0 引言
我国多年冻土主要分布在青藏高原、西北高山与东北高纬度区域，占国土陆地面积的22.4%
[1]。大量在营和拟建基础设施位于或穿越多年冻土区，而稳定的冻土环境是保证其安全运营的前提。然而气候暖湿化和工程扰动正加剧多年冻土（热敏感性）发生不可逆性的退化。多年冻土退化对自然资源与生态环境的稳定构成了严重威胁
[2]，同时造成基础设施破坏和重大经济损失
[3]。比较典型病害主要发生在管道
[4]、输电线
[5]与交通路线
[6]等生命线工程沿线。预计至21世纪中叶，北半球48%~87%的基础设施将处于高风险状态
[7]。
输电线杆塔作为重要的能源供应基础设施，受多年冻土退化影响显著。杆塔周围土体的冻胀与融沉将增加地基和基础的不稳定性，进而危害上部结构。对此，不少学者通过采用现场监测
[8]、室内试验
[9]和数值模拟
[10]等方法展开了深入研究。浅基础设计与塔基建设均采用多种防控策略并实时监测土体的热力状态
[5，11-12]，有效保证了工程安全。但基础监测范围及内容存在一定的局限性，难以覆盖到线路所有工程点及相关病害问题。实地调查可分析不良冻土地质长周期冻融作用对结构运营的影响以及各种防护措施的效果和适用性。近年来，针对路桥、涵洞、管道、房屋以及电力杆塔等基础设施的系统详细调查相继展开
[13-19]，为工程病害预防和治理提供了借鉴和指导。
大兴安岭地区多年冻土广泛发育，森林覆盖率高达85%以上，对维护区域生态平衡、气候调节与水土保持等方面起着不可替代的作用。然而由工程扰动造成的局部多年冻土显著退化
[20]，不仅减小了植被覆盖度，还使得既有结构的稳定性和耐久性受到严峻考验。工程结构是否失效很大程度上取决于下部基础的稳定性。青藏高原地区塔基融沉现象明显
[5，21]，相比之下，在高纬度多年冻土区内，严重的输变电工程事故多由基础冻拔作用引起
[22]。因此，在不同地区环境和地质构造背景下，基础病害呈现出不同的特征。目前关于大兴安岭地区杆塔病害总体研究存在病害类型不全面与调查覆盖面小等问题，详细深入的实地调查和科学合理的防治技术改善与优化亟待开展。
针对东北多年冻土区杆塔基础病害问题，对北 京—漠河公路（G111）加格达奇至漠河段沿线及中俄原油管道附近的杆塔进行了现场调查。在此基础上，分析总结了基础冻融病害特征、破损程度和现有的治理方法以评估潜在的影响因素并提出合理有效的防治措施，为多年冻土区杆塔病害防治与研究提供参考。
1 调查区域概况及调查方法
1.1 东北多年冻土与调查点分布
东北高纬度多年冻土是我国第二大多年冻土分布区，位于欧亚大陆多年冻土区的南缘地带，主要分布在大、小兴安岭和松嫩平原北部（47°N以北），总面积约40万km
2，其间包含大片连续与岛状多年冻土
[23]，如
图1所示。考虑到安全和交通便利，分别于2023年6月和10月沿G111及中俄原油管道附近等位置展开调查，调查对象均位于多年冻土区内，包括：加松线（加格达奇至松岭）等输电线路的188基输电塔（大部分 66 kV，少量220 kV线路）、电力与通信线杆等。调查点的分布见
图1中的黄色三角形，鉴于输电线铁塔基础病害严重且易于量化统计，根据调查结果对其病害特征进行了定量分析。
1.2 沿线环境及工程病害
大兴安岭地区的气候属寒温带大陆性季风气候，具有纬度高、海拔低的特点。夏季湿润多雨，冬季低温时间长和积雪覆盖厚度大。公路沿线气象站近50 a 的统计数据表明该地年平均气温低于0 ℃（-2.3 ℃）且正以0.021~0.040 ℃/a的速度升高
[24]。公路、管道与输变电等工程建设使得原有植被大幅减少、地表雪盖厚度增加，产生的水热效应显著影响了多年冻土工程地质环境。由此可见，气候变暖加剧和人类活动增强加速了东北多年冻土退化，导致区域内冻土厚度变薄、南界北移、地温升高和活动层增厚等问题
[25]。地基及基础必定会受到冻融作用与冻土退化的影响，进而关系到上部结构的服役性能与运营安全。
1.3 调查方法
此次病害调查采用的方法有：1）现场调查，对建设工程病害及地质环境进行目测和尺量。调查内容包括调查对象的病害特征、整治措施、地形地貌、表层土质和地表扰动情况等；2）无人机航测，利用无人机获取大范围的地表信息，包括杆塔、地形、植被和水体等；3）数据统计分析，评估冻害的发生频率和规模。以下对病害特征与现有的防治措施进行分析与总结。
2 基础病害特征及防治措施
2.1 输电线铁塔
本次调查的输电线铁塔全为角钢塔，所处地理位置平均海拔为443 m，长期在低温环境中运营。铁塔所处地质环境复杂多样，地表土质以泥炭土、黏土和碎石土为主。参考塔兴线（塔河至兴安）铁塔的基础设计，基础采用现浇C20钢筋混凝土，埋深3.4 m，露出地表0.2 m。为确保铁塔安全，可按照输电线路的选线原则确定基础的位置
[26]，但部分输电塔不可避免地修建在塔头湿地等多年冻土较发育区域。当地表温度降至负温时，季节融化层中水分开始冻结，体积膨胀导致土体体积增大，对基础产生向上的切向冻胀力。当切向冻胀力大于上部荷载、基础自重与冻结力时，会使基础上拔，引发输电塔变形或倾倒。
图2与
图3中基础埋深范围内的土体为冻胀敏感性的泥炭土和粉质黏土（高含水率、高有机质含量），强冻胀造成了基础冻拔。基础均匀冻拔对铁塔的影响较小，而不均匀冻拔直接导致铁塔变形开裂和失稳倒塌。金欣线15
#铁塔呈现出显著差异性冻拔，两侧平均高度相差约34 cm，导致铁塔倾斜3°，顶端偏移约1.76 m；金欣线12
#铁塔受基础不均匀冻拔的影响已“整体迁移”。调查中基础最大露出地表高度接近1.8 m，占设计总高的50%，如
图4（a）所示。由于其周围为冻胀敏感性细颗粒土并有大量水流汇聚，其冻拔程度将随输电塔运营年限的增加而日趋严重。然而，填土为碎石土和位于山坡坡上的基础却无冻拔现象，如
图4（b）所示。部分基础甚至出现了融沉。例如，
图4（c）中位于耕地的泵站乙线14
#基础下沉，周围出现明显的融坑。
图5显示了调查的输电线铁塔中基础出现冻拔和融沉的统计占比，其中基础出现明显冻拔的铁塔有34基，占18.1%，包括不均匀冻拔（9.6%）和均匀冻拔（8.5%），而基础出现融沉病害的铁塔仅占3.7%。
为提高塔身稳定性并防止地表融沉积水，对土体进行超挖将基础周边堆高，但在基础周围形成了水塘，如
图6所示。
图7为
图6（b）处开始进入冷季时通过热分析工具处理后的热红外影像，可看出最高温度（24.7 ℃）位于铁塔下部土体，而最低温度（-2.2 ℃）则出现在水塘区域。地表扰动显著改变了原有下垫面温度（4.8 ℃）。一方面，增加的地表温度加速基础周围冻土融化；另一方面，水塘积水将作为热源对下部冻土产生持续热侵蚀，加速地下冰融化，使水塘在垂直和水平2个方向上扩张，最终形成大面积的热融湖塘
[27]，使基础承受更大的冻胀力，严重影响输电塔稳定性并缩短运营周期
[28]。因此，回填基坑时需遵从“宁填勿挖”原则
[8]并及时平整场地，以避免天然地表在工程热扰动下演化成热融湖塘现象。
除典型的冻拔与融沉外，既有输电线铁塔基础表面由冻胀引起的劣化等问题也十分突出。孔隙水的冻结和冰体的增长引起混凝土局部膨胀。在低温环境中混凝土温度由内到外逐渐降低，因而表面冻损相比于内部更严重，见
表1和
图8，
图8中出现的病害：（a）为基础表面冻胀裂纹；（b）为扩展裂纹使基础表面混凝土出现剥落；（c）为流水冲刷严重侵蚀基础；（d）为回填冻结土体融化固结作用引起地表沉陷，降雨和地表水汇聚形成水塘加速冻拔，同时混凝土长期在水的侵蚀作用下受损严重，造成钢筋腐蚀外露；（e）为冻胀力差异引起铁塔基础倾斜，造成上部支撑角钢开裂和弯曲变形；（f）为基础严重风化，表层颗粒逐渐剥离，地脚螺栓和螺帽松动锈蚀；（g）为挤压碎裂；（h）为基础表面出现密集裂缝。综合以上分析，基础不均匀冻拔与倾斜对铁塔安全稳定影响较大。
对此，统计出铁塔基础的6类病害特征，分别为裂缝、剥落、裂纹、侵蚀、倾斜和压裂，如
图9所示。其中，基础出现侵蚀的输电线铁塔数量最多（11基），占比5.9%，其余占比分别为2.7%、2.7%、4.3%、3.7%和0.5%。由于无法观察到未冻拔和出现融沉的基础表面冻害，实际占比高于该统计结果。基于现阶段的调查可预见基础的冻害将愈发严重，且大量未调查和拟建的铁塔位于多年冻土区中，输电线路的安全运营充满了严峻的挑战。
调查结果统计表明（
图10），78.2%输电塔基础上部保护帽表面（不包括重新浇筑）同样出现了不同程度的病害，分别为裂缝、剥落、裂纹和侵蚀（
图8（b），
图11）。其中，侵蚀占比58%，保护帽出现剥落的输电塔数量最少，仅占8.5%。对比
图9和
图10，可见保护帽病害比基础更普遍。工程处理措施方面，铁塔底部的塔脚板通过地脚螺栓与基础相连，安装螺帽进行固定，然后浇筑混凝土保护帽，以防止锈蚀及蓄意破坏。但上部荷载从侧向挤压保护帽和不同的热膨胀系数等原因致使保护帽与角钢之间出现微裂。空气和雨水进入锈蚀螺栓和螺帽，冻胀与侵蚀加速裂缝发育，从而导致螺帽松动和螺栓强度降低，威胁塔身安全。
图12显示了保护帽裂缝不同发育程度，均沿着上部荷载作用方向开裂。可见裂缝对保护帽的影响较大，将直接导致其在短时间内失效。
另外，由于冬季基础作业环境恶劣及养护条件有限等原因，混凝土配合比及密实度难以满足设计要求，因而不能保证基础与保护帽的施工质量。基础表面出现蜂窝麻面，增加冻拔风险，同时内部孔隙水引起的冻胀也显著影响混凝土耐久性能，如
图13所示。
因此，调查区域内塔基病害防控的关键是弱化水的侵蚀和减小切向冻胀力，已有处置措施主要为（
图14）：1）采用梯形斜面基础，减弱了切向冻胀力；2）基础表面浇筑约45 cm厚钢筋混凝土板，将基础连接成整体；3）堆高塔基下部，增加基础的稳定性；4）在基础周围铺设块石；5）堆填炉渣以隔绝冬季空气冷量；6）重新布设基础并将铁塔“整体迁移”。以上防治措施在一定程度上提高了塔基的整体性和抗冻拔能力，但仍表现出不足之处：1）减弱的冻胀力同样使梯形斜面基础出现不均匀冻拔和严重倾斜现象；2）由于不是整体浇筑，在措施实施两年后，基础和混凝土界面上已出现最大约2 cm宽的裂缝，降低混凝土板的连接作用；3）部分炉渣与块石基础周围出现大量积水。
为控制潜在的冻胀问题，建议改进结构设计和施工方法
[19，22，26，29]，在现有措施的基础上：1）采用预制扩底基础以保证混凝土浇筑质量并减弱对下伏多年冻土的热影响；2）基础侧表面涂抹沥青等润滑材料；3）基础周围回填块碎石土以削减切向冻胀力；4）设置排水隔水措施以减弱水的侵蚀和冻胀；5）主动恢复植被综合调控地层温度。
2.2 电力与通信线杆
线杆病害以冻拔和冻胀破坏为主，如
图15所示。木杆因具有自重轻、隔热性能良好、成本低廉且易于施工等特点被广泛应用，但杆身冻胀开裂及与土体之间存在较大的摩擦力使其容易发生冻拔和断裂倾覆（
图15（a）和
图15（b）），不仅会导致电力和通信中断，造成地区经济损失且对林区防火也产生重大隐患。此外，空心混凝土杆表面出现大量冻胀裂纹和贯通裂缝（
图15（c）和
图15（d）），水与空气加速混凝土剥蚀和内部钢筋锈蚀，极易发生断裂倒塌，因而部分线路已进行截断并替换。由于线杆之间存在线路联结，杆身的倾覆还可带动相邻的杆倾倒，进一步加剧事故的严重程度与影响范围。
以上病害极大缩短了线杆的使用寿命，为确保电力与通信基础设施安全稳定运行，采取有效预防与治理措施显得尤为重要。目前的加固措施有：1）通过堆土增加嵌入段长度，如双脚电力杆塔（
图16（a））；2）石笼防护（
图16（b））；3）三角架结构（
图16（c））；4）设置拉线和撑杆提高线杆稳定性（
图16（d））。现有措施不足：1）周边开挖势必会造成地表热量失衡，破坏冻土原有的赋存状态，改变了下垫面地表温度，如
图17所示。在降雨和下层土的融化固结作用下汇聚大量积水，增加了线杆冻胀开裂和冻拔失稳风险；2）石笼防护会因其下部土体不均匀融沉而发生倾倒，同时防火隔离带内围护块石的木桩被烧毁，减弱防护效果；3）三角架在纵向上仍发生了严重倾斜和倒塌；4）拉线和撑杆锚固端的深度与稳定有较高要求。
现有处置措施均无法控制和预防线杆的长期冻拔，对于处在冻土发育显著区域内的线杆，建议提高线杆材料的抗冻性能，并在施工时另外运输块碎石土回填以减弱土体冻胀量，然后再在其上方堆土加固或增设石笼。对已经出现冻拔现象的线杆可按以上方法进行及时修复加固、定期检查和维护。
3 结论
杆塔工程建设导致了大量林区植被破坏，且施工过程及后续运营引发的多年冻土退化降低了植被覆盖度，进一步削弱了生态系统的自我恢复能力。维护杆塔基础安全与稳定有助于促进生态环境的可持续发展。通过现场调查得到了如下结论。
1）基础出现冻拔的输电线铁塔占总调查数目的18.1%，包括均匀冻拔（8.5%）和不均匀冻拔（9.6%），而基础出现融沉的仅占3.7%。基础表面出现裂缝（2.7%）、剥落（2.7%）、裂纹（4.3%）、侵蚀（5.9%）、倾斜（3.7%）和压裂（0.5%）等病害。基础倾斜和不均匀冻拔显著影响铁塔稳定。保护帽病害比基础更严重和普遍，主要表现为裂缝（15.4%）、剥落（8.5%）、裂纹（15.4%）和侵蚀（58%）。裂缝均沿着上部荷载作用方向开裂，对保护帽的影响较大。冻拔和冻裂造成线杆倾斜和断裂倒塌。
2）工程扰动显著改变了原有地表温度，回填基坑时需防止地表融沉积水并设置排水隔水措施。杆塔基础建议采用块碎石土作为主要回填材料，同时将基础周边地形堆高并主动恢复植被进行温度调控。针对大兴安岭特有的低温环境，应改良混凝土抗冻性能以减弱冻害威胁。另外，现场调查、科学研究、治理措施、设计和施工之间应进行动态优化以综合提升寒区基础工程韧性。
3）本次调查仅在短期小范围内对杆塔基础病害特征及防治进行了初步分析，后期可引入无人机技术定期巡检以快速获取大量工程现场图像，提升病害数据收集效率。同时构建东北多年冻土区基础典型病害数据库，并进一步开展基于人工智能技术的病害识别与监测研究。通过深入分析工程病害的时空演变规律，实现病害的精准分类与区域划分，为后期工程规划和选线选位等提供科学的决策与参考。
京公网安备11010202008535号
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