1、输变电基础防冻胀的研究摘要：本文深入研究分析了低温地区冻土层地质环境的变化规律，针对该类地区的输电线线路的架设提出了有针对性的解决方案，以期待为电力工程建设提供有参考价值的建议。 关键词：输变线线路；冻土；防冻；研究 中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号： 我国东北地区长年处于低寒气温环境，在持续低温天气的冷冻下，土层会严重冻结，形成较厚的冻土层；随着夏季的到来，温度上升，会导致冻土发生自然沉降。而在这样的区域上方建设输电线路电网，会导致线杆和塔发生倾斜倒塌，直接破坏输电线路的正常工作。因此，如何更好的提高低寒地区的电网稳定性，是电力企业必须认真面对的问题。 1 产生上拔的机理 输变
2、电塔基发生的上拔现象，是附近的土层在冻结过程中发生的通胀到导致的。冻胀现象产生的原理是，土层在冻结时，土层深处的水分不断向上运动，在冻结区不断累积，形成新的冰层。 土中包含的水量可以是自由水也可以是固态的冰，根据不同的土质对水的影响，可以将土层水分成强结合水和弱结台水两种；自由水分重力水和毛细水 重力水在 0冻结成冰，毛细水受表面张力作用，冰点稍低于 0c；结合水的冻结温度的冰点是随所受引力变化而变化，弱结台水最外层冰点为一 O5 ，内层冰点在温度达到-20 摄氏度-30 摄氏度时，才可被彻底冻结，即使在零下 80 摄氏度的温度环境里，强结合水依然不会冻结。 在自然冻结过程中，如果土质内部温度
3、达到零摄氏度时，土层中的液态水会率先冻结成固体状态。如果土层温度持续降低，弱结合水会开始出现冻结现象，随着温度的不断降低，弱结合水周边会开始出现结晶体，此时土层颗粒对水分子的吸引力较大。除此之外，结合水层会不断减少，水层中的水分子活跃程度逐渐加剧，会形成一种渗透吸附力，这就会在冻结与未冻结层之间形成压力对比差。在不同外力的作用下，冻结水层附近的结合水，会被挤压到水膜较浅的地方，并随着温度不断降低而发生冻结，从而不断扩大冻结冰层的体积，这种非均匀外力的作用会导致冻结冰层逐渐发生分解，在冻结土层上方形成一道上升的水汽流。如果是在地下水较为充沛的地方，地下的水分就会被外力挤压抬升，通过上升趋势不断吸
4、收土层中的水量，从而是冻结区域的水晶体体积不断扩大，形成比较厚实的冰层，从而导致明显的冻胀情况发生。 在自然冻结过程中，土层结冻运动是单向性的，因此，冻结晶体的体积会随着低寒时间的变长而增大。对于深埋在冻土之中的电线塔基，会直接受到土层中冻胀力的作用发生位移，如果塔基深度超过冻层的深度，则塔基会受到两种力的作用力，一个是横截面方向的 T 力，另一个是从垂直下方的上升力 N。如果塔基负荷小于这两种合力，则整个电线塔会受力朝上抬升，这就是上拔现象。 随着环境温度的不断上升，冻土层开始逐渐消解，冻胀力不断下降，此时塔基的负荷开始超过土层的上拔力，因此塔基由开始出现明显的下沉现象。在低寒地区，随着温度
5、的不断变化，电线塔基就会不断发生如此循环作用，逐渐影响到整个输电线路的安全和稳定。 2 影响冻胀的因素 科学家通过长期的研究发现：在土质比较细腻的区域冻胀现象比较明显，尤其是沙粒质、岩层和粉末土质的土壤区域更加突出。这类土壤具有很强的吸水能力，能够储存大量的自由水，加上毛细物理现象的存在，一旦温度降低到结冰的范围，就会在土层中形成十分明显的水汽上升现象。若未冻结区内不存在水源，土层冻胀量不大；反之，水分就会不断地进入冻结区内，被不断冻结成冰，使土层产生强烈的冻胀现象。 试验还表明，具有冻胀性的土质，在慢速冻结时才能在土中形成水分上升“通道” ，而土质在自然冻结中，土层温度 F 降十分缓慢，与形
6、成水分上升 通道”的条件刚好一致。当加快土层冻结温度的速度，且维持足够的强度，土层冻胀量将急剧下降，即使是未冻结区存在丰富的水源也是如此，这是水分来不及向冻结锋面迁移而被原地冻结成冰，从而切断水分上升 通道”的结果。 3 解决冻胀的途径 在总结土层发生冻胀的基础上，可以找到有效应对土层冻胀的措施和方法：可以人为减少土层中的水分比重，虽然地下水位的含量难以通过人工来调节，但是可以从其他方面寻找办法来克服。有人提出在输电线塔基周围对土壤进行土质改良，这种办法虽然可以收到一定的效果，但是在长期内却不是有效的方法。真正有效的方法是加快土层的冻结速度，并想法提高其冻结强度，就可切断水分上升 通道 ，达到
7、消除土层冻胀，保证基础的稳定。 土层在自然冻结过程中，环境温度与土层温度总是存在一定的温差，这个温差又随着土 层深度的增加而增大 现突破常规方法，以温差作为传热动力，设计了一种传热元件，此元件可在不加任阿外脂量的情况下，把环境中的冷量源源不断地传入未冻结区，使之实现快速冻结，切断水分上升“通道” ，实现消除土层的冻胀。 4 试验地的冻胀性及结果分析 实际观察表明，两处土中的输变电基础上拨十分显著。通过 3 个自然冻结期试验，对所获 的试验数据整理可得图 27。图 2 示 3 种不同深度土层的温度随季节变化曲线 从中可看出，在自然冻结期内，冻结土层与环境总存在温度差，而温度差叉随土层冻深增加而增
8、大，这个温度差就是设计传热元件的传热动力。 传热元件埋深 I，6m 时，距传热元件中心 04 m1 25 irt处，地温随季节变化曲线。由图 2 可看出土层深度为 16 m 时，从冻结期开始，需要到 2 月末 3 月初才能达到一 05左右，而埋入传热元件后，在半径为 04、125 m 的周边上，分别在 10 月初和 l1 月初达到一 5 ，从而实现快速冻结，并能不断加强冻结强度，达到切断水分上升“通道 的目的，消除冻胀。 传热元件埋深 25m 时，距传热元件中心 125m 处，距地面04、08、16、25m 处的地温随季节的变化曲线。从图中可看出传热元件冻结半径可达125Ill 以上。 土层在
9、自然冻结过程中，传热元件埋深 25 m 时，与没有埋入传热元件时，土层冻胀量随季节变化曲线。从中可以看出埋人传热元件后，土层基本上消除了冻胀现象(见曲线 2)，而没埋入传热元件的土层产生很大的冻胀高度(见曲线 1)。 5 结束语 51 对季节性冻土产生的冻结现象及对其中所设置的输变电基础产生上拔、倾斜等机理分析是正确的，据此机理突破常规防冻胀的方法，提出的消除防冻胀措施是合理的，实掩后可充分保证季节性冻土中输变电基础的稳定。 52 所设计的传热元件，可在不需加任何外界能量下，只依冻土层与环境温度差作传热动力，就能有效地把环境中的玲量及时传人未冻结区，使之实现快速冻结，并不断加强冻结强度，切断水分上升。通道 ，消除土层的冻胀。 53 此技术可广泛应用于季节性冻土中的各种不同形式基础的防冻胀。 参考文献 1汪文举.季节性变化对冻土层的影响效应分析.地质科学.2009（3） ； 2刘兰高.冻土层厚度与区域温差变化相关性分析.中国地质大学学报.2011（5）
