西藏雙湖某輸電線(xiàn)路沿線(xiàn)多年凍土特征分析

丁玉濤，王國(guó)尚，趙 棟，穆紅文

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)甘肅省電力設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

藏北高原，區(qū)內(nèi)平均海拔在5 000 m以上，氣候干燥、寒冷、空氣稀薄[1]。同時(shí)，該地區(qū)也是世界上中緯度高海拔多年凍土最發(fā)育的地區(qū)，其多年凍土具有地域分布廣、低溫高、厚度薄及穩(wěn)定性差的特點(diǎn)[2]。針對(duì)青藏高原的高海拔多年凍土的分布格局、季節(jié)凍結(jié)融化作用等都有深入研究[3-4]。另外，對(duì)同位于藏北的改則地區(qū)多年凍土的研究也表明，改則地區(qū)多年凍土上限在2.6～8.5 m之間，部分地區(qū)存在融化夾層；多年凍土含冰量在12%～35%之間，主要為多冰凍土。多年凍土分布的下界海拔高度約為4 700 m，海拔5 100 m以上區(qū)域普遍發(fā)育有多年凍土，多年凍土溫度普遍較高，在-1.5℃～0℃之間[5]。隨著青藏鐵路、青藏公路、青藏電力聯(lián)網(wǎng)工程的建設(shè)，對(duì)青藏高原地區(qū)多年凍土工程特性的研究也逐步成熟，各類(lèi)成果表明多年凍土的上限、含水(冰)率、溫度及分布特征決定了多年凍土的工程特性，通常也決定著工程建設(shè)的難易程度[6-8]。

雖然前人對(duì)西藏地區(qū)的多年凍土做了大量研究，成果豐富，但藏北雙湖地區(qū)因氣候惡劣、人跡罕至，區(qū)內(nèi)工程建設(shè)相對(duì)較少，因此對(duì)藏北雙湖地區(qū)多年凍土分布及工程特性的研究也極少；在搜集的該地區(qū)多項(xiàng)工程的建設(shè)資料中，鮮有提及多年凍土，同時(shí)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地區(qū)一些公路、通信光纜等基礎(chǔ)設(shè)施有不同程度的損壞，可能是由于工程建設(shè)過(guò)程中對(duì)凍土地基重視不夠造成的。因此本文以藏北雙湖地區(qū)某輸電線(xiàn)路為研究對(duì)象(該工程前期可研報(bào)告中未提及多年凍土，但在施工圖階段發(fā)現(xiàn)多年凍土，引起設(shè)計(jì)變更)，對(duì)沿線(xiàn)多年凍土的分布特征及工程特性進(jìn)行了研究。

1 工程及研究區(qū)概況

本次研究的輸電線(xiàn)路整體位于那曲市雙湖縣境內(nèi)，雙湖縣城海拔約4 900 m，是世界上海拔最高的縣城。該輸電線(xiàn)路屬于藏中電網(wǎng)的延伸部分，建成后將解決雙湖地區(qū)電力孤網(wǎng)運(yùn)行、供電可靠性差及區(qū)域無(wú)電缺電的狀態(tài)。

本線(xiàn)路工程總長(zhǎng)約109 km，共有289基塔位，輸電線(xiàn)路大體呈南北走向，南起于雙湖縣多瑪鄉(xiāng)，北止于雙湖縣縣城西側(cè)，路徑區(qū)域沿線(xiàn)海拔高程在4 650～5 030 m，其中80%的塔位海拔超過(guò)4 800 m，接近20%的塔位海拔超過(guò)4 900 m。該地區(qū)氣候?qū)俚湫偷暮浒敫珊蹈咴撅L(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)年平均氣壓僅為正常內(nèi)陸大氣壓的一半，年平均氣溫-5.3℃，最冷月(1月份)平均氣溫-24℃，最熱月平均氣溫僅為9.7℃，氣候干燥，年平均降水量為140 mm，年平均蒸發(fā)量卻達(dá)到2 200 mm。因此區(qū)內(nèi)氣候有著氣溫低、晝夜溫差大、降水少、空氣稀薄、氣壓低、輻射強(qiáng)以及日照充足的特點(diǎn)[9]。

線(xiàn)路走徑區(qū)地貌以片狀沖洪積平原與條帶狀剝蝕殘丘交錯(cuò)分布為主，其間還分布有丘間凹地以及河流地貌。線(xiàn)路沿線(xiàn)地形起伏一般，相對(duì)高差較小，一般在50～100 m之間。平原地段及構(gòu)造剝蝕丘陵地段，地表植被稀少，呈荒漠化發(fā)展，部分丘陵頂部巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，平原地段分布許多季節(jié)性沖溝；河流地貌及丘間凹地地段，因降水匯集，往往地下水埋深淺，此類(lèi)地段植被分布較密集，呈現(xiàn)沼澤化。因受地質(zhì)構(gòu)造作用影響，區(qū)內(nèi)所有的河流都是內(nèi)流性河流，季節(jié)性河流占有相當(dāng)大的比重，且大多屬于色林錯(cuò)水系。總體而言，線(xiàn)路沿線(xiàn)工程地質(zhì)條件差異較大。

2 沿線(xiàn)多年凍土特征

2.1 沿線(xiàn)多年凍土分布

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察，線(xiàn)路沿線(xiàn)部分地段分布有多年凍土地基，屬于典型的中緯度高海拔多年凍土。由于氣候寒冷干燥，研究區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型以高寒草甸為主，在部分山區(qū)的陰坡溝谷中發(fā)育有沼澤草甸。全線(xiàn)共約40基塔位地基存在多年凍土，約占線(xiàn)路總長(zhǎng)度的14%。其中137#～154#段(149#因地勢(shì)較高，地層為基巖，地基土中未發(fā)現(xiàn)多年凍土)位于丘間溝谷地段，如圖1所示，因該段塔位所處地勢(shì)明顯低于周?chē)?，利于地表水的匯集，該段地下水位埋深淺(一般1.0～3.0 m)，暖季(5～9月)雨水匯集加之表層季節(jié)性?xún)鐾翆尤诨?，地表水與部分地下水在低洼地段匯集，在該地段多形成水草地，表現(xiàn)為沼澤化，寒季形成伴有局部凸起的小型凍脹草丘。該段為本線(xiàn)路沿線(xiàn)典型的多年凍土分布地段，屬不連續(xù)島狀多年凍土。

圖1 沿線(xiàn)典型的多年凍土分布地段

根據(jù)沿線(xiàn)的勘察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，該地區(qū)通常在丘間凹地中心地帶與平原地勢(shì)低洼地帶，且地層為細(xì)砂、粉土、黏土等細(xì)顆粒土?xí)r，成為多年凍土的主要分布區(qū)；在高原河流階地，丘陵與平原地勢(shì)較高處，當(dāng)?shù)貙右运槭粱蚧鶐r為主時(shí)，未見(jiàn)多年凍土分布。從塔位海拔的角度來(lái)看，沿線(xiàn)海拔在4 650～5 030 m之間，多年凍土主要分布于近4 900 m海拔的地段。

2.2 多年凍土上限

為確定多年凍土上限，在2018年11月下旬進(jìn)行了鉆探與取樣工作。根據(jù)鉆探結(jié)果，見(jiàn)表1所列，地表以下約1.0 m深度范圍內(nèi)地基土土體呈凍結(jié)狀態(tài)，且不同地段鉆探巖芯有相同情況。這是由于該地區(qū)平均氣溫在10月之后已經(jīng)降至0℃以下，表層凍結(jié)土層為季節(jié)性?xún)鐾?，隨著時(shí)間的推移，寒季氣溫不斷降低，該凍結(jié)層厚度會(huì)逐漸達(dá)到該地區(qū)最大凍土深度。

地面2.0～2.8 m以下又出現(xiàn)凍結(jié)層(該凍結(jié)層與地表凍結(jié)層之間為融化層)，巖芯含凝冰或以冰塊形式賦存于土體顆粒間，該層即為多年凍土層。根據(jù)鉆孔鉆探結(jié)果，該線(xiàn)路沿線(xiàn)區(qū)域多年凍土上限在2.0～2.8 m，因海拔較高，平均氣溫低，該地區(qū)多年凍土上限普遍較淺(地表10 m以下是否有多年凍土，對(duì)本工程影響較小)。

表1 沿線(xiàn)典型鉆孔資料

2.3 多年凍土含冰特征

根據(jù)鉆孔巖芯揭露，126#地層以細(xì)砂為主，地下水較為發(fā)育，巖芯中肉眼可見(jiàn)不規(guī)則走向的冰條帶，如圖2所示，為飽冰凍土；142#凍土巖芯肉眼可見(jiàn)土顆粒周?chē)斜?，如圖3所示，為多冰凍土；138#凍土巖芯中存在單顆粒的冰晶，如圖4所示，為少冰凍土。據(jù)研究表明，與本工程相近緯度，海拔為4 808 m與4 960 m的兩道河與溫泉觀測(cè)點(diǎn)，多年凍土平均地溫為-0.5℃與-0.9℃[10]，參考該研究成果，表明本工程沿線(xiàn)多年凍土同屬高溫凍土。

圖2 塔位126#巖芯中的不規(guī)則冰條帶

圖3 塔位142#巖芯中土顆粒周?chē)谋?/p>

圖4 塔位138#巖芯中的單顆冰晶

根據(jù)凍土區(qū)鉆孔中揭露的多年凍土特征為：①有機(jī)質(zhì)含量較少，泥炭化程度低。②土顆粒以砂土為主要成分的多年凍土，其顆粒間填充冰晶；土顆粒以粉土、粉質(zhì)黏土為主要成分的多年凍土，其凝冰表現(xiàn)為冰條帶或單顆粒冰晶。③在地下水發(fā)育的地段，多年凍土主要為多冰或富冰凍土，地下水不發(fā)育時(shí)為少冰凍土。④當(dāng)?shù)乇碇脖?凍脹草丘)發(fā)育較好時(shí)，往往凍土含水(冰)量較高，多年凍土類(lèi)型屬多冰或富冰凍土；當(dāng)植被稀少，多年凍土含水(冰)量較低，表現(xiàn)為少冰凍土。

3 凍土地質(zhì)災(zāi)害及治理措施

3.1 凍脹融沉性的治理

多年凍土是土體溫度低于0℃且含有冰的特殊巖土體，當(dāng)土體處于凍結(jié)時(shí)，凍土具有極高的強(qiáng)度特性，當(dāng)凍土融化時(shí)，土體將完全喪失強(qiáng)度，且凍土的物理力學(xué)性質(zhì)將隨凍土溫度而發(fā)生劇烈的變化。當(dāng)土體中孔隙水凍結(jié)或融化，地基土將表現(xiàn)出凍脹性和融沉性。進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，見(jiàn)表2所列，區(qū)內(nèi)沿線(xiàn)多年凍土總含水量在14.4%～58.2%之間，多年凍土主要以細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土為主。根據(jù)總含水量判斷，地基土具有II～I(xiàn)V級(jí)凍脹性，I～I(xiàn)V級(jí)溶陷性，總體來(lái)說(shuō)沿線(xiàn)多年凍土融沉性與凍脹性變化較大，對(duì)鐵塔基礎(chǔ)影響較大。

表2 典型塔位多年凍土類(lèi)型及工程特征

沿線(xiàn)地層主要以含冰土層為主，未見(jiàn)明顯完整的厚層冰層，且凍土層上限埋深在2.0～2.8 m之間，其基礎(chǔ)可按多年凍土凍結(jié)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為減小融沉性，基礎(chǔ)埋置深度宜設(shè)置在多年凍土活動(dòng)層(上限)以下1.5～2.0 m；為消除凍脹性，基礎(chǔ)形式可采用錐柱板式基礎(chǔ)或灌注樁基礎(chǔ)，并適當(dāng)加大基礎(chǔ)埋深，配合在基底鋪設(shè)碎石土墊層，必要時(shí)采用基礎(chǔ)側(cè)面刷漆、設(shè)置玻璃鋼?；蚵裰脽岚簟?/p>

3.2 熱融滑塌、凍脹草丘及涎流冰的治理

熱融滑塌如圖5所示，土中冰晶融化，土體整體強(qiáng)度降低，斜坡地帶發(fā)生滑塌。往往在多年凍土上限附近存在地下冰及高含冰凍土層，由于埋藏淺，很容易受天然因素或人為活動(dòng)的影響。為避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生，在現(xiàn)場(chǎng)塔位選址的時(shí)候，對(duì)塔位所處的地形坡度及周?chē)袩o(wú)凍脹草丘(如圖6所示)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。為了保證各塔位穩(wěn)定，盡量避免了在地形坡度較大的地段立塔，當(dāng)?shù)鼗链嬖诙嗄陜鐾習(xí)r，整體地形坡度控制在了5°以?xún)?nèi)，保證塔位基礎(chǔ)不受表層熱融滑塌的影響。

圖5 熱融滑塌

圖6 凍脹草丘

涎流冰如圖7所示，是在寒冷地區(qū)的寒季，凍結(jié)層從地表向下發(fā)展，季節(jié)凍融層發(fā)生變化，使原來(lái)的凍結(jié)層之上的潛水變成承壓水。承壓水隨著上部?jī)鼋Y(jié)層的加厚和過(guò)水?dāng)嗝娴臏p小，其壓力逐漸增大，在地表蓋層薄弱處被擠出或在水頭壓力下破壞蓋層，使地下水溢出，凍結(jié)成高低起伏的冰殼。涎流冰一般出現(xiàn)在半坡位置，塔位一般在此類(lèi)地段主要以避讓為主；無(wú)法避讓時(shí)，需設(shè)置合理的排水措施，在塔位場(chǎng)地地基土內(nèi)設(shè)置盲溝進(jìn)行排水，本次還對(duì)個(gè)別存在涎流冰的塔位基礎(chǔ)進(jìn)行了加埋處理。

圖7 涎流冰

3.3 其他施工建議

凍土環(huán)境與寒區(qū)環(huán)境存在一定的聯(lián)系，相互控制、相互依存。凍土環(huán)境一旦破壞，相應(yīng)寒區(qū)生態(tài)類(lèi)型也會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)當(dāng)按保持凍結(jié)原則設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，基坑開(kāi)挖宜在天氣較為寒冷的季節(jié)施工，選擇在氣溫較低時(shí)段內(nèi)快速施工。對(duì)于施工融化地下水比較多的基坑，需要采取抽排水措施，為防止坑壁坍塌應(yīng)采取一定的基坑支護(hù)措施。

基坑開(kāi)挖過(guò)程應(yīng)注意各道工序的銜接，減少基坑的暴露時(shí)間，且必須采取遮陽(yáng)隔熱措施。對(duì)沿線(xiàn)敏感環(huán)境地段，應(yīng)盡量減少擾動(dòng)。在丘間凹地地帶、平原低洼地帶及河流地貌地帶，在施工前應(yīng)設(shè)置地表水疏干的排水措施，避免地表水進(jìn)入基坑。

凍土地基的回填質(zhì)量的好壞關(guān)系到塔位的穩(wěn)定性。因此對(duì)大開(kāi)挖基礎(chǔ)必須要采用未凍結(jié)的細(xì)顆粒土分層夯實(shí)回填，起到一定的隔水作用，嚴(yán)禁使用凍土塊回填。凍土區(qū)基礎(chǔ)拆模后，應(yīng)立即回填，回填土應(yīng)夯實(shí)；當(dāng)采用玻璃鋼模板時(shí)，基礎(chǔ)澆筑的同時(shí)進(jìn)行基坑回填。填方應(yīng)盡量采用同類(lèi)土填筑，并控制適宜的含水率。當(dāng)采用不同的土填筑時(shí)，應(yīng)按類(lèi)有規(guī)則進(jìn)行分層鋪填，將透水性大的土層置于透水性小的土層之下，不得混雜使用，以利于水的排泄，避免在填方土內(nèi)形成水囊。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)域沿線(xiàn)海拔在4 650～5 030 m之間，多年凍土主要分布于海拔近4 900 m的地段，為不連續(xù)的島狀多年凍土。丘間凹地地段與平原地勢(shì)較低地段，地表水與地下水易在此類(lèi)地段匯集，地表多形成沼澤化水草地，寒季形成伴有局部凸起的小型凍脹草丘，此類(lèi)地形特征為本線(xiàn)路沿線(xiàn)典型多年凍土分布地段。

2)該線(xiàn)路沿線(xiàn)區(qū)域多年凍土上限在2.0～2.8 m，多年凍土中凝冰表現(xiàn)為不規(guī)則的冰條帶、土顆粒周?chē)斜ぜ巴令w粒間的單顆粒冰晶，凍土類(lèi)型屬少冰—富冰凍土。當(dāng)某一地段地形明顯低于周?chē)⒌叵滤^為發(fā)育、地表的植被也較為發(fā)育時(shí)，多年凍土含冰量量將明顯增高。

3)區(qū)內(nèi)沿線(xiàn)多年凍土總的含水量達(dá)到14.4%～58.2%，地基土具有II～I(xiàn)V級(jí)凍脹性，I～I(xiàn)V級(jí)溶陷性，總體來(lái)說(shuō)沿線(xiàn)多年凍土融沉性與凍脹性變化大，對(duì)鐵塔基礎(chǔ)影響也較大?；A(chǔ)可按多年凍土凍結(jié)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)底板宜設(shè)置在多年凍土活動(dòng)層(上限)以下；基礎(chǔ)形式可采用錐柱板式基礎(chǔ)或灌注樁基礎(chǔ)，并配合加大基礎(chǔ)埋深、在基底鋪設(shè)碎石土墊層、基礎(chǔ)側(cè)面刷漆、設(shè)置玻璃鋼模、埋置熱棒等措施來(lái)消除凍脹性與融沉性危害。

4)熱融滑塌、凍脹草丘及涎流冰為沿線(xiàn)的主要的凍土不良地質(zhì)作用，對(duì)點(diǎn)狀線(xiàn)性工程可優(yōu)化選線(xiàn)選位；對(duì)位于不良凍土地質(zhì)作用地段的路徑(塔位)，可采用避讓、控制地形選位、設(shè)置排水、基礎(chǔ)加埋等措施進(jìn)行處理。同時(shí)，要在施工過(guò)程中做好施工時(shí)機(jī)的選擇、工序的銜接及基坑回填等工作。