多年凍土發(fā)生融化，進(jìn)而導(dǎo)致凍土分布以及特性的改變，會對大型道路和工程建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。隨著輸電線路凍土基礎(chǔ)的建設(shè)完成，凍土原有的傳熱過程的改變以及塔基混凝土熱的良導(dǎo)作用，不僅會加劇凍土基礎(chǔ)的凍融循環(huán)作用，而且會加速凍土的退化過程，同時工程可能導(dǎo)致的不良凍土現(xiàn)象，都會對塔基的長期穩(wěn)定性造成重要影響。因此，對塔基的長期動態(tài)穩(wěn)定性研究尤為重要。
本文通過運(yùn)行初期現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，對不同凍土類型、基礎(chǔ)類型以及不同工程處理措施（有無熱棒）等因素對塔基的變形和穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，同時對凍土塔基長期穩(wěn)定性做出合理的預(yù)測和分析。
1 凍土基礎(chǔ)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)位置及原則
以監(jiān)測線路的關(guān)鍵和薄弱環(huán)節(jié)、選擇高溫、高含冰量凍土地段、考慮淺基礎(chǔ)同時兼顧深基礎(chǔ)的傳熱過程、考慮轉(zhuǎn)角和耐張塔等關(guān)鍵塔基位置為原則，并結(jié)合青藏線路凍土分布的特性，選擇8個地段的10個塔基對包括錐柱基礎(chǔ)、裝配式基礎(chǔ)、掏挖基礎(chǔ)及灌注樁基礎(chǔ)的4種基礎(chǔ)型式進(jìn)行地溫監(jiān)測和變形監(jiān)測，監(jiān)測地段布置如圖1所示。
對于錐柱和裝配式基礎(chǔ)，在塔基施工完成后，分別對回填土、基坑壁和壁外距離3m的位置進(jìn)行地溫監(jiān)測，同填土的監(jiān)測深度為4.5 m，坑壁的監(jiān)測深度為15 m.基坑壁外的監(jiān)測深度為15 m（見圖2a））。對于掏挖和灌注樁基礎(chǔ)，分別對基坑壁和壁外距離5m的位置進(jìn)行溫度監(jiān)測，深度15 m（見圖2b））。測溫電纜在混凝土灌注之前布設(shè)于鋼筋籠的外壁：壁外距離5m處的測溫電纜由鉆探進(jìn)行布設(shè)。而變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于塔基底部固定位置處，使用高精度全自動伺服型全站儀，并參照同家變形監(jiān)測規(guī)范自動重復(fù)進(jìn)行變形監(jiān)測，所監(jiān)測數(shù)據(jù)由全站儀自動采集。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)處理可以得到每個塔腿的垂直位移、水平位移及塔腿之間的平距和斜距等變形數(shù)據(jù)（見圖2e））。地溫和變形監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)在每基塔基以外20 m處。監(jiān)測時間白201 1年1月（基礎(chǔ)施工完成后）至2012年4月，歷時1.5個凍融循環(huán)周期。
監(jiān)測塔基的位置和性質(zhì)如表1所示，其中，1，2、5、7和8號場地用于研究有無熱棒對錐柱基礎(chǔ)地溫和變形的影響：3和4號場地用于研究有無熱棒對裝配基礎(chǔ)地溫和變形的影響；5、6、9和10號場地用于研究在有熱棒條件下不同基礎(chǔ)類型對地溫場和變形的影響。
2凍土基礎(chǔ)監(jiān)測結(jié)果及分析
2.1 地溫監(jiān)測結(jié)果及分析
總體上看，所有基礎(chǔ)在經(jīng)歷了1.5個凍融循環(huán)后，底部及周圍土體均處于凍結(jié)狀態(tài)，說明凍土基礎(chǔ)對天然凍土溫度場產(chǎn)生的擾動得以恢復(fù)，可靠地保障了凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定性（見圖3）。
但由于凍土基礎(chǔ)類型、有無熱棒等因素的影響，在1.5個凍融循環(huán)周期后，基礎(chǔ)底部及周圍土體溫度場的變化特性又具有各自的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：
(1)由于熱棒的冷能作用，塔基底部的地溫開始低于天然場地的地溫，并且低于無熱棒的基礎(chǔ)底部地溫，說明熱棒的存在明顯地降低了塔基底部地溫，有利于其穩(wěn)定性（見圖4）；
(2)灌注樁和掏挖基礎(chǔ)周邊地溫場與天然凍土溫度場基本一致，而大開挖（錐柱和裝配式基礎(chǔ)）基礎(chǔ)回填土的凍土溫度場會有所上升，多數(shù)比天然場地大約1 m,個別達(dá)到2 m,但增加幅度均小于0.5℃（見圖5）。
2.2變形監(jiān)測結(jié)果及分析
塔基的變形主要包括：垂直變形和平面變形。受塔基類型和有無熱棒等因素的影響，塔基變形也表現(xiàn)出不同的特性。
2.2.1 垂直變形
塔基的垂直變形主要包括沉降變形、凍脹變形和趨于平緩的變形（見圖6），在1.5個凍融循環(huán)周期之后，塔基的垂直變形大都處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明塔基具有良好的長期穩(wěn)定性。
但受限于施工等岡素的影響，塔基的沉降變形和凍脹變形具有不同的變化特性：
(1)塔基的沉降變形主要發(fā)生在塔基建成初始階段，這階段的變形主要是由于基礎(chǔ)自重引起的凍土內(nèi)應(yīng)力調(diào)整。
(2)塔基的凍脹變形與其底部凍土的熱擾動有關(guān)，主要發(fā)生在高溫高含冰量凍土地段，推測原因是施工過程中基底排水不當(dāng)所致。
2.2.2水平變形
塔基的平面變形主要反映為其根開大小的變化。雖然監(jiān)測塔基有轉(zhuǎn)角塔和耐張塔，但由于其主要受到垂向壓力或拉力作用，且場地地勢較為平緩，塔基的監(jiān)測結(jié)果顯示其根開基本沒有太大的變化（見圖7），因此塔基平面變形除在初期變化范圍大外，后續(xù)過程中基本保持平穩(wěn)，說明場地類型、凍土類型和基礎(chǔ)類型以及地溫場對平面變形影響小，可忽略不計(jì)。
3 凍土基礎(chǔ)長期穩(wěn)定性分析
文獻(xiàn)[7]對全球氣溫上升時，青藏高原凍土分布特性的改變做出了預(yù)測和評判。在青藏高原氣溫上升1℃、2℃和2.6℃時，青藏直流聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程多年凍土的變化情況如圖8所示。
從圖8可知，氣溫升高后，工程區(qū)內(nèi)季節(jié)性凍土區(qū)的面積將明顯增加，多年凍土穩(wěn)定區(qū)和基本穩(wěn)定區(qū)的比例將明顯減小，會對塔基的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，結(jié)合上述監(jiān)測塔基的地溫和變形數(shù)據(jù)，其長期穩(wěn)定性的預(yù)測和分析如下：
(1)氣溫的升高使處于I區(qū)、Ⅱ區(qū)的塔基轉(zhuǎn)變?yōu)榧竟?jié)性凍土區(qū)的塔基，由于該區(qū)域的處理措施與按照季節(jié)性凍土區(qū)塔基處理措施一致，基礎(chǔ)的長期穩(wěn)定性良好：但Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)的部分穩(wěn)定性塔基將會向著I區(qū)、Ⅱ區(qū)的較穩(wěn)定塔基轉(zhuǎn)變，需加強(qiáng)安全巡檢工作：
(2)塔基底部和周圍土體在1.5個凍融循環(huán)周期過后，地溫場與天然凍土溫度場基本一致，鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性與凍土環(huán)境的穩(wěn)定性相協(xié)調(diào)，基礎(chǔ)的長期穩(wěn)定性是有保障的：
(3)在1.5個凍融循環(huán)周期過后，有熱棒措施處理的塔基，其地溫已經(jīng)略低于天然場地溫，且低于氣溫升高引起的凍土升溫，說明熱棒對促進(jìn)塔基的長期穩(wěn)定性是非常有利的。
4結(jié)論和建議
凍土是復(fù)雜環(huán)境作用的產(chǎn)物，其工程效應(yīng)受環(huán)境、地形地貌以及工程活動制約。本文在分析不同基礎(chǔ)類型、有無熱棒條件下塔基地溫場和變形監(jiān)測結(jié)果以及全球氣溫升高對工程沿線凍土分布特性影響的基礎(chǔ)上，對輸電線路凍土塔基長期穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：
(1)現(xiàn)場地溫監(jiān)測結(jié)果表明，在約1.5個凍融循環(huán)后，塔基底部與周圍土體處于凍結(jié)狀態(tài)，
整體性較好；灌注樁和掏挖基礎(chǔ)和周圍凍土協(xié)調(diào)性良好且對融化層影響小，而大開挖基礎(chǔ)（錐柱和裝配式基礎(chǔ)）和周圍凍土協(xié)調(diào)性稍弱且對融化層影響稍大；此外，熱棒處理措施使塔基底部的地溫開始低于天然場地的地溫，有利于抑制全球氣溫升高帶來的不利影響。
(2)現(xiàn)場變形監(jiān)測結(jié)果表明，多年凍土區(qū)塔基垂直變形變化特性較復(fù)雜，沉降變形僅發(fā)生在塔基施工初期，不會對基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，主要的不利變形是工程處理不當(dāng)引起的高溫高含冰凍土凍脹變形；此外，水平變形受地溫場、凍土類型和熱棒處理措施影響較小。
(3)凍土長期穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果表明，青藏高原溫度的上升會使得季節(jié)性凍土面積明顯變大，穩(wěn)定凍土分布區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)椴环�(wěn)定凍土區(qū)域，因此必須考慮塔基類型、凍土特性以及其對地溫場和變形的影響，對塔基進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的熱棒處理措施，保證塔基長期穩(wěn)定性非常有必要。
以上這些結(jié)論為凍土區(qū)電力線路基礎(chǔ)工程的施工、運(yùn)行和穩(wěn)定性分析提供了數(shù)據(jù)資料和可靠預(yù)測。盡管如此，由于凍土的復(fù)雜性，工程施工過程中基礎(chǔ)與凍土的協(xié)調(diào)性及青藏高原升溫帶來的凍土特性改變等問題以及這些問題之間的相互影響關(guān)系尚需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。
