新疆地区750 kV线路工程冻胀地基基础上拔力计算探讨

龚 涛，周建军，刘翔云

（中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

基础工程是输电线路工程体系中的重要组成部分，准确合理的基础作用力是基础设计的充分条件。输电线路基础作用力有较大的上拔荷载，基础设计通常上拔荷载是控制条件。因此，准确地计算上拔荷载作用力尤为关键。根据《冻土地区架空输电线路基础设计技术规程》（DLT 5501—2015）5.0.3条文[1]说明，我国季节冻土和多年冻土主要分布在高纬度和高海拔地区，考虑到区域环境和气象条件的特殊性和差异性，对寒季为大风季节或寒季大风频率高的地区，可适当增加寒季风荷载。至于增加多少，规范并无明确的标准，有必要进行研究，以确保工程的可靠性。

1 冻胀时段分析

土体冻结过程实际上是土中温度的变化过程。土体的冻胀起始于某个温度，而又终于某个特定的温度，即冻胀过程的开始温度和冻胀停止温度。土体的冻结温度取决于土体的颗粒组成、含水量、颗粒的矿物成分等因素。在同一土质条件下，土体的冻结温度是随着土体含水量的增加而升高，随着含盐量的增加而降低，从土体起始冻结温度至土体冻胀开始温度阶段，是土体处于冻而未胀的冻缩阶段。所以说，土体的起始冻胀温度比土体起始冻结温度要低些。对工程具有实际意义的是土体冻胀的停止温度。20世纪七八十年代中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的吴紫汪[2]、童长江等通过大量的试验与研究得出“尽管土体土质不同，冻胀系数不同，但冻胀系数与温度的变化规律相似”的结论。

试验观测表明，从土体的起始冻结温度至土体的冻胀开始温度之间，土体要经历一个因温度降低而收缩的阶段。土体的冻胀停止温度对不同土质的土体略有差异，根据试验资料，在封闭体系中，黏土的冻胀停止温度为-8～-10 ℃，亚黏土为-5～-7 ℃，亚砂土为-3～-5 ℃，砂土为-2 ℃左右。由此可以看出，土体冻胀主要发生在温度0～-10 ℃之间。

当输电线路工程位于冻土地区时，输电线路基础设计需考虑因冻胀产生上拔力对基础的影响。根据《冻土地区架空输电线路基础设计技术规程》（DL/T 5501—2015）规定，冻胀力属于可变荷载。基础进行冻拔验算时，应采用寒季活动层冻结产生的冻胀力与相应风荷载共同作用的基础作用力组合。当无确切资料时，寒季冻结期基础上拔力设计值按式（1）估算。

其中，T0为冻结期基础上拔力设计值，kN，包括冻胀力设计值和上部结构传至基础顶面的上拔力设计值； 为寒季冻结期基础作用力折减系数，取0.6；TE为基本风速作用时，上部结构传至基础顶面的上拔力设计值，kN； 为设计冻结深度内的切向冻胀力设计值，kN；TT为基本风速对应的风荷载的60 、线条张力的100 及永久荷载共同作用下产生的基础上拔力设计值，kN。

从式（1）可以看出，当进行冻结期基础上拔力计算时，悬垂直线塔直接对基本风速作用下的基础作用力进行折减，折减系数0.6；耐张塔对基本风速的风荷载进行了折减，折减系数取值0.6。

依据阿勒泰地区布尔津县气象站累年气温的月变化情况，结合上述冻胀发生的温度条件，可以初步推断出布尔津地区冻胀主要发生在冬季的11月至次年3月。

2 风速资料分析

阿勒泰750 kV线路位于北疆的阿勒泰市布尔津县、吉木乃县。其中，布尔津在阿尔泰山脉西南麓，属北温带寒冷地区大陆性气候，夏季干热，冬季严寒，降水量小，蒸发量大，昼夜温差大，光照充足；吉木乃县属大陆性北温带寒冷气候，最高极端气温37.2 ℃，最低极端气温-38.8 ℃，县境气候干燥，降水量为202.2 mm。阿勒泰地区是新疆盛行大风的地区之一。春秋两季受东移南下冷空气的影响，多系统性大风，夏季由于热力作用，多为阵性大风。到了冬季，受蒙新高压和西南暖低压的共同作用，盛行区域性大风，出现的频率和强度都比系统性大风要明显偏多、偏强。其中“闹海风”就是一种在特殊地形作用下，伴有雪或吹雪等天气现象的猛烈大风，“闹海风”起风时间一般早于区域性大风几个小时。

本段线路所经地区位于“两山夹一谷”（即阿尔泰山—额河谷地—萨吾尔山地）的风口区域，位于阿尔泰山和萨吾尔山两山之间的河谷、平原、丘陵因地形的“狭管效应”形成一个大风区域。在西边分成两股，一股沿额河谷经哈巴河、布尔津横扫河谷、平原、丘陵一带；另一股是萨吾尔山和科克森山之间，经“闹海风”区（吉木乃）到乌伦古湖（福海），两股合并为一个大风区，在沿额河东南下至东部（富蕴、青河）。在两条风线一带，在更窄的河谷和两小山之间的狭口地方，风速特大，形成了一些大风。

a）风速仪高度的订正。工程沿线各气象站历年最大风速（10月至次年4月区间）如表1所示。气象台（站）最大风速的原始风速仪高度可能不同，同一台站不同年代的风速仪高度亦不一致，故应将各气象站的历年最大风速统一订正为距地10 m高处的风速。高度订正采用《电力工程气象勘测技术规程》（DL/T 5158—2012）的指数公式，即

表1 工程沿线各气象站历年最大风速

其中，V10为距地10 m高处的风速，m/s；ZH为风速仪距地面高度，m；VH为风速仪观测风速值，m/s；α为地面粗糙度系数，本包段线路所经区域属B类地区，α＝0.16。

b）次时订正。气象站实测最大风速，20世纪70年代以前主要为定时2 min平均最大风速，1979年以后为自记10 min平均最大风速。因为人工定时观测与自记观测相比，可能会漏掉一些大风记录，因此，对定时观测所得的数据必须通过适当修正后才能应用。次时订正采用《电力工程气象勘测技术规程》（DL/T 5158—2012）的经验公式，即

极值 I 型统计各气象站设计风速成果如表2所示。

表2 极值 I 型统计各气象站设计风速成果表

3 风荷载对上拔力设计值影响分析

由表1、表2的统计数据可以看出，工程所在的阿勒泰地区，基础冻胀发生的时间段内（11月—次年3月）10 m高50 a一遇风速是全年统计数据的89～92 。按照风压与风速的平方关系，取风荷载为基本风荷载的80 ，计算基础上拔力；分别与基本风荷载及基本风荷载60 时基础上拔力进行对比分析，分析结果如表3所示。

表3 不同风荷载取值时基础上拔力对比

直线塔风荷载为基本风荷载60 时，基础上拔力为基本上拔力的57 左右，与规范推荐的0.6倍基本风速下的上拔力基本符合；当风荷载为基本风荷载的80 时，基础上拔力为基本上拔力的72～80 ，80 基本风荷载时上拔力较60 基本风荷载时的上拔力增加26 ～40 。

耐张塔风荷载为基本风荷载60 时，基础上拔力为基本上拔力的78 左右；当风荷载为基本风荷载的80 时，上拔力为基本上拔力的90 左右；80 基本风荷载时上拔力较60 基本风荷载时上拔力增加12 ～17 。

风荷载对杆塔的上拔力存在较大的影响，因此应根据工程区气象条件选取合适的风压比例。

4 工程参数修正

根据上述分析，当本工程统计风速对应风荷载（基本风荷载的80 ）时，直线塔上拔力为基本上拔力的72 ～80 ，按0.8考虑是满足工程需求的；耐张塔按80 基本风荷载计算上拔力。即： 为寒季冻结期基础作用力折减系数，取0.8；TT为基本风速对应风荷载的80 、线条张力的100 及永久荷载共同作用下产生的基础上拔力设计值，kN。

5 考虑冻胀力时上拔力设计值对比

按照典型地质条件1.6 m标准冻胀深度，粉土，冻胀，旷野环境；不同的取值系数计算冻结期基础上拔力设计值如表4所示。

表4 考虑冻胀力作用下基础上拔力对比

考虑冻胀力作用，修正后直线塔上拔力较修正前增加15 ～25 左右，耐张塔上拔力较修正前增加10 左右。

6 结束语

由于我国幅员辽阔，各地的气象条件差异巨大，所以对输电线路进行冻土地基设计时，应加强收集工程区域的基础气象资料，并根据工程所在地冻结期气象资料来考虑风荷载的影响，确定适合的风荷载数值，准确计算上拔荷载，以保证输电线路工程的安全性。