輸變電基礎(chǔ)防凍脹的研究

1、<p>　　輸變電基礎(chǔ)防凍脹的研究</p><p>　　摘要：本文深入研究分析了低溫地區(qū)凍土層地質(zhì)環(huán)境的變化規(guī)律，針對(duì)該類(lèi)地區(qū)的輸電線(xiàn)線(xiàn)路的架設(shè)提出了有針對(duì)性的解決方案，以期待為電力工程建設(shè)提供有參考價(jià)值的建議。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：輸變線(xiàn)線(xiàn)路；凍土；防凍；研究 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p

2、><p>　　我國(guó)東北地區(qū)長(zhǎng)年處于低寒氣溫環(huán)境，在持續(xù)低溫天氣的冷凍下，土層會(huì)嚴(yán)重凍結(jié)，形成較厚的凍土層；隨著夏季的到來(lái)，溫度上升，會(huì)導(dǎo)致凍土發(fā)生自然沉降。而在這樣的區(qū)域上方建設(shè)輸電線(xiàn)路電網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)桿和塔發(fā)生傾斜倒塌，直接破壞輸電線(xiàn)路的正常工作。因此，如何更好的提高低寒地區(qū)的電網(wǎng)穩(wěn)定性，是電力企業(yè)必須認(rèn)真面對(duì)的問(wèn)題。 </p><p>　　1 產(chǎn)生上拔的機(jī)理 </p><

3、p>　　輸變電塔基發(fā)生的上拔現(xiàn)象，是附近的土層在凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生的通脹到導(dǎo)致的。凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生的原理是，土層在凍結(jié)時(shí)，土層深處的水分不斷向上運(yùn)動(dòng)，在凍結(jié)區(qū)不斷累積，形成新的冰層。 </p><p>　　土中包含的水量可以是自由水也可以是固態(tài)的冰，根據(jù)不同的土質(zhì)對(duì)水的影響，可以將土層水分成強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)臺(tái)水兩種；自由水分重力水和毛細(xì)水 重力水在0℃凍結(jié)成冰，毛細(xì)水受表面張力作用，冰點(diǎn)稍低于0c；結(jié)合水的凍結(jié)溫度的

4、冰點(diǎn)是隨所受引力變化而變化，弱結(jié)臺(tái)水最外層冰點(diǎn)為一O．5℃ ，內(nèi)層冰點(diǎn)在溫度達(dá)到-20攝氏度～-30攝氏度時(shí)，才可被徹底凍結(jié)，即使在零下80攝氏度的溫度環(huán)境里，強(qiáng)結(jié)合水依然不會(huì)凍結(jié)。 </p><p>　　在自然凍結(jié)過(guò)程中，如果土質(zhì)內(nèi)部溫度達(dá)到零攝氏度時(shí)，土層中的液態(tài)水會(huì)率先凍結(jié)成固體狀態(tài)。如果土層溫度持續(xù)降低，弱結(jié)合水會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，隨著溫度的不斷降低，弱結(jié)合水周邊會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)晶體，此時(shí)土層顆粒對(duì)水分子的吸

5、引力較大。除此之外，結(jié)合水層會(huì)不斷減少，水層中的水分子活躍程度逐漸加劇，會(huì)形成一種滲透吸附力，這就會(huì)在凍結(jié)與未凍結(jié)層之間形成壓力對(duì)比差。在不同外力的作用下，凍結(jié)水層附近的結(jié)合水，會(huì)被擠壓到水膜較淺的地方，并隨著溫度不斷降低而發(fā)生凍結(jié)，從而不斷擴(kuò)大凍結(jié)冰層的體積，這種非均勻外力的作用會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)冰層逐漸發(fā)生分解，在凍結(jié)土層上方形成一道上升的水汽流。如果是在地下水較為充沛的地方，地下的水分就會(huì)被外力擠壓抬升，通過(guò)上升趨勢(shì)不斷吸收土層中的水量，

6、從而是凍結(jié)區(qū)域的水晶體體積不斷擴(kuò)大，形成比較厚實(shí)的冰層，從而導(dǎo)致明顯的凍脹情況發(fā)生。 </p><p>　　在自然凍結(jié)過(guò)程中，土層結(jié)凍運(yùn)動(dòng)是單向性的，因此，凍結(jié)晶體的體積會(huì)隨著低寒時(shí)間的變長(zhǎng)而增大。對(duì)于深埋在凍土之中的電線(xiàn)塔基，會(huì)直接受到土層中凍脹力的作用發(fā)生位移，如果塔基深度超過(guò)凍層的深度，則塔基會(huì)受到兩種力的作用力，一個(gè)是橫截面方向的T力，另一個(gè)是從垂直下方的上升力N。如果塔基負(fù)荷小于這兩種合力，則整個(gè)電線(xiàn)塔

7、會(huì)受力朝上抬升，這就是上拔現(xiàn)象。 隨著環(huán)境溫度的不斷上升，凍土層開(kāi)始逐漸消解，凍脹力不斷下降，此時(shí)塔基的負(fù)荷開(kāi)始超過(guò)土層的上拔力，因此塔基由開(kāi)始出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象。在低寒地區(qū)，隨著溫度的不斷變化，電線(xiàn)塔基就會(huì)不斷發(fā)生如此循環(huán)作用，逐漸影響到整個(gè)輸電線(xiàn)路的安全和穩(wěn)定。 </p><p>　　2 影響凍脹的因素 </p><p>　　科學(xué)家通過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)：在土質(zhì)比較細(xì)膩的區(qū)域凍脹現(xiàn)象比較明

8、顯，尤其是沙粒質(zhì)、巖層和粉末土質(zhì)的土壤區(qū)域更加突出。這類(lèi)土壤具有很強(qiáng)的吸水能力，能夠儲(chǔ)存大量的自由水，加上毛細(xì)物理現(xiàn)象的存在，一旦溫度降低到結(jié)冰的范圍，就會(huì)在土層中形成十分明顯的水汽上升現(xiàn)象。若未凍結(jié)區(qū)內(nèi)不存在水源，土層凍脹量不大；反之，水分就會(huì)不斷地進(jìn)入凍結(jié)區(qū)內(nèi)，被不斷凍結(jié)成冰，使土層產(chǎn)生強(qiáng)烈的凍脹現(xiàn)象。 </p><p>　　試驗(yàn)還表明，具有凍脹性的土質(zhì)，在慢速凍結(jié)時(shí)．才能在土中形成水分上升“通道”，而土質(zhì)在

9、自然凍結(jié)中，土層溫度F降十分緩慢，與形成水分上升 通道”的條件剛好一致。當(dāng)加快土層凍結(jié)溫度的速度，且維持足夠的強(qiáng)度，土層凍脹量將急劇下降，即使是未凍結(jié)區(qū)存在豐富的水源也是如此，這是水分來(lái)不及向凍結(jié)鋒面遷移而被原地凍結(jié)成冰，從而切斷水分上升 通道”的結(jié)果。 </p><p>　　3 解決凍脹的途徑 </p><p>　　在總結(jié)土層發(fā)生凍脹的基礎(chǔ)上，可以找到有效應(yīng)對(duì)土層凍脹的措施和方法：可以人

10、為減少土層中的水分比重，雖然地下水位的含量難以通過(guò)人工來(lái)調(diào)節(jié)，但是可以從其他方面尋找辦法來(lái)克服。有人提出在輸電線(xiàn)塔基周?chē)鷮?duì)土壤進(jìn)行土質(zhì)改良，這種辦法雖然可以收到一定的效果，但是在長(zhǎng)期內(nèi)卻不是有效的方法。真正有效的方法是加快土層的凍結(jié)速度，并想法提高其凍結(jié)強(qiáng)度，就可切斷水分上升 通道 ，達(dá)到消除土層凍脹，保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定。 </p><p>　　土層在自然凍結(jié)過(guò)程中，環(huán)境溫度與土層溫度總是存在一定的溫差，這個(gè)溫差又隨

11、著土 </p><p>　　層深度的增加而增大 現(xiàn)突破常規(guī)方法，以溫差作為傳熱動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一種傳熱元件，此元件可在不加任阿外脂量的情況下，把環(huán)境中的冷量源源不斷地傳入未凍結(jié)區(qū)，使之實(shí)現(xiàn)快速凍結(jié)，切斷水分上升“通道”，實(shí)現(xiàn)消除土層的凍脹。 </p><p>　　4 試驗(yàn)地的凍脹性及結(jié)果分析 </p><p>　　實(shí)際觀察表明，兩處土中的輸變電基礎(chǔ)上撥十分顯著。通過(guò)3個(gè)

12、自然凍結(jié)期試驗(yàn)，對(duì)所獲 </p><p>　　的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理可得圖2～7。圖2示3種不同深度土層的溫度隨季節(jié)變化曲線(xiàn) 從中可看出，在自然凍結(jié)期內(nèi)，凍結(jié)土層與環(huán)境總存在溫度差，而溫度差叉隨土層凍深增加而增大，這個(gè)溫度差就是設(shè)計(jì)傳熱元件的傳熱動(dòng)力。 </p><p>　　傳熱元件埋深I(lǐng)，6m時(shí)，距傳熱元件中心0．4 m&#8943;1 25 irt處，地溫隨季節(jié)變化曲線(xiàn)。由圖2可看出土

13、層深度為1．6 m 時(shí)，從凍結(jié)期開(kāi)始，需要到2月末3月初才能達(dá)到一0．5℃左右，而埋入傳熱元件后，在半徑為0．4、1．25 m的周邊上，分別在10月初和l1月初達(dá)到一5℃ ，從而實(shí)現(xiàn)快速凍結(jié)，并能不斷加強(qiáng)凍結(jié)強(qiáng)度，達(dá)到切斷水分上升“通道 的目的，消除凍脹。 </p><p>　　傳熱元件埋深2．5m 時(shí)，距傳熱元件中心1．25m 處，距地面0．4、0．8、1．6、2．5m </p><p>

14、;　　處的地溫隨季節(jié)的變化曲線(xiàn)。從圖中可看出傳熱元件凍結(jié)半徑可達(dá)1．25I'll以上。 </p><p>　　土層在自然凍結(jié)過(guò)程中，傳熱元件埋深2．5 m 時(shí)，與沒(méi)有埋入傳熱元件時(shí)，土層凍脹量隨季節(jié)變化曲線(xiàn)。從中可以看出埋人傳熱元件后，土層基本上消除了凍脹現(xiàn)象(見(jiàn)曲線(xiàn)2)，而沒(méi)埋入傳熱元件的土層產(chǎn)生很大的凍脹高度(見(jiàn)曲線(xiàn)1)。 </p><p><b>　　5 結(jié)束語(yǔ) &

15、lt;/b></p><p>　　5．1 對(duì)季節(jié)性?xún)鐾廉a(chǎn)生的凍結(jié)現(xiàn)象及對(duì)其中所設(shè)置的輸變電基礎(chǔ)產(chǎn)生上拔、傾斜等機(jī)理分析是正確的，據(jù)此機(jī)理突破常規(guī)防凍脹的方法，提出的消除防凍脹措施是合理的，實(shí)掩后可充分保證季節(jié)性?xún)鐾林休斪冸娀A(chǔ)的穩(wěn)定。 </p><p>　　5．2 所設(shè)計(jì)的傳熱元件，可在不需加任何外界能量下，只依凍土層與環(huán)境溫度差作傳熱動(dòng)力，就能有效地把環(huán)境中的玲量及時(shí)傳人未凍結(jié)區(qū)，

16、使之實(shí)現(xiàn)快速凍結(jié)，并不斷加強(qiáng)凍結(jié)強(qiáng)度，切斷水分上升。通道 ，消除土層的凍脹。 </p><p>　　5．3 此技術(shù)可廣泛應(yīng)用于季節(jié)性?xún)鐾林械母鞣N不同形式基礎(chǔ)的防凍脹。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]汪文舉.季節(jié)性變化對(duì)凍土層的影響效應(yīng)分析.地質(zhì)科學(xué).2009（3）； </p><