摸清冻土“习性”，让高原电网站得更稳

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青藏高原，平均海拔4000米，这片被称为“世界屋脊”的土地，多年冻土分布面积约106万平方公里，是全球中低纬度地区多年冻土分布最广泛的地区。
青藏铁路、青藏公路、青藏联网工程的建设，相继为青藏高原经济社会发展注入了强大动力。而被誉为“电力天路”的青藏联网工程，途经青藏高原大片连续多年冻土及季节性冻土地带565公里，冬季冻胀、夏季融沉的冻土，成为威胁输电线路安全稳定运行的最大隐患。
面对困局，及时开展冻土基础投运后冻土基础稳定关键技术体系及应用研究尤为重要。2月14日，由国网青海电科院牵头承担的《高原冻土地区输电线路杆塔基础失稳演化机制及防控关键技术》项目通过青海省科技厅专家成果评价。该项目由国网青海电科院、中科院西北生态环境资源研究院、国网黑龙江电科院等6家单位自2012年历时8年联合攻关完成。
冻土影响输电线路稳定性
青藏联网工程的投运，彻底结束了西藏电网孤网运行和西藏缺电的历史，为雪域人民送去光明与希望。这项工程跨越大范围高含冰量多年冻土区，冻土地基的力学强度对气候变化和人为扰动极为敏感。随着多年冻土区输电线路的持续落地，保障冻土基础的安全运维、工程的长期稳定运行是必须面对的问题。
多年冻土与人工开挖基础的相互作用过程、机理及其对基础稳定性的互馈关系、不同冻土地质条件下的工程措施对基础稳定性的影响机制、杆塔基础变形机理尚不明确，且在冻土区杆塔基础性能检测、补强措施、环境保护、恢复措施的研究也存在短板。
2月24日，国网青海电科院输电技术室主管蒋玲在接受科技日报记者采访时介绍：“高原冻土区具有空间分布复杂，对热扰动、人类工程活动敏感，生态环境脆弱等特点。冻土退化、地下冰融化等是冻土区公路、铁路、输电线路等工程基础病害频发的主要原因，但输电工程的杆塔基础，是一种点线工程，与公路、铁路等线性工程有显著区别，其基础与冻土互相作用，次生工程病害或灾害类型和程度也存在差异。”
蒋玲表示，随着外界环境变化，冻土中冰体的融化会导致杆塔基础的快速、极度弱化，对工程稳定性产生重要影响。以格尔木—拉萨±400千伏青藏联网直流输电工程为例，该线路全长1038千米，沿线平均海拔4650米，最高海拔5300米，是世界上首次在海拔4000米以上地区建设的高压直流输电线路，是世界上海拔最高、高寒地区建设规模最大、穿越多年冻土区最长、施工难度最大的输变电工程。该线路穿越大片连续多年冻土区550千米，冻土区内杆塔1207座。由于输电线路杆塔基础直接深入多年冻土内部，环境和工程影响直接叠加作用在多年冻土层上，作用过程和影响直接而快捷。同时冻土区内70%杆塔基础为大开挖式基础，在基础的周围形成了大量的回填土，由此根本改变了原有冻土层内的结构特征、冻融变化过程，使得输电线路杆塔基础稳定性影响因素更为多样、变化更为复杂、冻土问题更为突出。
面对这些问题，只有通过建立输电线路沿线典型条件下冻土基础综合长期监测系统，获得回填土冻融特性、变化过程等关键数据才能对杆塔基础稳定性的变化趋势做出准确判断，并对可能出现的工程病害提早做出科学预防和诊断。因此，项目研究对保证青藏直流输电线路的长期安全稳定，对建设世界一流的冻土区输电线路都具有重要意义。
破解施工、运维等方面难题
记者了解到，在此之前，国内外相关研究对复杂工况条件下的杆塔基础水热变化规律和稳定机制尚不明确，冻土基础冻融监测、预测困难，并且缺乏杆塔基础运维成套技术，严重制约了输电线路安全运维、杆塔基础长期稳定等关键目标的实现。
《高原冻土地区输电线路杆塔基础失稳演化机制及防控关键技术》项目在国内外首次获取了杆塔基础受力特征，阐明了冻土地基稳定性的主要控制因素，掌握了青藏直流线路杆塔基础总体变形特征；提出了高原冻土地区杆塔基础工程“加强冻结、提升承载力”的设计及运维新原则。
同时，该项目揭示了大孔隙回填土中空气对流和水分下渗的加速降温和融化效应，发现了经历冻融循环后回填土密实度的时空变化规律，确定了杆塔基础对冻土的升温效应和热棒处置措施对冻土的降温效果。项目研究还构建了冻土区杆塔基础设计、建设及运维保障技术体系。研发了热管性能检测仪，无动力地降低冻土温度以提高杆塔基础稳定新技术，人工冻结对冻土快速降温以增强杆塔基础承载力的新技术新工法，冻土区植被移植以保护冻土新技术等多项新型技术。
据悉，这一项目属于输变电工程设计施工与环保领域，涉及冻土区域输电线路杆塔基础地温及变形监测、回填土回冻过程及工程措施效能检测、杆塔基础稳定性分析等专业，是围绕多年冻土区杆塔基础长期稳定性开展的综合性研究课题，由国家自然科学基金和国家电网公司科学研究项目共同支持。项目从输电线路基础对多年冻土的水热扰动、基础变形机理和稳定性变化趋势等方面开展了关键技术研究，构建了高原冻土区输电线路杆塔基础运维指导原则，研发了新型修筑关键技术和病害防控技术，取得了一系列世界原创性成果，标志着在高原冻土区杆塔基础施工、运维和监测预警评估领域突破了技术障碍，项目成果整体达国际领先水平。
输电工程实现长期安全运行
“以上研究在国内外同类研究中尚属首次，为确保高原冻土地区输电工程的长期安全运行提供了重要科技保障，填补了高海拔冻土地区超特高压输电线路基础稳定技术研发多项空白，极大地提升了我国高海拔多年冻土区电力工程建设水平，为我国乃至世界高海拔冻土区工程建设发挥引领示范和强劲推动作用。”国网青海电科院总工程师李春来向科技日报记者表示。
李春来介绍，目前随着输电线路的安全稳定运行，项目的社会和经济效益凸显。项目首次全面建立了高原多年冻土区输电线路杆塔基础综合监测体系，系统获取杆塔基础在施工、运维等关键阶段和节点的科学数据，为±400千伏青藏直流输电线路稳定性运行维护提出50余条建议，有效排除潜在冻土基础隐患对线路稳定性的影响。给出了气候变暖条件下高原冻土区杆塔基础稳定性补强措施，为多条冻土区线路提供了整治参考，有效排除可能潜在冻土工程隐患对输电线路杆塔基础稳定性的影响，避免了线路因冻土工程隐患导致故障停运。项目还研制了高原植被快速恢复新技术，有效恢复了青藏联网工程杆塔基础植被，为青海省落实好保护好地球第三极生态，承担维护生态安全、保护三江源、保护“中华水塔”的重大使命提供了科学支撑。
目前，这一项目已在国内高海拔冻土区输电线路设计、建设及运维中成功应用，有力保障了青海、西藏等地区国家重大电力工程的长期稳定运行，提升了我国冻土区电力工程建设水平，具有显著的经济和社会效益。借鉴青藏直流输电线路成功经验，基于杆塔基础地温监测、回填土检测、沉降变形观测等方面的系统研究成果，项目为青海玉树与主网330千伏联网工程、果洛联网工程项目沿线冻土区杆塔基础选型、杆塔基础防沉降、冻胀施工设计等提供了科学依据，有效减少了线路因冻土工程设计、施工隐患导致的后期维护改造及线路故障停运，累计挽回直接经济损失超3亿元。
不仅如此，面对覆盖多地的冻土区，该项目成果将在青藏高原、我国东北地区、尼泊尔高原等地“大显身手”。下一步，青海电科院将协调各联合单位，实时更新补充数据，共享相关经验，进一步提升冻土地区输电线路杆塔基础失稳防控工作质效。