高寒地区输电线路杆塔基础设计分析
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作者: 招健灼
摘要：高寒地区的气候特点致使输电杆塔的设计应综合考虑当地的气候条件和施工状况，高寒地区冰冻的气候以及高寒地区的地质类型对输电现了杆塔基础的设计造成了影响，从而在相应的输电线路的杆塔基础设计过程中，应针对杆塔基础设计的具体状况进行分析，从而建立具体而有针对性的输电线路的杆塔基础设计，建立优化的输电线路的杆塔体系。
关键词：高寒地区；输电线路；杆塔；基础设计；分析
高寒地区位于严寒地带，属于高纬度，冬季寒冷而漫长，夏季凉爽而短暂。整个地区气温相差较大，由于高寒地区独特的气候特点与地形地势特点，高寒地区的输电线路的施工和设计还应建立在对高寒地区气候特点的了解以及相应气候变化规律的掌握基础之上。相应人员通过对高寒地区地形地势特点的原因分析和规律的掌控实现了对相应输电线路的科学和具体考虑，并能在设计过程中充分结合工程项目设计的经济因素等多方面的要素，从而设计出最优化的工程项目的设计和施工管理。
一、高寒地区的气候特点
高寒地区处于严寒地带，冬短夏长，常年气温较低，受到低温的影响，高寒地区冻土常年不化。高寒地区也因其地势高而具有气压低、空气稀薄以及气候相对恶劣的气候特点。并且由于高寒地区的地形地势特点，高寒地区气候复杂多变，冬季的气候特点具有冬季持续时间长，春季寒潮大风较多，夏季的气候特点多雷雨天气，秋季较短，冬季寒潮并有暴风雪。
二、高寒地区的地质特点
由于高寒地区的地势和气候特点，高寒地区的冻土常年不化，从而在高寒地带形成了相应地区的独特地质特点。高寒地区的冻土实际上是一种特殊成分的土体结构，冻土具体的成分、结构以及其力学性质与一般的土体不同，具有以下几种类型：
1、冻土类型
经研究表明，冻土是一种成分特殊的土体，冻土的结构、成分、热物理及力学性能与一般土体不同。高寒地区的冻土类型分为多年冻土以及季节性冻土两种类型，高寒地区的输电线路的设计分析应通过对相应冻土进行有效分析，从而建立优化的电线杆塔的基础设计和分析
1）多年冻土。通常称为永冻层，多年冻土层呈岛状，高寒地区的多年冻土处于高纬度，整体及层状构造为非衔接性的多年冻土。多年冻土的局部属于衔接性多年冻土，并且是富冰以及多冰冻土。一般状况下，多年冻土的厚度为在3-9米之间，其上限距地表为3.5-11米，而下限距地表深度为7-20米。同时，冻土融沉的类别为弱融沉、融沉。多年冻土主要存在于河漫滩、河谷沼泽地以及阶地。
2）季节性冻土。主要分布在河漫滩、河谷、阶地及沼泽地地下水埋藏浅的地段。最大冻结深度范围内的粘性土、粉土、粉细砂及中砂具有冻胀性，冻胀类别为强冻胀与特强冻胀，然而砾石、砾砂和碎石的冻胀一般为不冻胀或弱冻胀。由此，在高寒地区的砂地低凹地土层、丘陵的含水量较高，冻结深度范围内的土层冻胀为弱冻胀和冻胀。
2、对杆塔基础的影响
1）高寒地区的输电线路的杆塔基础设计应建立在高寒地区的冻土地区的分析基础之上，形成有效的分析和管理模式，高寒地区的冻土区周围容易形成高寒杆塔基地冻胀现象，高寒地区应通过多难冻土以上季节融化层，以及深季节冻土层。然而，对于那些基本状况稳定以及低温稳定的多年冻土发展，深季节的冻土层融化层厚度相对较小，冻结速度较快，致使冻土地区的水分迁移较小，相对而言冻胀较轻。此外，对于那些高温不稳的多年冻土，由于其季节融化厚度比较大，同时冻结速度慢，因此如果有细颗粒土壤等补给水分时，就会出现较大的水分迁移现象，从而造成严重的冻胀现象不利于高寒地区输电线路的使用。
2）对于冻土区所埋藏的较浅的活动层，其一般每年都会发生季节性的融化或者冻结现象，尤其是在多年冻土上限附近存在厚层地下冰时，更加容易受到天然因素或人为活动的影响出现下沉。因此，这也是输电工程中解决多年冻土融沉和不良冻土现象对杆塔基础造成影响的重要依据。
三、高寒地区杆塔基础设计及施工措施
1、输电线路杆基础设计及处理措施
输电线路杆基础设计和建设具有施工周期短、造价低、加工方便以及占地少等特点，从而使得其广泛应用于110 kV及以下电压等级中，尤其是在66 kV及以下的电压等级输电体系中运用得更加普遍。电杆基础在高寒地区主要存在两个问题：首先高寒地区的天气恶劣，冻胀、融沉使得电杆倾斜；其次是电杆基础本身的冻胀问题，由于电杆一般呈现环形结构，若直接将电杆埋入低温敏感冻土区及富水区，电杆的基础则可能产生胀裂而导致电杆失效。高寒地区的输电线路的设计应通过相应施工建设确保电杆与土体的接触面积小，致使高寒地区的冻胀效果不明显。并为防止高寒地区的电杆胀裂，必须在下段特加工成实心段，防止受水分迁移及填充冻胀的影响。此外，对于基础稳定性较差的单杆，将电杆做四角拉线，最好杆体加装叉梁并且采用双向卡盘，保证电杆的四个方向受力均匀，同时还需在埋深范围内回填不敏感的砂卵石，从而有利于保持地基冻土状态及电杆的基础稳定，还要确保电杆的基础埋深要大于最大融化层。
2、高寒地区输电线路的杆塔基础设计及处理措施
1）联合沉井式基础
联合沉井式输电线路杆塔的主要通过采用水泥预制井筒作为沉管，然后在直柱部分进行配筋，最后灌注素混凝土而成。该设计形式适用于地质为亚砂土、砂土，切向冻胀力为5~20 kN并且冻胀力较小的地段，最大优点在于杆塔施工中的土方开挖量少，从而有效解决塌方问题。要根据配重较大配以连梁，从而实现了抗冻胀能力，但在井筒尺寸的选择中，应进行抗拔、抗压验算，以及对于计算上拔力验算时，直接将切向冻胀力加到上拔力中进行基础验算。
2）灌注桩式基础
灌注桩式的输电线路杆塔的基础设计通过深入季节冻土层之下的桩身与土壤的摩擦来抵消法向冻胀力和基础上拔力。从而能输电杆塔在多年冻土区可以保持原状土态不融化，并且通过通过杆塔基础防止地基下沉。如果仅是为了单纯地克服冻胀力的作用，如果冻胀力为60~120 kN，则可以采用浅桩基础，确保其桩深在10 米左右即可满足。但是，如果还要考虑到河网冲刷及上拔力、下压力的情况，则根据实际的地质参数和基础作用力进行计算来确定桩的深度。因此，对于进行桩式基础在上拔力和位移验算时，分别将冻胀力的切向分量及法向分量加到上拔力及水平力中进行验算，经验表明，桩式基础是抵抗冻胀变形及基础下沉最有效的方式。
3）梯形斜面基础
梯形斜面基础的主要特点是不需要配筋，同时基础采用素混凝土浇筑成梯形。因为高寒地区冻结及融化地深度通常为3.0 米左右，从而采用这种上小下大的坡面可以有效地抵消切向冻胀力。同时，为了能够更好地达到抗冻胀效果，施工时的工艺要求表面必须光滑。此外，该基础适用于地下水位在1.0 米以下，冻胀力为20~40 kN，坡面的锥度一般为1/6，并且施工排水较为方便的情况。因此，在抗拔验算时，将冻胀力加到上拔力进行验算，从而算出更合适的值。但是，对于地下水位较高的情况，必须采用浮容重进行上拔力的验算，如果上拔力大于600 kN时，由于梯形基础体积要求比较大，使得施工难度大增，这时可以考虑采用灌注桩基础，从而确保输电线路杆塔基础设计的过关。
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