淺析特高壓輸電線路巖溶地區(qū)巖土工程勘測

曹文慶，王 海，黃 河

(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢 430040)

淺析特高壓輸電線路巖溶地區(qū)巖土工程勘測

曹文慶，王 海，黃 河

(湖北省電力勘測設計院，湖北武漢 430040)

以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程巖溶區(qū)勘測為基礎，分析巖溶區(qū)的主要巖土工程問題，探討巖溶區(qū)巖土工程勘測要點及重點，初步總結巖溶區(qū)特高壓輸電線路的勘測經驗。

特高壓;巖溶;巖土工程;勘測

0 引言

特高壓輸電線路具有較強的電網輸送能力，近年來其建設逐步得到了國家的高度重視。特高壓輸電線路塔高、荷載大，對基礎穩(wěn)定性、沉降要求較高［1］。

巖溶地區(qū)地質條件較復雜，在巖溶區(qū)進行特高壓輸電線路巖土工程勘測難度相對較大。

1 巖溶區(qū)主要存在的巖土工程問題

巖溶地區(qū)由于長時間的巖溶作用致使巖石表面產生溶溝溶槽、可溶性巖內部產生溶蝕裂隙及溶洞;巖石上部覆蓋層易經濕熱條件下的紅土化作用產生紅粘土;碳酸鹽巖頂板土巖接觸面附近由于潛蝕或真空吸蝕作用易形成土洞［2］。

溶溝溶槽地區(qū)，由于其表面巖石凹凸不平，其間一般充填粘性土，該地區(qū)的淺基礎易置于半巖半土上形成不均勻地基;溶洞，特別是淺埋溶洞，易影響基礎的穩(wěn)定性;可溶性巖石上部紅粘土易失水收縮，產生裂縫影響土體整體性，削弱了抗剪強度及承載力;土洞易影響地基的穩(wěn)定性。

2 巖溶地區(qū)特高壓線路勘測依據及規(guī)范

由于現在國內特高壓輸電線路還較少，尚無專門的特高壓輸電線路的勘測技術規(guī)程。特高壓電力線路在巖土工程勘測過程中主要參照文獻［3］、文獻［4］、文獻［5］中的要求執(zhí)行，并參考文獻［6］及文獻［7］關于巖溶區(qū)勘測的相關要求。

根據相關規(guī)程規(guī)范條款，特高壓電力線路巖土工程勘測規(guī)范中關于巖溶勘測的規(guī)定主要如下:

(1)巖溶發(fā)育地區(qū)勘測應先搜集資料，現場加強地質調查。

(2)巖溶發(fā)育地區(qū)應查明地層時代、巖土特性、巖溶洞穴的形態(tài)規(guī)模與發(fā)育特征，洞穴的充填及密實程度，巖土層的富水性及地下水的動態(tài)變化，評價其對路徑立塔的影響。

(3)在巖溶洞穴發(fā)育地區(qū)或路段，可選擇使用物探、鉆探、井探等方法逐腿探查。

(4)當塔位處存在以下情況之一時，可判定為未經處理不宜立塔:①巖溶洞穴埋藏淺、密度大;②巖溶洞穴規(guī)模大，上覆頂板不穩(wěn)定;③土洞、采空區(qū)、人工洞穴或塌陷成群發(fā)育地段;④洞穴圍巖為易溶巖土且存在繼續(xù)溶蝕條件;⑤埋藏型巖溶土洞上部覆蓋層有軟弱土或易受地表水沖蝕的部位;⑥溶溝、溶槽、石芽等地表巖溶強烈發(fā)育，地表起伏劇烈地段。

(5)下列情況可不考慮洞穴對塔位穩(wěn)定性的影響:①洞穴頂板圍巖堅硬完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，且厚度大于洞穴跨度;②洞穴充填密實，充填物具較高強度并無流失條件;③洞穴較小，基礎底面尺寸大于洞體平面尺寸且有足夠支撐長度;④基礎底面以下巖土層厚度大于獨立基礎寬度的8倍或整板基礎邊長的3倍，且不具備形成土洞或松動側移條件。

(6)對于無法避開且可能對塔基穩(wěn)定產生影響的溶蝕洞隙，應根據其發(fā)育特點采用填塞、灌漿、洞底支撐、梁板跨越等方法進行處理。

3 巖溶區(qū)特高壓線路勘測實施要點及意義

巖溶區(qū)特高壓輸電線路勘測是比較復雜的巖土工程勘測。它主要包括前期策劃、勘測過程實施及成果整理等。

3.1 前期策劃

3.1.1 地質圖的準備

外業(yè)勘測前應搜集沿線區(qū)域地質圖，并將線路路徑投影至地質圖上(如圖1)，并翻閱所在區(qū)域的地質志，在外業(yè)前對沿線地層情況有個較全面的了解和前瞻。

圖1 溪洛渡—浙西特高壓線路區(qū)域地質圖(部分)Fig.1 Regional geologic map of Xiluodu－Zhexi UHV transmission line

3.1.2 搜集工程資料

在外業(yè)前應搜集附近工程資料，并從附近工程中概略地了解沿線的巖溶發(fā)育情況，以及巖溶重點發(fā)育地段。同時應搜集本工程的前期資料，前期資料是工程重要的參考，對本階段工作重點有重要的啟示作用。

3.1.3 儀器設備的準備

巖溶地區(qū)由于基巖面起伏不平，以及下部存在隱伏溶洞的可能性，除了采用一般手段，還應配備一些特殊設備手段，如在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程中加配了PulseEKKO PRO地質雷達、靜力觸探、BER2571BV型接地電阻儀等設備。

3.1.4 編制實施方案

在外業(yè)之前，應根據附近工程資料及前期資料，線路區(qū)域地質情況，結合設計定位手冊，編制巖土工程勘測大綱，為后續(xù)外業(yè)工作的開展提供指導。

3.2 勘測過程實施

3.2.1 地質調查

地質調查在巖溶地區(qū)勘測具有舉足輕重的作用，在特高壓輸電線路涉及的勘測規(guī)范中均強調了巖溶地區(qū)地質調查的重要性。

在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測中對巖溶地區(qū)主要圍繞塔基50～100 m范圍內進行地層巖性調查、地質災害排查，調查巖溶分布情況;在塔基周圍30 m范圍內進行地質填圖。

地質調查往往能對塔基附近的巖溶發(fā)育情況有一個初判，可以通過附近居民問詢、目測等方式初步調查附近溶洞、天坑、地下暗河、溶溝、溶槽、危巖、土洞等發(fā)育情況，可以初步避讓一些影響塔基穩(wěn)定的巖溶強烈發(fā)育區(qū)及地質災害危險區(qū)。地質調查是其他勘測手段的先行利器。

3.2.2 地質勘探

巖溶地區(qū)與碎屑巖地區(qū)相比，地貌形態(tài)及巖土組合特征有著其明顯的差異性，由于碳酸巖具有可溶性，形成的巖溶形態(tài)千奇百怪，石芽、溶溝、溶洞等地貌形態(tài)隨處可見，形成獨具風格的喀斯特地貌。與一般巖石相比，巖溶地區(qū)土巖接觸面相對變化較大，覆蓋層厚度可能在一米之內就可能有很大的差別。

地質勘探在特高壓輸電線路中是最直觀的勘測手段，鑒于巖溶地區(qū)基巖起伏面較大，在勘測過程中應綜合分析，切忌以點代面。在具體勘測實施過程中勘探手段應具有多樣性。

以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測為例，本工程本次采用逐基逐腿勘探的原則，一般在每個塔腿上布置一個勘探點。在灰?guī)r、白云質灰?guī)r等碳酸鹽地區(qū)，溶溝、溶槽發(fā)育地段，局部塔腿布置有2～3個勘探點，以較準確的探查塔基巖溶形態(tài)。主要采用了機鉆、坑探、麻花鉆、靜力觸探等。沿線塔位主要位于山頂、山坡，第四系覆蓋層一般為0.5 ～3.0 m，局部 ＞8 m，當覆蓋層在1.0 m以內宜采用坑探，覆蓋層在1.0～5.0 m宜采用麻花鉆，土層相對較厚時(＞5 m)一般考慮用靜力觸探或機鉆。機鉆孔主要在沿線分段布置，同時考慮在覆蓋層較厚地段、巖溶發(fā)育地段及地質雷達異常地段布置機鉆孔。

3.2.3 工程物探

工程物探手段可以探查巖溶異常帶，為在巖土工程勘測過程中的疑問地帶提供了有效的佐證。在巖溶地區(qū)，特別是山區(qū)的巖溶地區(qū)，地質雷達探測或高密度電法是巖土工程勘測的重要輔助手段。

在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測過程中，用地質雷達探測了T1468、T1487等塔位的巖溶分布區(qū)(如圖2)，為塔位避讓巖溶強烈發(fā)育地段提供了有利佐證。

3.2.4 巖土測試

在特高壓巖溶地區(qū)巖土工程勘測過程中一般宜選取至少1/3的勘探點進行巖土分析測試?？睖y過程中野外的巖土試驗主要有:用靜力觸探儀測試土層的比貫入阻力(Ps);在鉆探過程中對土層進行標準貫入試驗;對巖體進行點荷載試驗、現場剪切試驗等，室內應對機鉆或坑探采取的巖土試樣分別進行土工試驗、巖石物理力學試驗、土壤腐蝕性分析等。并分別對各類試驗成果進行分層分組統(tǒng)計分析，充足的巖土測試數據是合理判別巖土物理力學指標的重要依據。

圖2 T1468測線及巖溶分布圖Fig.2 Distribution map of T1468 survey line and karst

3.3 勘測成果整理

應根據地質調查、鉆探、巖土試驗、野外描述鑒定，結合地方經驗進行巖土分類及綜合確定巖土體的物理力學指標。在巖溶較發(fā)育地段宜繪制巖溶平面分布圖并附有相關物探成果圖;土層分布不均的溶溝、溶槽地段，電阻率應分別根據沿溝槽及垂直溝槽電阻率測試結果進行綜合取值，同時宜繪制工程地質平面圖。在勘測成果中各塔基應分別附有相應的地形地貌描述、照片、相應勘測手段的勘探測試成果、巖土分層及物理力學指標、不良地質發(fā)育情況等。

勘測成果應反映塔位附近溶洞、土洞發(fā)育情況，塔基是否為土巖組合地基，塔位土層是否為紅粘土，塔位附近是否存在危巖等不良地質作用，以及地下水特征，并對結構提出相關的防治建議。

4 巖溶區(qū)特高壓輸電線路勘測應注意的問題

巖溶區(qū)特高壓輸電線路巖土工程勘測涉及相關巖土工程問題較多，可采用相應的勘測手段及測試加以恰當解決。下面主要介紹巖溶區(qū)勘測過程中兩個普遍存在的重要問題:巖溶穩(wěn)定性評判、空區(qū)上方地基承載力確定。

4.1 巖溶穩(wěn)定性評判

在巖溶勘測過程中，巖溶發(fā)育程度以及溶洞洞穴穩(wěn)定性是其重中之重，其關系到塔基的穩(wěn)定性，以及電力線路的安全運行。

在勘測現場應充分調查及運用相應勘測手段判別巖溶發(fā)育情況，及時避開巖溶不穩(wěn)定區(qū)。

4.1.1 定性評判

根據相關規(guī)范要求，結合現場勘測判別場地是否屬于不宜立塔地段或不考慮巖溶對塔位影響地段，當不符合不考慮巖溶不利影響的塔位，應進行進一步的塔基穩(wěn)定性分析。有經驗的地方可以采用類比法或經驗比擬法進行定性判別。

4.1.2 定量評判

目前定量判別主要采用按經驗公式對溶洞頂板的穩(wěn)定性進行驗算。

根據文獻［7］，當巖溶頂板為中厚層或薄層、裂隙發(fā)育、易風化的巖層時，頂板有坍塌可能的溶洞，頂板安全厚度可采用溶洞頂板坍塌自行填塞洞體所需厚度進行計算。所需塌落高度H按下式計算:

式中:H0為塌落前洞體最大高度;K為巖石松散系數。

當頂板巖層較完整，強度較高，層厚，而且已知頂板厚度和裂隙切割情況，可根據情況分別按懸臂梁、簡支梁、兩端固定梁等模型進行計算驗算。上覆頂板巖層最小厚度H驗算公式如下:

式中:M為根據模型得出的計算彎矩;b為梁板的寬度;σ為巖體計算抗彎強度;fs為支座處剪力;S為巖體計算抗剪強度。

根據現場的工程地質調查及勘測，應用以上公式計算巖體安全厚度再乘以適量的安全系數Ks，即可與實際巖體頂板厚度做對比，確定地基的穩(wěn)定性。

4.2 巖溶及空區(qū)上方地基承載力確定

巖溶及空區(qū)上方地基極限承載力及穩(wěn)定性問題是一個比較復雜的課題。目前已有不少學者做過理論分析及模擬實驗研究，得出了相應的相關經驗公式或修正系數，但工程界尚未提出成熟的巖溶及空區(qū)上方地基極限承載力的理論計算方法。

4.2.1 天然地基承載力與相關因素的關系

楊宜章采用考慮地基兩側包含對數螺旋線型剪切區(qū)時對應的破壞模式，建立地基極限承載力比與空洞頂板厚度及空洞大小關系(見圖3、圖4)。

圖3 地基極限承載力比與空洞頂板厚度關系Fig.3 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and thickness of cavity roof

圖4 地基極限承載力比與空洞大小之間關系Fig.4 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and cavity size

可以看出，隨著r/B的增加，地基極限承載力比呈減小趨勢，而且，其減小趨勢隨著r/B的增加而減小。圖中也可反映出，H/B越大，其地基極限承載力比也越大。

地基寬度、空洞大小、空洞頂板厚度等對地基承載力有重要影響，隨著空洞半徑減小、頂板厚度增加，地基承載力增加，地基承載力比逐漸接近于l，即趨向于空洞對承載力無影響的范圍。地基巖土體強度參數粘聚力和內摩擦角對地基承載力影響明顯，在空洞與地基幾何條件不變的情況下，地基承載力隨粘聚力的增加呈近似線性增加;而內摩擦角影響破壞形態(tài)，內摩擦角增加，承載力增加明顯。巖體自重對空洞上方的條形基礎地基承載力的影響不顯著。

由其成果可知，當H/B足夠大(相對一定洞跨)時，溶洞上方的地基承載力比接近1，可近似采用常規(guī)的無空洞時的承載力計算公式進行承載力計算;否則應進行折減計算，其天然地基的承載力修正系數可參照文獻［8］相關成果。

4.2.2 樁基地基承載力與相關因素的關系

當樁基下存在空洞時，空洞高度對樁的極限承載力結果影響不大，一般是略有減小，如果取 qu=1.8 MPa，則空洞高度在0.5～3.0 d內變化時，樁的極限承載力的誤差在2.37%之內;在考慮空洞影響的情況下，樁基承載力隨洞跨增大而減小;樁基承載力隨頂板厚度增加而增加，直到逐漸接近不考慮空洞的影響。

由此可知，當采空區(qū)上部塔位基礎下有足夠厚度的頂板時可不考慮空洞對地基承載力的影響;當需考慮空洞對承載力的影響時可根據實際情況結合相關經驗系數對塔基進行綜合承載力取值。

5 結論

(1)巖溶區(qū)特高壓線路勘測是相對復雜的巖土工程勘測，應根據相關規(guī)范要求進行提前謀劃，確定有效的勘測實施方案。

(2)巖溶區(qū)巖土工程勘測前，應搜集附近相關區(qū)域地質及工程資料，對沿線巖溶情況進行初判;現場采用地質調查為主，采取必要的地質勘探、物探及適當的原位測試工作，并采集適量的巖土試樣進行物理力學分析。

(3)在巖土工程勘測成果中巖溶場地應反映塔位附近溶洞、土洞發(fā)育情況，塔基是否為土巖組合地基，塔位土層是否為紅粘土，塔位附近是否存在危巖等不良地質作用，以及地下水特征，并對結構提出相關的防治建議。

(4)在巖土工程勘測前期應判別場地是否屬于不宜立塔地段或不考慮巖溶對塔位影響地段。當塔位屬于不宜立塔地段時應盡量避讓;當塔位不符合不考慮巖溶不利影響的塔位時，應進行進一步的塔基穩(wěn)定性分析，可采用定性或定量的方法進行評判。

(5)當塔基基礎下部有足夠厚度的頂板時可不考慮空洞對地基承載力的影響;當需考慮空洞對承載力的影響時，可根據實際情況，結合已有的相關經驗系數對塔基進行綜合承載力取值。

［1］ 賈寧，等.巖溶區(qū)特高壓直流輸電線路勘測實踐［J］.電力勘測設計，2008(5):5－8.

［2］ 李智毅，楊裕云.工程地質學概論［M］.武漢:中國地質大學出版社，1994.

［3］ Q/DG-1-A007—2008，特高壓架空輸電線路工程勘測技術規(guī)定［S］.

［4］ GB50548—2010，330～750kV架空輸電線路勘測規(guī)范［S］.

［5］ DL/T5122—2000，500kV架空送電線路勘測技術規(guī)程［S］.

［6］ GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)［S］.

［7］ 工程地質手冊編委會.工程地質手冊［M］.4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［8］ 楊宜章.巖溶和空區(qū)上方地基承載特性的研究［D］.長沙:中南大學，2007.

(責任編輯:于繼紅)

Preliminary Analysis of UHV Transmission Line Projects in Karst Region

CAO Wenqing，WANG Hai，HUANG He
(Hubei Electric Power Survey ＆ Design Institute，Wuhan，Hubei430040)

Based on the geotechnical investigation of the Xiluodu-Zhexi ±800kV UHVDC transmission line，the main geotechnique problems in karst region were analyzed，the key points and emphasis of the geotechnical investigation in karst region were discussed，and the geotechnical investigation experience in karst region were preliminary summarized.

UHV;karst;geotechnical engineering;investigation

P642.25

B

1671－1211(2013)06－0761－04

2012－11－20;改回日期:2012－11－30

曹文慶 (1982－)，男，工程師，土木工程 (巖土)專業(yè)，從事電力工程、巖土工程勘測設計工作。E－mail:271529884@qq.com