龔 濤，周建軍，劉翔云

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610056）

0 引言

基礎(chǔ)工程是輸電線路工程體系中的重要組成部分，準(zhǔn)確合理的基礎(chǔ)作用力是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的充分條件。輸電線路基礎(chǔ)作用力有較大的上拔荷載，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)通常上拔荷載是控制條件。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算上拔荷載作用力尤為關(guān)鍵。根據(jù)《凍土地區(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DLT 5501—2015）5.0.3條文[1]說明，我國(guó)季節(jié)凍土和多年凍土主要分布在高緯度和高海拔地區(qū)，考慮到區(qū)域環(huán)境和氣象條件的特殊性和差異性，對(duì)寒季為大風(fēng)季節(jié)或寒季大風(fēng)頻率高的地區(qū)，可適當(dāng)增加寒季風(fēng)荷載。至于增加多少，規(guī)范并無明確的標(biāo)準(zhǔn)，有必要進(jìn)行研究，以確保工程的可靠性。

1 凍脹時(shí)段分析

土體凍結(jié)過程實(shí)際上是土中溫度的變化過程。土體的凍脹起始于某個(gè)溫度，而又終于某個(gè)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(jié)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(zhì)條件下，土體的凍結(jié)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(jié)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(jié)溫度要低些。對(duì)工程具有實(shí)際意義的是土體凍脹的停止溫度。20世紀(jì)七八十年代中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的吳紫汪[2]、童長(zhǎng)江等通過大量的試驗(yàn)與研究得出“盡管土體土質(zhì)不同，凍脹系數(shù)不同，但凍脹系數(shù)與溫度的變化規(guī)律相似”的結(jié)論。

試驗(yàn)觀測(cè)表明，從土體的起始凍結(jié)溫度至土體的凍脹開始溫度之間，土體要經(jīng)歷一個(gè)因溫度降低而收縮的階段。土體的凍脹停止溫度對(duì)不同土質(zhì)的土體略有差異，根據(jù)試驗(yàn)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(fā)生在溫度0～-10 ℃之間。

當(dāng)輸電線路工程位于凍土地區(qū)時(shí)，輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需考慮因凍脹產(chǎn)生上拔力對(duì)基礎(chǔ)的影響。根據(jù)《凍土地區(qū)架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5501—2015）規(guī)定，凍脹力屬于可變荷載?；A(chǔ)進(jìn)行凍拔驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)采用寒季活動(dòng)層凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力與相應(yīng)風(fēng)荷載共同作用的基礎(chǔ)作用力組合。當(dāng)無確切資料時(shí)，寒季凍結(jié)期基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值按式（1）估算。

其中，T0為凍結(jié)期基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值，kN，包括凍脹力設(shè)計(jì)值和上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的上拔力設(shè)計(jì)值； 為寒季凍結(jié)期基礎(chǔ)作用力折減系數(shù)，取0.6；TE為基本風(fēng)速作用時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的上拔力設(shè)計(jì)值，kN； 為設(shè)計(jì)凍結(jié)深度內(nèi)的切向凍脹力設(shè)計(jì)值，kN；TT為基本風(fēng)速對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載的60 、線條張力的100 及永久荷載共同作用下產(chǎn)生的基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值，kN。

從式（1）可以看出，當(dāng)進(jìn)行凍結(jié)期基礎(chǔ)上拔力計(jì)算時(shí)，懸垂直線塔直接對(duì)基本風(fēng)速作用下的基礎(chǔ)作用力進(jìn)行折減，折減系數(shù)0.6；耐張塔對(duì)基本風(fēng)速的風(fēng)荷載進(jìn)行了折減，折減系數(shù)取值0.6。

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

2 風(fēng)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(qū)大陸性氣候，夏季干熱，冬季嚴(yán)寒，降水量小，蒸發(fā)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(qū)是新疆盛行大風(fēng)的地區(qū)之一。春秋兩季受東移南下冷空氣的影響，多系統(tǒng)性大風(fēng)，夏季由于熱力作用，多為陣性大風(fēng)。到了冬季，受蒙新高壓和西南暖低壓的共同作用，盛行區(qū)域性大風(fēng)，出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度都比系統(tǒng)性大風(fēng)要明顯偏多、偏強(qiáng)。其中“鬧海風(fēng)”就是一種在特殊地形作用下，伴有雪或吹雪等天氣現(xiàn)象的猛烈大風(fēng)，“鬧海風(fēng)”起風(fēng)時(shí)間一般早于區(qū)域性大風(fēng)幾個(gè)小時(shí)。

本段線路所經(jīng)地區(qū)位于“兩山夾一谷”（即阿爾泰山—額河谷地—薩吾爾山地）的風(fēng)口區(qū)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(yīng)”形成一個(gè)大風(fēng)區(qū)域。在西邊分成兩股，一股沿額河谷經(jīng)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(jīng)“鬧海風(fēng)”區(qū)（吉木乃）到烏倫古湖（福海），兩股合并為一個(gè)大風(fēng)區(qū)，在沿額河?xùn)|南下至東部（富蘊(yùn)、青河）。在兩條風(fēng)線一帶，在更窄的河谷和兩小山之間的狹口地方，風(fēng)速特大，形成了一些大風(fēng)。

a）風(fēng)速儀高度的訂正。工程沿線各氣象站歷年最大風(fēng)速（10月至次年4月區(qū)間）如表1所示。氣象臺(tái)（站）最大風(fēng)速的原始風(fēng)速儀高度可能不同，同一臺(tái)站不同年代的風(fēng)速儀高度亦不一致，故應(yīng)將各氣象站的歷年最大風(fēng)速統(tǒng)一訂正為距地10 m高處的風(fēng)速。高度訂正采用《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5158—2012）的指數(shù)公式，即

表1 工程沿線各氣象站歷年最大風(fēng)速

其中，V10為距地10 m高處的風(fēng)速，m/s；ZH為風(fēng)速儀距地面高度，m；VH為風(fēng)速儀觀測(cè)風(fēng)速值，m/s；α為地面粗糙度系數(shù)，本包段線路所經(jīng)區(qū)域?qū)貰類地區(qū)，α＝0.16。

b）次時(shí)訂正。氣象站實(shí)測(cè)最大風(fēng)速，20世紀(jì)70年代以前主要為定時(shí)2 min平均最大風(fēng)速，1979年以后為自記10 min平均最大風(fēng)速。因?yàn)槿斯ざ〞r(shí)觀測(cè)與自記觀測(cè)相比，可能會(huì)漏掉一些大風(fēng)記錄，因此，對(duì)定時(shí)觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)必須通過適當(dāng)修正后才能應(yīng)用。次時(shí)訂正采用《電力工程氣象勘測(cè)技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5158—2012）的經(jīng)驗(yàn)公式，即

極值 I 型統(tǒng)計(jì)各氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速成果如表2所示。

表2 極值 I 型統(tǒng)計(jì)各氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速成果表

3 風(fēng)荷載對(duì)上拔力設(shè)計(jì)值影響分析

由表1、表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，工程所在的阿勒泰地區(qū)，基礎(chǔ)凍脹發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)（11月—次年3月）10 m高50 a一遇風(fēng)速是全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的89～92 。按照風(fēng)壓與風(fēng)速的平方關(guān)系，取風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載的80 ，計(jì)算基礎(chǔ)上拔力；分別與基本風(fēng)荷載及基本風(fēng)荷載60 時(shí)基礎(chǔ)上拔力進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同風(fēng)荷載取值時(shí)基礎(chǔ)上拔力對(duì)比

直線塔風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載60 時(shí)，基礎(chǔ)上拔力為基本上拔力的57 左右，與規(guī)范推薦的0.6倍基本風(fēng)速下的上拔力基本符合；當(dāng)風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載的80 時(shí)，基礎(chǔ)上拔力為基本上拔力的72～80 ，80 基本風(fēng)荷載時(shí)上拔力較60 基本風(fēng)荷載時(shí)的上拔力增加26 ～40 。

耐張塔風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載60 時(shí)，基礎(chǔ)上拔力為基本上拔力的78 左右；當(dāng)風(fēng)荷載為基本風(fēng)荷載的80 時(shí)，上拔力為基本上拔力的90 左右；80 基本風(fēng)荷載時(shí)上拔力較60 基本風(fēng)荷載時(shí)上拔力增加12 ～17 。

風(fēng)荷載對(duì)桿塔的上拔力存在較大的影響，因此應(yīng)根據(jù)工程區(qū)氣象條件選取合適的風(fēng)壓比例。

4 工程參數(shù)修正

根據(jù)上述分析，當(dāng)本工程統(tǒng)計(jì)風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)荷載（基本風(fēng)荷載的80 ）時(shí)，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(fēng)荷載計(jì)算上拔力。即： 為寒季凍結(jié)期基礎(chǔ)作用力折減系數(shù)，取0.8；TT為基本風(fēng)速對(duì)應(yīng)風(fēng)荷載的80 、線條張力的100 及永久荷載共同作用下產(chǎn)生的基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值，kN。

5 考慮凍脹力時(shí)上拔力設(shè)計(jì)值對(duì)比

按照典型地質(zhì)條件1.6 m標(biāo)準(zhǔn)凍脹深度，粉土，凍脹，曠野環(huán)境；不同的取值系數(shù)計(jì)算凍結(jié)期基礎(chǔ)上拔力設(shè)計(jì)值如表4所示。

表4 考慮凍脹力作用下基礎(chǔ)上拔力對(duì)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(jié)束語

由于我國(guó)幅員遼闊，各地的氣象條件差異巨大，所以對(duì)輸電線路進(jìn)行凍土地基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)收集工程區(qū)域的基礎(chǔ)氣象資料，并根據(jù)工程所在地凍結(jié)期氣象資料來考慮風(fēng)荷載的影響，確定適合的風(fēng)荷載數(shù)值，準(zhǔn)確計(jì)算上拔荷載，以保證輸電線路工程的安全性。