黄元生，李鹏，严福辛，王彦兵
（1，华北电力大学，河北保定 071003;
2，国家电网公司，北京 100031;
3，国网北京经济技术研究院，北京 102209）
摘要：由于青藏高原多年冻土恶劣的工程地质条件，给青藏直流联网工程建设和运营带来了巨大的技术和经济难题。对工程沿线不同冻土类型、不同杆塔基础型式以及有无热棒处理措施的8个地段、10个基塔进行了地温和变形监测，并基于监测结果，分析了冻土地区杆塔基础地温和变形的变化规律和影响因素，预测了其在全球气候变暖条件下的长期稳定性，为冻土区杆塔基础的设计和稳定性研究提供基础数据。
关键词：青藏直流联网工程；多年冻土区：杆塔基础；地温：变形
0引言
青藏联网直流输电线路工程北起青海省格尔木，南至西藏自治区首府拉萨，线路全长约
1 038 km。线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“电力天路”之称。线路穿越多年冻土区长度为632 km，其中大片连续多年冻土区长度约为550 km,岛状不连续多年冻土区长度约为82 km。在632 km的冻土带中，年平均地温(T，。)高于一1.0℃的高温多年冻土区为275 km,高含冰量多年冻土区为221 km，高温高含冰量重叠路段约为134 km。高海拔寒区多年冻土工程地质条件给输电线路工程设计、施工增加了很大难度，而塔基在冻土条件下的长期稳定性问题便是难题之一。
青藏联网直流输电线路涉及的多年连续冻土、岛状冻土和季节冻土按含冰特征和数量可分为：含土冰层、饱冰冻土、富冰冻土、多冰冻土及少冰冻土。季节性冻土的处理工程经验已经相当成熟，在本文中不做赘述。但是对于多年冻土，根据工程需要处理措施有很多种，诸如青藏联网直流线路工程便考虑其良好的地基承载性将塔基埋深至最大融化深度之下。这种设计在工程施工和运营初期是稳定的，但设计使用年限内(50年)，塔基的耐久性缺乏相应的认识和研究。
青藏公路、青藏铁路实践经验表明，在多年冻土区年平均地温高于-1.5℃，仅采用简单工程措施的方法不能保证基础的稳定，必须采取综合治理的方法来解决该问题，而低于-1.5℃采用常规方法可以保证基础稳定。由此可知，只有在Ⅳ区（TJ< -2℃为稳定带）和部分Ⅲ区（T=一1.0~-2.0℃为基本稳定带）带内，塔基基础的稳定性才是有保证的，而在I区（Te。>-0.5℃为极不稳定带）、Ⅱ区（Tw=-0.5～-1.0℃为不稳定带）内基础的稳定性将受到极大的挑战。根据全球变暖理论估算，青藏高原年平均气温还可能上升2.2—2.6℃，温度上升会使占青藏高原2/3面积的多年冻土发生融化，进而导致冻土分布以及特性的改变，会对大型道路和工程建设产生严重影响。随着输电线路冻土基础的建设完成，冻土原有的传热过程的改变以及塔基混凝土热的良导作用，不仅会加剧冻土基础的冻融循环作用，而且会加速冻土的退化过程，同时工程可能导致的不良冻土现象，都会对塔基的长期稳定性造成重要影响。因此，对塔基的长期动态稳定性研究尤为重要。
本文通过运行初期现场监测结果，对不同冻土类型、基础类型以及不同工程处理措施（有无热棒）等因素对塔基的变形和稳定性影响进行分析，同时对冻土塔基长期稳定性做出合理的预测和分析。
1 冻土基础监测点布设位置及原则
以监测线路的关键和薄弱环节、选择高温、高含冰量冻土地段、考虑浅基础同时兼顾深基础的传热过程、考虑转角和耐张塔等关键塔基位置为原则，并结合青藏线路冻土分布的特性，选择8个地段的10个塔基对包括锥柱基础、装配式基础、掏挖基础及灌注桩基础的4种基础型式进行地温监测和变形监测，监测地段布置如图1所示。
对于锥柱和装配式基础，在塔基施工完成后，分别对回填土、基坑壁和壁外距离3m的位置进行地温监测，同填土的监测深度为4.5 m，坑壁的监测深度为15 m.基坑壁外的监测深度为15 m（见图2a））。对于掏挖和灌注桩基础，分别对基坑壁和壁外距离5m的位置进行温度监测，深度15 m（见图2b））。测温电缆在混凝土灌注之前布设于钢筋笼的外壁：壁外距离5m处的测温电缆由钻探进行布设。而变形监测点布设于塔基底部固定位置处，使用高精度全自动伺服型全站仪，并参照同家变形监测规范自动重复进行变形监测，所监测数据由全站仪自动采集。通过监测数据处理可以得到每个塔腿的垂直位移、水平位移及塔腿之间的平距和斜距等变形数据（见图2e））。地温和变形监测的基准点在每基塔基以外20 m处。监测时间白201 1年1月（基础施工完成后）至2012年4月，历时1.5个冻融循环周期。
监测塔基的位置和性质如表1所示，其中，1，2、5、7和8号场地用于研究有无热棒对锥柱基础地温和变形的影响：3和4号场地用于研究有无热棒对装配基础地温和变形的影响；5、6、9和10号场地用于研究在有热棒条件下不同基础类型对地温场和变形的影响。
2冻土基础监测结果及分析
2.1 地温监测结果及分析
总体上看，所有基础在经历了1.5个冻融循环后，底部及周围土体均处于冻结状态，说明冻土基础对天然冻土温度场产生的扰动得以恢复，可靠地保障了冻土基础稳定性（见图3）。
但由于冻土基础类型、有无热棒等因素的影响，在1.5个冻融循环周期后，基础底部及周围土体温度场的变化特性又具有各自的特点，具体表现为：
(1)由于热棒的冷能作用，塔基底部的地温开始低于天然场地的地温，并且低于无热棒的基础底部地温，说明热棒的存在明显地降低了塔基底部地温，有利于其稳定性（见图4）；
(2)灌注桩和掏挖基础周边地温场与天然冻土温度场基本一致，而大开挖（锥柱和装配式基础）基础回填土的冻土温度场会有所上升，多数比天然场地大约1 m,个别达到2 m,但增加幅度均小于0.5℃（见图5）。
2.2变形监测结果及分析
塔基的变形主要包括：垂直变形和平面变形。受塔基类型和有无热棒等因素的影响，塔基变形也表现出不同的特性。
2.2.1 垂直变形
塔基的垂直变形主要包括沉降变形、冻胀变形和趋于平缓的变形（见图6），在1.5个冻融循环周期之后，塔基的垂直变形大都处于稳定状态，说明塔基具有良好的长期稳定性。
但受限于施工等冈素的影响，塔基的沉降变形和冻胀变形具有不同的变化特性：
(1)塔基的沉降变形主要发生在塔基建成初始阶段，这阶段的变形主要是由于基础自重引起的冻土内应力调整。
(2)塔基的冻胀变形与其底部冻土的热扰动有关，主要发生在高温高含冰量冻土地段，推测原因是施工过程中基底排水不当所致。
2.2.2水平变形
塔基的平面变形主要反映为其根开大小的变化。虽然监测塔基有转角塔和耐张塔，但由于其主要受到垂向压力或拉力作用，且场地地势较为平缓，塔基的监测结果显示其根开基本没有太大的变化（见图7），因此塔基平面变形除在初期变化范围大外，后续过程中基本保持平稳，说明场地类型、冻土类型和基础类型以及地温场对平面变形影响小，可忽略不计。
3 冻土基础长期稳定性分析
文献[7]对全球气温上升时，青藏高原冻土分布特性的改变做出了预测和评判。在青藏高原气温上升1℃、2℃和2.6℃时，青藏直流联网输电线路工程多年冻土的变化情况如图8所示。
从图8可知，气温升高后，工程区内季节性冻土区的面积将明显增加，多年冻土稳定区和基本稳定区的比例将明显减小，会对塔基的长期稳定性产生较大的影响，结合上述监测塔基的地温和变形数据，其长期稳定性的预测和分析如下：
(1)气温的升高使处于I区、Ⅱ区的塔基转变为季节性冻土区的塔基，由于该区域的处理措施与按照季节性冻土区塔基处理措施一致，基础的长期稳定性良好：但Ⅲ区和Ⅳ区的部分稳定性塔基将会向着I区、Ⅱ区的较稳定塔基转变，需加强安全巡检工作：
(2)塔基底部和周围土体在1.5个冻融循环周期过后，地温场与天然冻土温度场基本一致，铁塔基础的稳定性与冻土环境的稳定性相协调，基础的长期稳定性是有保障的：
(3)在1.5个冻融循环周期过后，有热棒措施处理的塔基，其地温已经略低于天然场地温，且低于气温升高引起的冻土升温，说明热棒对促进塔基的长期稳定性是非常有利的。
4结论和建议
冻土是复杂环境作用的产物，其工程效应受环境、地形地貌以及工程活动制约。本文在分析不同基础类型、有无热棒条件下塔基地温场和变形监测结果以及全球气温升高对工程沿线冻土分布特性影响的基础上，对输电线路冻土塔基长期稳定性进行了研究，得到以下结论：
(1)现场地温监测结果表明，在约1.5个冻融循环后，塔基底部与周围土体处于冻结状态，
整体性较好；灌注桩和掏挖基础和周围冻土协调性良好且对融化层影响小，而大开挖基础（锥柱和装配式基础）和周围冻土协调性稍弱且对融化层影响稍大；此外，热棒处理措施使塔基底部的地温开始低于天然场地的地温，有利于抑制全球气温升高带来的不利影响。
(2)现场变形监测结果表明，多年冻土区塔基垂直变形变化特性较复杂，沉降变形仅发生在塔基施工初期，不会对基础稳定性产生较大影响，主要的不利变形是工程处理不当引起的高温高含冰冻土冻胀变形；此外，水平变形受地温场、冻土类型和热棒处理措施影响较小。
(3)冻土长期稳定性预测结果表明，青藏高原温度的上升会使得季节性冻土面积明显变大，稳定冻土分布区域转变为不稳定冻土区域，因此必须考虑塔基类型、冻土特性以及其对地温场和变形的影响，对塔基进行动态设计和相应的热棒处理措施，保证塔基长期稳定性非常有必要。
以上这些结论为冻土区电力线路基础工程的施工、运行和稳定性分析提供了数据资料和可靠预测。尽管如此，由于冻土的复杂性，工程施工过程中基础与冻土的协调性及青藏高原升温带来的冻土特性改变等问题以及这些问题之间的相互影响关系尚需要进一步的研究和验证。
