青藏高原，平均海拔4000米，這片被稱為“世界屋脊”的土地，多年凍土分布面積約106萬(wàn)平方公里，是全球中低緯度地區(qū)多年凍土分布最廣泛的地區(qū)。

青藏鐵路、青藏公路、青藏聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)，相繼為青藏高原經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。而被譽(yù)為“電力天路”的青藏聯(lián)網(wǎng)工程，途經(jīng)青藏高原大片連續(xù)多年凍土及季節(jié)性凍土地帶565公里，冬季凍脹、夏季融沉的凍土，成為威脅輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的最大隱患。

面對(duì)困局，及時(shí)開展凍土基礎(chǔ)投運(yùn)后凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)體系及應(yīng)用研究尤為重要。2月14日，由國(guó)網(wǎng)青海電科院牽頭承擔(dān)的《高原凍土地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)演化機(jī)制及防控關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目通過青海省科技廳專家成果評(píng)價(jià)。該項(xiàng)目由國(guó)網(wǎng)青海電科院、中科院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院、國(guó)網(wǎng)黑龍江電科院等6家單位自2012年歷時(shí)8年聯(lián)合攻關(guān)完成。

凍土影響輸電線路穩(wěn)定性

青藏聯(lián)網(wǎng)工程的投運(yùn)，徹底結(jié)束了西藏電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行和西藏缺電的歷史，為雪域人民送去光明與希望。這項(xiàng)工程跨越大范圍高含冰量多年凍土區(qū)，凍土地基的力學(xué)強(qiáng)度對(duì)氣候變化和人為擾動(dòng)極為敏感。隨著多年凍土區(qū)輸電線路的持續(xù)落地，保障凍土基礎(chǔ)的安全運(yùn)維、工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行是必須面對(duì)的問題。

多年凍土與人工開挖基礎(chǔ)的相互作用過程、機(jī)理及其對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的互饋關(guān)系、不同凍土地質(zhì)條件下的工程措施對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響機(jī)制、桿塔基礎(chǔ)變形機(jī)理尚不明確，且在凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)性能檢測(cè)、補(bǔ)強(qiáng)措施、環(huán)境保護(hù)、恢復(fù)措施的研究也存在短板。

2月24日，國(guó)網(wǎng)青海電科院輸電技術(shù)室主管蔣玲在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹：“高原凍土區(qū)具有空間分布復(fù)雜，對(duì)熱擾動(dòng)、人類工程活動(dòng)敏感，生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)。凍土退化、地下冰融化等是凍土區(qū)公路、鐵路、輸電線路等工程基礎(chǔ)病害頻發(fā)的主要原因，但輸電工程的桿塔基礎(chǔ)，是一種點(diǎn)線工程，與公路、鐵路等線性工程有顯著區(qū)別，其基礎(chǔ)與凍土互相作用，次生工程病害或?yàn)?zāi)害類型和程度也存在差異。”

蔣玲表示，隨著外界環(huán)境變化，凍土中冰體的融化會(huì)導(dǎo)致桿塔基礎(chǔ)的快速、極度弱化，對(duì)工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。以格爾木—拉薩±400千伏青藏聯(lián)網(wǎng)直流輸電工程為例，該線路全長(zhǎng)1038千米，沿線平均海拔4650米，最高海拔5300米，是世界上首次在海拔4000米以上地區(qū)建設(shè)的高壓直流輸電線路，是世界上海拔最高、高寒地區(qū)建設(shè)規(guī)模最大、穿越多年凍土區(qū)最長(zhǎng)、施工難度最大的輸變電工程。該線路穿越大片連續(xù)多年凍土區(qū)550千米，凍土區(qū)內(nèi)桿塔1207座。由于輸電線路桿塔基礎(chǔ)直接深入多年凍土內(nèi)部，環(huán)境和工程影響直接疊加作用在多年凍土層上，作用過程和影響直接而快捷。同時(shí)凍土區(qū)內(nèi)70%桿塔基礎(chǔ)為大開挖式基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)的周圍形成了大量的回填土，由此根本改變了原有凍土層內(nèi)的結(jié)構(gòu)特征、凍融變化過程，使得輸電線路桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響因素更為多樣、變化更為復(fù)雜、凍土問題更為突出。

面對(duì)這些問題，只有通過建立輸電線路沿線典型條件下凍土基礎(chǔ)綜合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得回填土凍融特性、變化過程等關(guān)鍵數(shù)據(jù)才能對(duì)桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)做出準(zhǔn)確判斷，并對(duì)可能出現(xiàn)的工程病害提早做出科學(xué)預(yù)防和診斷。因此，項(xiàng)目研究對(duì)保證青藏直流輸電線路的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定，對(duì)建設(shè)世界一流的凍土區(qū)輸電線路都具有重要意義。

破解施工、運(yùn)維等方面難題

記者了解到，在此之前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究對(duì)復(fù)雜工況條件下的桿塔基礎(chǔ)水熱變化規(guī)律和穩(wěn)定機(jī)制尚不明確，凍土基礎(chǔ)凍融監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)困難，并且缺乏桿塔基礎(chǔ)運(yùn)維成套技術(shù)，嚴(yán)重制約了輸電線路安全運(yùn)維、桿塔基礎(chǔ)長(zhǎng)期穩(wěn)定等關(guān)鍵目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

《高原凍土地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)演化機(jī)制及防控關(guān)鍵技術(shù)》項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外首次獲取了桿塔基礎(chǔ)受力特征，闡明了凍土地基穩(wěn)定性的主要控制因素，掌握了青藏直流線路桿塔基礎(chǔ)總體變形特征；提出了高原凍土地區(qū)桿塔基礎(chǔ)工程“加強(qiáng)凍結(jié)、提升承載力”的設(shè)計(jì)及運(yùn)維新原則。

同時(shí)，該項(xiàng)目揭示了大孔隙回填土中空氣對(duì)流和水分下滲的加速降溫和融化效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)歷凍融循環(huán)后回填土密實(shí)度的時(shí)空變化規(guī)律，確定了桿塔基礎(chǔ)對(duì)凍土的升溫效應(yīng)和熱棒處置措施對(duì)凍土的降溫效果。項(xiàng)目研究還構(gòu)建了凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)維保障技術(shù)體系。研發(fā)了熱管性能檢測(cè)儀，無(wú)動(dòng)力地降低凍土溫度以提高桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定新技術(shù)，人工凍結(jié)對(duì)凍土快速降溫以增強(qiáng)桿塔基礎(chǔ)承載力的新技術(shù)新工法，凍土區(qū)植被移植以保護(hù)凍土新技術(shù)等多項(xiàng)新型技術(shù)。

據(jù)悉，這一項(xiàng)目屬于輸變電工程設(shè)計(jì)施工與環(huán)保領(lǐng)域，涉及凍土區(qū)域輸電線路桿塔基礎(chǔ)地溫及變形監(jiān)測(cè)、回填土回凍過程及工程措施效能檢測(cè)、桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性分析等專業(yè)，是圍繞多年凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)長(zhǎng)期穩(wěn)定性開展的綜合性研究課題，由國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家電網(wǎng)公司科學(xué)研究項(xiàng)目共同支持。項(xiàng)目從輸電線路基礎(chǔ)對(duì)多年凍土的水熱擾動(dòng)、基礎(chǔ)變形機(jī)理和穩(wěn)定性變化趨勢(shì)等方面開展了關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建了高原凍土區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)運(yùn)維指導(dǎo)原則，研發(fā)了新型修筑關(guān)鍵技術(shù)和病害防控技術(shù)，取得了一系列世界原創(chuàng)性成果，標(biāo)志著在高原凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工、運(yùn)維和監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估領(lǐng)域突破了技術(shù)障礙，項(xiàng)目成果整體達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。

輸電工程實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全運(yùn)行

“以上研究在國(guó)內(nèi)外同類研究中尚屬首次，為確保高原凍土地區(qū)輸電工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了重要科技保障，填補(bǔ)了高海拔凍土地區(qū)超特高壓輸電線路基礎(chǔ)穩(wěn)定技術(shù)研發(fā)多項(xiàng)空白，極大地提升了我國(guó)高海拔多年凍土區(qū)電力工程建設(shè)水平，為我國(guó)乃至世界高海拔凍土區(qū)工程建設(shè)發(fā)揮引領(lǐng)示范和強(qiáng)勁推動(dòng)作用。”國(guó)網(wǎng)青海電科院總工程師李春來(lái)向科技日?qǐng)?bào)記者表示。

李春來(lái)介紹，目前隨著輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，項(xiàng)目的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益凸顯。項(xiàng)目首次全面建立了高原多年凍土區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)綜合監(jiān)測(cè)體系，系統(tǒng)獲取桿塔基礎(chǔ)在施工、運(yùn)維等關(guān)鍵階段和節(jié)點(diǎn)的科學(xué)數(shù)據(jù)，為±400千伏青藏直流輸電線路穩(wěn)定性運(yùn)行維護(hù)提出50余條建議，有效排除潛在凍土基礎(chǔ)隱患對(duì)線路穩(wěn)定性的影響。給出了氣候變暖條件下高原凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性補(bǔ)強(qiáng)措施，為多條凍土區(qū)線路提供了整治參考，有效排除可能潛在凍土工程隱患對(duì)輸電線路桿塔基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響，避免了線路因凍土工程隱患導(dǎo)致故障停運(yùn)。項(xiàng)目還研制了高原植被快速恢復(fù)新技術(shù)，有效恢復(fù)了青藏聯(lián)網(wǎng)工程桿塔基礎(chǔ)植被，為青海省落實(shí)好保護(hù)好地球第三極生態(tài)，承擔(dān)維護(hù)生態(tài)安全、保護(hù)三江源、保護(hù)“中華水塔”的重大使命提供了科學(xué)支撐。

目前，這一項(xiàng)目已在國(guó)內(nèi)高海拔凍土區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)維中成功應(yīng)用，有力保障了青海、西藏等地區(qū)國(guó)家重大電力工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，提升了我國(guó)凍土區(qū)電力工程建設(shè)水平，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。借鑒青藏直流輸電線路成功經(jīng)驗(yàn)，基于桿塔基礎(chǔ)地溫監(jiān)測(cè)、回填土檢測(cè)、沉降變形觀測(cè)等方面的系統(tǒng)研究成果，項(xiàng)目為青海玉樹與主網(wǎng)330千伏聯(lián)網(wǎng)工程、果洛聯(lián)網(wǎng)工程項(xiàng)目沿線凍土區(qū)桿塔基礎(chǔ)選型、桿塔基礎(chǔ)防沉降、凍脹施工設(shè)計(jì)等提供了科學(xué)依據(jù)，有效減少了線路因凍土工程設(shè)計(jì)、施工隱患導(dǎo)致的后期維護(hù)改造及線路故障停運(yùn)，累計(jì)挽回直接經(jīng)濟(jì)損失超3億元。

不僅如此，面對(duì)覆蓋多地的凍土區(qū)，該項(xiàng)目成果將在青藏高原、我國(guó)東北地區(qū)、尼泊爾高原等地“大顯身手”。下一步，青海電科院將協(xié)調(diào)各聯(lián)合單位，實(shí)時(shí)更新補(bǔ)充數(shù)據(jù)，共享相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提升凍土地區(qū)輸電線路桿塔基礎(chǔ)失穩(wěn)防控工作質(zhì)效。