CN102817380A - 增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，该措施是指首先在输电线路的塔基基础周围埋设重力式热管；然后在所述塔基基础的顶部桩端及桩体周围水平层布设保温材料；最后在地表以上围绕所述塔基基础的塔腿修筑并密实高出地表带坡降的土层即可；所述土层的内部铺设有带坡降的隔水膜。本发明将重力式热管和保温材料进行有效结合，不但可以大幅减少重力式热管的实际应用数量，在工程上可以大幅降低工程投资，减少施工难度、缩短工程措施的施工周期，而且本发明总体效能与采用热棒单一措施相比，其对输电线路冻土塔基的整体降温效能和维持塔基基础的长期稳定性均得到成倍提高和根本改变。

Description

增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施

技术领域

本发明涉及输电线路塔基冻土基础技术领域，尤其涉及增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，按冻土保持时间的长短主要分为季节冻土（半月至数月）、多年冻土（一年以上）。我国青藏高原是世界上高海拔低纬度多年冻土分布最为广阔的区域，冻土不仅由于冰的存在其性质会较融土发生复杂和根本性的改变，而且在多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，更会形成厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，会导致冻土和地下冰退化和融化，会导致各种工程灾害的产生、对各种重大工程建筑稳定性产生重要影响。

青藏直流输电线路工程是我国西部大开发战略的重要组成，是改善西藏各族人民生产生活条件、推进西藏跨越式发展和长治久安的重大工程。青藏交直流联网工程格尔木-拉萨±400千伏直流输电工程穿越550 km 的多年冻土地段，线路修建后冻土条件不可避免要发生变化，而该种变化不可避免地对塔基稳定性产生重要影响。输电线路工程属于点线工程，每个点的安全、每个基塔的稳定都事关整条输电线路的安全和稳定。

在多年冻土区重大工程中，青藏公路、青藏铁路主要通过高路堤修筑，减缓工程对冻土的作用和影响，通过其它一些保护多年冻土工程措施的应用来降低冻土的温度、增强冻土基础的稳定。而输电线路的塔基均是深入地下、深入多年冻土的内部，直接与冻土发生相互作用，因此，对冻土的影响也最为直接、最为剧烈，而冻土温度的升高、融化对塔基稳定性的影响也最为迅速。

目前青藏直流输电线路工程在多年冻土区采用的塔基基础型式主要为锥柱基础、装配式基础以及掏挖桩、灌注桩等基础型式。这些基础型式的主要特点在于桩径大、桩基埋深相对较浅，由于混凝土和内部大量的钢筋都导致整体塔基导热性能很强，夏季桩基上端和周边地表热量都会通过塔基快速、大量地传递到下部的冻土体中，并对塔基的冻土基础稳定性造成重要影响。虽然，现有输电线路工程采用了热棒（即重力式热管）保护冻土的降温措施，但是，由于热棒只是在冬季工作有限的几个月，塔基夏天暖季对热量的导热作用，在很大程度上削弱了冬季的降温效能。模拟计算结果表明，正是由于塔基快速热传导作用，在青藏高原未来50年气候升高2.6℃情景模式下，在年平均地温为-1.0℃的多年冻土区，塔基下部的冻土在未来5年内就可以快速升高0.5℃，整体冻土退化速率将加快一倍左右，在这种情况下，通过热棒的使用也难以从根本上改变冻土升温的趋势，甚至在一些情况下，冻土也开始发生融化，塔基开始失稳。

与此同时，对于锥柱基础、装配式基础等型式是受工程结构的要求，在施工过程中，不可避免地进行基础的大开挖，即首先开挖基坑，然后在基坑内进行桩基的混凝土浇注和拼装，最后在进行土方的回填，一般开挖深度达到6m以上。由于，回填土在受到完全扰动后，难以完全密实和恢复到原有的土层结构。同时，青藏直流联网冻土工程受地下水的影响，塔基基础绝大部分完成于冬季，受冬季寒冷气温的影响，回填土更加难以密实。由此造成回填土在暖季的融沉过程导致基坑边缘和内部大量裂隙、裂缝的存在（如图1所示），据此导致的严重后果是，下部冻土直接暴露于外界，暖季降水直接侵入到冻土层内，对冻土的稳定性造成严重影响。另外，水分的大量侵入，在冻融循环过程中，由于水分在冻结和融化伴随体积的膨胀和缩小，从而导致冻胀、融沉等次生灾害的产生。这些都对塔基的长期稳定性造成重要威胁。

综上所述，面对多年冻土区输电线路重大工程建设的需要，面对塔基传热过程对塔基冻土基础稳定性造成的重要影响，以及回填土大量存在的裂隙、裂缝导致的水热侵入对冻土的影响，以及可能造成的次生冻融灾害等问题，都是现代气候影响下如何保证青藏直流输电线路工程长期稳定亟待解决的关键难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效冷却多年冻土区输电线路塔基基础、防止地表水分侵扰的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施。

为解决上述问题，本发明所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：该措施是指首先在输电线路的塔基基础周围埋设重力式热管；然后在所述塔基基础的顶部桩端及桩体周围水平层布设保温材料；最后在地表以上围绕所述塔基基础的塔腿修筑并密实高出地表带坡降的土层即可；所述土层的内部铺设有带坡降的隔水膜。

所述塔基基础为锥柱基础、装配式基础、掏挖式桩基础、灌注桩基础中的任意一种。

所述塔基基础的每个基坑边缘分别埋设1~4根所述重力式热管。

所述保温材料为聚苯乙烯（EPS）板、聚氨脂（PU）板、注塑聚苯乙烯（XPS）板中的一种或几种组合，其厚度为2~20cm。

所述水平层保温材料的埋设深度为地表以下0.0m~2.0m，范围为3~5m×3~5m，且沿所述塔基基础的桩体水平向外延伸2~5m。

所述土层的厚度为0.5m~1.5m，范围为5m×5m，坡度为1:5~1:20，其密实度为0.5~1.0。

所述隔水膜为PVC膜、土工布、彩条布中的一种，且其距离所述土层表面以下0.10~50cm，其坡度为1:5~1:20。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明充分结合输电线路塔基塔基点式基础的特点，通过塔基的周边布设的重力式热管，有效发挥重力式热管点式降温的特长，通过两者的有效结合达到对塔基底部冻土基础关键部位降温的目的，通过有限热管的应用，达到最优工程效果的目的。

2、本发明通过在塔基的顶部桩端，桩体周围布设一定厚度的保温材料，有效阻止了暖季热扰动对冻土稳定性的不利影响，并使冬季热管蓄冷作用得到充分发挥。

3、本发明采用保温材料克服了由于冻结和融化过程会塔基稳定性造成极为不利的影响，其中包括融化深度加剧、回冻过程对桩基的冻拔作用、冻结和融化过程对塔基的冻融风化物理侵蚀作用等等，有效阻止了融化深度的增加，可以有效减少各种不利现象和作用的产生。

4、本发明将重力式热管和保温材料进行有效结合，不但可以大幅减少重力式热管的实际应用数量，在工程上可以大幅降低工程投资，减少施工难度、缩短工程措施的施工周期，而且本发明总体效能与采用热棒单一措施相比，其对输电线路冻土塔基的整体降温效能和维持塔基基础的长期稳定性均得到成倍提高和根本改变。

5、本发明采用以塔腿为中心具有一定坡降的高出地表的土层，在阻止塔基周边地表水分聚集的同时可作为回填土的沉降补充，以保证该土层始终高出地表，同时在其内部铺设隔水膜，进一步阻止通过回填土裂隙下渗的水分，因此，本发明通过这种二元阻水结构，可以从不同层次和不同数量上减少暖季降水对塔基稳定性的影响，并进一步有效阻止水分对塔基稳定性的热影响，以及可能产生的次生冻融灾害，从而达到高效冷却多年冻土区输电线路塔基基础、防止地表水分侵扰的目的。

6、保护环境。采用本发明可以提高基础的稳定性，减少了工程维护和后期工程病害的施工，在青藏高原极为脆弱的自然环境条件下间接地起到了对环境的良好保护作用。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为受回填土的回填密实度和冻融循环的影响在基坑周边产生的裂隙图。

图2 是本发明剖面结构示意图。

图3 是本发明最大融化深度数值仿真计算结果对比图，即暖季最大融化深度时刻0℃地温等值线分布对比图。

图4 是青藏直流联网冻土工程实测塔基3m深度水分随时间变化过程。

图5是青藏直流联网冻土工程实测塔基3m对应深度地温随时间变化过程。

图中：1—塔基基础    2—重力式热管    3—保温材料    4—土层   5—隔水膜。

具体实施方式

如图2所示，增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，该措施是指首先在输电线路的塔基基础1周围埋设重力式热管2；然后在塔基基础1的顶部桩端及桩体周围水平层布设保温材料3；最后在地表以上围绕塔基基础1的塔腿修筑并密实高出地表带坡降的土层4即可；土层4的内部铺设有带坡降的隔水膜5。

其中：塔基基础1为锥柱基础、装配式基础、掏挖式桩基础、灌注桩基础中的任意一种。

塔基基础1的每个基坑边缘分别埋设1~4根重力式热管2。

保温材料3为聚苯乙烯（EPS）板、聚氨脂（PU）板、注塑聚苯乙烯（XPS）板中的一种或几种组合，其厚度为2~20cm。水平层保温材料3的埋设深度为地表以下0.0m~2.0m，范围为3~5m×3~5m，且沿塔基基础1的桩体水平向外延伸2~5m。

土层4的厚度为0.5m~1.5m，范围为5m×5m，坡度为1:5~1:20，其密实度为0.5~1.0。

隔水膜5为PVC膜、土工布、彩条布中的一种，且其距离土层4表面以下0.10~50cm，其坡度为1:5~1:20。

实施例1    增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，该措施是指：

⑴在已完成输电线路基础施工的场地，在输电线路每个正方形塔基基础1基坑的顶角位置钻探插入1根重力式热管2，每个基坑插入4根重力式热管2，每基塔基基础1埋设16根重力式热管2。

⑵在每个塔腿四周3m × 3m范围内挖至0.5m深度的坑槽，然后在平整的坑槽底部紧靠塔基基础1水平铺设10cm厚的XPS保温材料3。

⑶对XPS保温材料3以上的塔基基础1桩端部分现场进行保温材料3的发泡处理，使得保温材料3与桩端紧密结合且使得保温材料3成为整体。

⑷回填土方至地表，并加以密实，完成保温材料的铺设。

⑸在地表围绕塔腿修筑并密实高出地表具有一定坡降的土层4，土层4范围为5m×5m，最高处厚1.0m，边缘厚0.5m。在修筑过程中不断分层夯实，在该土层4高出地表最高处为30cm、边缘10cm的时候，平整场地，铺设隔水膜5，然后完成整个土层4的修筑工作。

为验证该种措施的效能，结合上述的结构，在室内进行了不同条件下数值仿真分析计算的对比分析，由计算结果可以看到，通过使用本发明的重力式热管和保温材料的复合结构形式（计算结果简称“复合结构”），将现有工程中使用的热管结构型式（计算结果简称“单一结构”）的降温效能提高3倍多，同时塔基周围的冻融作用强度得到极大缓解，冻土温度得到快速、有效降低。其中：

①效能提高方面：

通过地表以下3.0 m深度、以及塔基为中心的3m×3m范围的热量传热过程的指标“热流”对比发现：措施开始实施的前期，在年变化过程中，两种结构均为放热过程，其中，单一结构的年平均热流密度为106 J·m^-2·h^-1；复合结构为342 J·m^-2·h^-1，后者为前者的3倍多。同时，在未来50年青藏高原气温升高2.6℃情景模式下，对这些措施的长期效能的对比发现，从第18年开始单一结构的措施开始出现吸热热流，冻土开始发生快速退化；而复合结构在第18年依然为放热热流，其强度仅消弱30%，在整个50年内，均保持放热过程，保持了冻土的长期稳定。从这看出，通过本发明的实施，输电线路塔基的整体降温效能和长期稳定性得到大幅提高。

②改变冻融循环作用方面：

对比不同工况条件下暖季最大融化深度时刻0℃等值线（图3）。由计算结果可以看到，本发明通过保温材料对上部热量的有效阻挡，融化深度大幅降低。单一措施条件下，大融化深度为3.8m；在复合措施作用下最大融化深度仅为1.4m，减少了2.4m。同时，较天然条件下的最大融化深度1.9m减少了0.5m。由此可以看出，本发明可有效避免基础冻融循环过程冻胀、融沉对塔基产生的不利影响。

另外需要特别注意，青藏直流联网工程冻土监测的实际资料表明，由于暖季降水通过裂缝侵入塔基对塔基温度的变化具有重要影响。在多年冻土上限为2m深度的观测场，在3m深度的位置，即多年冻土内部水分在暖季急剧上升，说明水分随地表裂隙已经进入到冻土的内部（图4）。而与水分探头对应深度的地温观测结果表明，随着对应深度水分的变化其温度快速升高（图5），其正温出现时间提前一个多月，升温幅度较正常情况增加5-6℃，由此充分说明水分侵入对地温场的重要影响。如果通过本发明有效消除该种水分热侵蚀的影响，其整体效能可在原有基础上还将较单一措施得到进一步提升。

Claims (7)

1.增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：该措施是指首先在输电线路的塔基基础（1）周围埋设重力式热管（2）；然后在所述塔基基础（1）的顶部桩端及桩体周围水平层布设保温材料（3）；最后在地表以上围绕所述塔基基础（1）的塔腿修筑并密实高出地表带坡降的土层（4）即可；所述土层（4）的内部铺设有带坡降的隔水膜（5）。

2.如权利要求1所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述塔基基础（1）为锥柱基础、装配式基础、掏挖式桩基础、灌注桩基础中的任意一种。

3.如权利要求1所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述塔基基础（1）的每个基坑边缘分别埋设1~4根所述重力式热管（2）。

4.如权利要求1所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述保温材料（3）为聚苯乙烯板、聚氨脂板、注塑聚苯乙烯板中的一种或几种组合，其厚度为2~20cm。

5.如权利要求4所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述水平层保温材料（3）的埋设深度为地表以下0.0m~2.0m，范围为3~5m×3~5m，且沿所述塔基基础（1）的桩体水平向外延伸2~5m。

6.如权利要求1所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述土层（4）的厚度为0.5m~1.5m，范围为5m×5m，坡度为1:5~1:20，其密实度为0.5~1.0。

7.如权利要求1所述的增强输电线路塔基冻土基础稳定性的措施，其特征在于：所述隔水膜（5）为PVC膜、土工布、彩条布中的一种，且其距离所述土层（4）表面以下0.10~50cm，其坡度为1:5~1:20。

Images