新疆地區750 kV線路工程凍脹地基基礎上拔力計算探討

龔 濤，周建軍，劉翔云

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

基礎工程是輸電線路工程體系中的重要組成部分，準確合理的基礎作用力是基礎設計的充分條件。輸電線路基礎作用力有較大的上拔荷載，基礎設計通常上拔荷載是控制條件。因此，準確地計算上拔荷載作用力尤為關鍵。根據《凍土地區架空輸電線路基礎設計技術規程》（DLT 5501—2015）5.0.3條文[1]說明，我國季節凍土和多年凍土主要分布在高緯度和高海拔地區，考慮到區域環境和氣象條件的特殊性和差異性，對寒季為大風季節或寒季大風頻率高的地區，可適當增加寒季風荷載。至于增加多少，規范并無明確的標準，有必要進行研究，以確保工程的可靠性。

1 凍脹時段分析

土體凍結過程實際上是土中溫度的變化過程。土體的凍脹起始于某個溫度，而又終于某個特定的溫度，即凍脹過程的開始溫度和凍脹停止溫度。土體的凍結溫度取決于土體的顆粒組成、含水量、顆粒的礦物成分等因素。在同一土質條件下，土體的凍結溫度是隨著土體含水量的增加而升高，隨著含鹽量的增加而降低，從土體起始凍結溫度至土體凍脹開始溫度階段，是土體處于凍而未脹的凍縮階段。所以說，土體的起始凍脹溫度比土體起始凍結溫度要低些。對工程具有實際意義的是土體凍脹的停止溫度。20世紀七八十年代中國科學院寒區旱區環境與工程研究所的吳紫汪[2]、童長江等通過大量的試驗與研究得出“盡管土體土質不同，凍脹系數不同，但凍脹系數與溫度的變化規律相似”的結論。

試驗觀測表明，從土體的起始凍結溫度至土體的凍脹開始溫度之間，土體要經歷一個因溫度降低而收縮的階段。土體的凍脹停止溫度對不同土質的土體略有差異，根據試驗資料，在封閉體系中，黏土的凍脹停止溫度為-8～-10 ℃，亞黏土為-5～-7 ℃，亞砂土為-3～-5 ℃，砂土為-2 ℃左右。由此可以看出，土體凍脹主要發生在溫度0～-10 ℃之間。

當輸電線路工程位于凍土地區時，輸電線路基礎設計需考慮因凍脹產生上拔力對基礎的影響。根據《凍土地區架空輸電線路基礎設計技術規程》（DL/T 5501—2015）規定，凍脹力屬于可變荷載?；A進行凍拔驗算時，應采用寒季活動層凍結產生的凍脹力與相應風荷載共同作用的基礎作用力組合。當無確切資料時，寒季凍結期基礎上拔力設計值按式（1）估算。

其中，T0為凍結期基礎上拔力設計值，kN，包括凍脹力設計值和上部結構傳至基礎頂面的上拔力設計值； 為寒季凍結期基礎作用力折減系數，取0.6；TE為基本風速作用時，上部結構傳至基礎頂面的上拔力設計值，kN； 為設計凍結深度內的切向凍脹力設計值，kN；TT為基本風速對應的風荷載的60 、線條張力的100 及永久荷載共同作用下產生的基礎上拔力設計值，kN。

從式（1）可以看出，當進行凍結期基礎上拔力計算時，懸垂直線塔直接對基本風速作用下的基礎作用力進行折減，折減系數0.6；耐張塔對基本風速的風荷載進行了折減，折減系數取值0.6。

依據阿勒泰地區布爾津縣氣象站累年氣溫的月變化情況，結合上述凍脹發生的溫度條件，可以初步推斷出布爾津地區凍脹主要發生在冬季的11月至次年3月。

2 風速資料分析

阿勒泰750 kV線路位于北疆的阿勒泰市布爾津縣、吉木乃縣。其中，布爾津在阿爾泰山脈西南麓，屬北溫帶寒冷地區大陸性氣候，夏季干熱，冬季嚴寒，降水量小，蒸發量大，晝夜溫差大，光照充足；吉木乃縣屬大陸性北溫帶寒冷氣候，最高極端氣溫37.2 ℃，最低極端氣溫-38.8 ℃，縣境氣候干燥，降水量為202.2 mm。阿勒泰地區是新疆盛行大風的地區之一。春秋兩季受東移南下冷空氣的影響，多系統性大風，夏季由于熱力作用，多為陣性大風。到了冬季，受蒙新高壓和西南暖低壓的共同作用，盛行區域性大風，出現的頻率和強度都比系統性大風要明顯偏多、偏強。其中“鬧海風”就是一種在特殊地形作用下，伴有雪或吹雪等天氣現象的猛烈大風，“鬧海風”起風時間一般早于區域性大風幾個小時。

本段線路所經地區位于“兩山夾一谷”（即阿爾泰山—額河谷地—薩吾爾山地）的風口區域，位于阿爾泰山和薩吾爾山兩山之間的河谷、平原、丘陵因地形的“狹管效應”形成一個大風區域。在西邊分成兩股，一股沿額河谷經哈巴河、布爾津橫掃河谷、平原、丘陵一帶；另一股是薩吾爾山和科克森山之間，經“鬧海風”區（吉木乃）到烏倫古湖（福海），兩股合并為一個大風區，在沿額河東南下至東部（富蘊、青河）。在兩條風線一帶，在更窄的河谷和兩小山之間的狹口地方，風速特大，形成了一些大風。

a）風速儀高度的訂正。工程沿線各氣象站歷年最大風速（10月至次年4月區間）如表1所示。氣象臺（站）最大風速的原始風速儀高度可能不同，同一臺站不同年代的風速儀高度亦不一致，故應將各氣象站的歷年最大風速統一訂正為距地10 m高處的風速。高度訂正采用《電力工程氣象勘測技術規程》（DL/T 5158—2012）的指數公式，即

表1 工程沿線各氣象站歷年最大風速

其中，V10為距地10 m高處的風速，m/s；ZH為風速儀距地面高度，m；VH為風速儀觀測風速值，m/s；α為地面粗糙度系數，本包段線路所經區域屬B類地區，α＝0.16。

b）次時訂正。氣象站實測最大風速，20世紀70年代以前主要為定時2 min平均最大風速，1979年以后為自記10 min平均最大風速。因為人工定時觀測與自記觀測相比，可能會漏掉一些大風記錄，因此，對定時觀測所得的數據必須通過適當修正后才能應用。次時訂正采用《電力工程氣象勘測技術規程》（DL/T 5158—2012）的經驗公式，即

極值 I 型統計各氣象站設計風速成果如表2所示。

表2 極值 I 型統計各氣象站設計風速成果表

3 風荷載對上拔力設計值影響分析

由表1、表2的統計數據可以看出，工程所在的阿勒泰地區，基礎凍脹發生的時間段內（11月—次年3月）10 m高50 a一遇風速是全年統計數據的89～92 。按照風壓與風速的平方關系，取風荷載為基本風荷載的80 ，計算基礎上拔力；分別與基本風荷載及基本風荷載60 時基礎上拔力進行對比分析，分析結果如表3所示。

表3 不同風荷載取值時基礎上拔力對比

直線塔風荷載為基本風荷載60 時，基礎上拔力為基本上拔力的57 左右，與規范推薦的0.6倍基本風速下的上拔力基本符合；當風荷載為基本風荷載的80 時，基礎上拔力為基本上拔力的72～80 ，80 基本風荷載時上拔力較60 基本風荷載時的上拔力增加26 ～40 。

耐張塔風荷載為基本風荷載60 時，基礎上拔力為基本上拔力的78 左右；當風荷載為基本風荷載的80 時，上拔力為基本上拔力的90 左右；80 基本風荷載時上拔力較60 基本風荷載時上拔力增加12 ～17 。

風荷載對桿塔的上拔力存在較大的影響，因此應根據工程區氣象條件選取合適的風壓比例。

4 工程參數修正

根據上述分析，當本工程統計風速對應風荷載（基本風荷載的80 ）時，直線塔上拔力為基本上拔力的72 ～80 ，按0.8考慮是滿足工程需求的；耐張塔按80 基本風荷載計算上拔力。即： 為寒季凍結期基礎作用力折減系數，取0.8；TT為基本風速對應風荷載的80 、線條張力的100 及永久荷載共同作用下產生的基礎上拔力設計值，kN。

5 考慮凍脹力時上拔力設計值對比

按照典型地質條件1.6 m標準凍脹深度，粉土，凍脹，曠野環境；不同的取值系數計算凍結期基礎上拔力設計值如表4所示。

表4 考慮凍脹力作用下基礎上拔力對比

考慮凍脹力作用，修正后直線塔上拔力較修正前增加15 ～25 左右，耐張塔上拔力較修正前增加10 左右。

6 結束語

由于我國幅員遼闊，各地的氣象條件差異巨大，所以對輸電線路進行凍土地基設計時，應加強收集工程區域的基礎氣象資料，并根據工程所在地凍結期氣象資料來考慮風荷載的影響，確定適合的風荷載數值，準確計算上拔荷載，以保證輸電線路工程的安全性。