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106萬平方公里，是全球中低緯度地區多年凍土分布最廣泛的地區。
青藏鐵路、青藏公路、青藏聯網工程的建設，相繼為青藏高原經濟社會發展注入了強大動力。而被譽為“電力天路”的青藏聯網工程，途經青藏高原大片連續多年凍土及季節性凍土地帶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定運行的最大隱患。
面對困局，及時開展凍土基礎投運后凍土基礎穩定關鍵技術體系及應用研究尤為重要。2月14日，由國網青海電科院牽頭承擔的《高原凍土地區輸電線路桿塔基礎失穩演化機制及防控關鍵技術》項目通過青海省科技廳專家成果評價。該項目由國網青海電科院、中科院西北生態環境資源研究院、國網黑龍江電科院等6家單位自2012年歷時8年聯合攻關完成。
凍土影響輸電線路穩定性
青藏聯網工程的投運，徹底結束了西藏電網孤網運行和西藏缺電的歷史，為雪域人民送去光明與希望。這項工程跨越大范圍高含冰量多年凍土區，凍土地基的力學強度對氣候變化和人為擾動極為敏感。隨著多年凍土區輸電線路的持續落地，保障凍土基礎的安全運維、工程的長期穩定運行是必須面對的問題。
多年凍土與人工開挖基礎的相互作用過程、機理及其對基礎穩定性的互饋關系、不同凍土地質條件下的工程措施對基礎穩定性的影響機制、桿塔基礎變形機理尚不明確，且在凍土區桿塔基礎性能檢測、補強措施、環境保護、恢復措施的研究也存在短板。
2月24日，國網青海電科院輸電技術室主管蔣玲在接受科技日報記者采訪時介紹：“高原凍土區具有空間分布復雜，對熱擾動、人類工程活動敏感，生態環境脆弱等特點。凍土退化、地下冰融化等是凍土區公路、鐵路、輸電線路等工程基礎病害頻發的主要原因，但輸電工程的桿塔基礎，是一種點線工程，與公路、鐵路等線性工程有顯著區別，其基礎與凍土互相作用，次生工程病害或災害類型和程度也存在差異。”
蔣玲表示，隨著外界環境變化，凍土中冰體的融化會導致桿塔基礎的快速、極度弱化，對工程穩定性產生重要影響。以格爾木—拉薩±400千伏青藏聯網直流輸電工程為例，該線路全長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米以上地區建設的高壓直流輸電線路，是世界上海拔最高、高寒地區建設規模最大、穿越多年凍土區最長、施工難度最大的輸變電工程。該線路穿越大片連續多年凍土區550千米，凍土區內桿塔1207座。由于輸電線路桿塔基礎直接深入多年凍土內部，環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。同時凍土區內70%桿塔基礎為大開挖式基礎，在基礎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的結構特征、凍融變化過程，使得輸電線路桿塔基礎穩定性影響因素更為多樣、變化更為復雜、凍土問題更為突出。
面對這些問題，只有通過建立輸電線路沿線典型條件下凍土基礎綜合長期監測系統，獲得回填土凍融特性、變化過程等關鍵數據才能對桿塔基礎穩定性的變化趨勢做出準確判斷，并對可能出現的工程病害提早做出科學預防和診斷。因此，項目研究對保證青藏直流輸電線路的長期安全穩定，對建設世界一流的凍土區輸電線路都具有重要意義。
破解施工、運維等方面難題
記者了解到，在此之前，國內外相關研究對復雜工況條件下的桿塔基礎水熱變化規律和穩定機制尚不明確，凍土基礎凍融監測、預測困難，并且缺乏桿塔基礎運維成套技術，嚴重制約了輸電線路安全運維、桿塔基礎長期穩定等關鍵目標的實現。
《高原凍土地區輸電線路桿塔基礎失穩演化機制及防控關鍵技術》項目在國內外首次獲取了桿塔基礎受力特征，闡明了凍土地基穩定性的主要控制因素，掌握了青藏直流線路桿塔基礎總體變形特征；提出了高原凍土地區桿塔基礎工程“加強凍結、提升承載力”的設計及運維新原則。
同時，該項目揭示了大孔隙回填土中空氣對流和水分下滲的加速降溫和融化效應，發現了經歷凍融循環后回填土密實度的時空變化規律，確定了桿塔基礎對凍土的升溫效應和熱棒處置措施對凍土的降溫效果。項目研究還構建了凍土區桿塔基礎設計、建設及運維保障技術體系。研發了熱管性能檢測儀，無動力地降低凍土溫度以提高桿塔基礎穩定新技術，人工凍結對凍土快速降溫以增強桿塔基礎承載力的新技術新工法，凍土區植被移植以保護凍土新技術等多項新型技術。
據悉，這一項目屬于輸變電工程設計施工與環保領域，涉及凍土區域輸電線路桿塔基礎地溫及變形監測、回填土回凍過程及工程措施效能檢測、桿塔基礎穩定性分析等專業，是圍繞多年凍土區桿塔基礎長期穩定性開展的綜合性研究課題，由國家自然科學基金和國家電網公司科學研究項目共同支持。項目從輸電線路基礎對多年凍土的水熱擾動、基礎變形機理和穩定性變化趨勢等方面開展了關鍵技術研究，構建了高原凍土區輸電線路桿塔基礎運維指導原則，研發了新型修筑關鍵技術和病害防控技術，取得了一系列世界原創性成果，標志著在高原凍土區桿塔基礎施工、運維和監測預警評估領域突破了技術障礙，項目成果整體達國際領先水平。
輸電工程實現長期安全運行
“以上研究在國內外同類研究中尚屬首次，為確保高原凍土地區輸電工程的長期安全運行提供了重要科技保障，填補了高海拔凍土地區超特高壓輸電線路基礎穩定技術研發多項空白，極大地提升了我國高海拔多年凍土區電力工程建設水平，為我國乃至世界高海拔凍土區工程建設發揮引領示范和強勁推動作用。”國網青海電科院總工程師李春來向科技日報記者表示。
李春來介紹，目前隨著輸電線路的安全穩定運行，項目的社會和經濟效益凸顯。項目首次全面建立了高原多年凍土區輸電線路桿塔基礎綜合監測體系，系統獲取桿塔基礎在施工、運維等關鍵階段和節點的科學數據，為±400千伏青藏直流輸電線路穩定性運行維護提出50余條建議，有效排除潛在凍土基礎隱患對線路穩定性的影響。給出了氣候變暖條件下高原凍土區桿塔基礎穩定性補強措施，為多條凍土區線路提供了整治參考，有效排除可能潛在凍土工程隱患對輸電線路桿塔基礎穩定性的影響，避免了線路因凍土工程隱患導致故障停運。項目還研制了高原植被快速恢復新技術，有效恢復了青藏聯網工程桿塔基礎植被，為青海省落實好保護好地球第三極生態，承擔維護生態安全、保護三江源、保護“中華水塔”的重大使命提供了科學支撐。
目前，這一項目已在國內高海拔凍土區輸電線路設計、建設及運維中成功應用，有力保障了青海、西藏等地區國家重大電力工程的長期穩定運行，提升了我國凍土區電力工程建設水平，具有顯著的經濟和社會效益。借鑒青藏直流輸電線路成功經驗，基于桿塔基礎地溫監測、回填土檢測、沉降變形觀測等方面的系統研究成果，項目為青海玉樹與主網330千伏聯網工程、果洛聯網工程項目沿線凍土區桿塔基礎選型、桿塔基礎防沉降、凍脹施工設計等提供了科學依據，有效減少了線路因凍土工程設計、施工隱患導致的后期維護改造及線路故障停運，累計挽回直接經濟損失超3億元。
不僅如此，面對覆蓋多地的凍土區，該項目成果將在青藏高原、我國東北地區、尼泊爾高原等地“大顯身手”。下一步，青海電科院將協調各聯合單位，實時更新補充數據，共享相關經驗，進一步提升凍土地區輸電線路桿塔基礎失穩防控工作質效。
