談東北島狀凍土區(qū)高壓輸電線路勘察方法

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求也在快速增長，高壓輸電在我國電力的建設(shè)當(dāng)中起著舉足輕重的作用。多年凍土與季節(jié)性凍土作為一種特殊的地質(zhì)體，具有特殊的工程地質(zhì)特性，在工程建設(shè)中，必須考慮凍土這一特殊地基，避免出現(xiàn)凍脹、融沉及融沉滑塌等危機(jī)工程安全的地質(zhì)現(xiàn)象。尤其在島狀凍土區(qū)域，由于多年凍土的不連續(xù)性，高壓輸電線路桿塔的獨(dú)立性，給勘察工作帶來了很多問題。在該文中根據(jù)本人從事高壓輸電線路凍土區(qū)勘察工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)東北島狀凍土區(qū)高壓輸電線路勘察方法。主要對高密度電法進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：凍土 勘察方法 高密度電法

中圖分類號：TU195 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0132-02

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求也在快速增長，高壓輸電在我國電力的建設(shè)當(dāng)中起著舉足輕重的作用。高壓輸電能滿足電能遠(yuǎn)距離、高效率、低損耗、低成本輸送的基本要求，所以成為能源輸送的主要方式。由于高壓輸電線路的建設(shè)，穿過多年凍土區(qū)是無可避免的。

多年凍土與季節(jié)性凍土作為一種特殊的地質(zhì)體，具有特殊的工程地質(zhì)特性，在工程建設(shè)中，必須考慮凍土這一特殊地基，避免出現(xiàn)凍脹、融沉及融沉滑塌等危機(jī)工程安全的地質(zhì)現(xiàn)象。尤其在島狀凍土區(qū)域，由于多年凍土的不連續(xù)性，高壓輸電線路桿塔的獨(dú)立性，給勘察工作帶來了很多問題。

1 島狀凍土區(qū)分布規(guī)律

東北凍土區(qū)為歐亞大陸凍土區(qū)的南部地帶，凍土分布具有明顯的緯度地帶性規(guī)律，自北而南，分布的面積減少。該區(qū)有寬闊的島狀凍土區(qū)（南北寬200～400 km），其熱狀態(tài)很不穩(wěn)定，對外界環(huán)境因素改變極為敏感。東北凍土區(qū)的自然地理南界變化在北緯46°36'～49°24'，是以年均溫0℃等值線為軸線擺動(dòng)于0℃和±1℃等值線之間的一條線。受溫度和環(huán)境影響，東北地區(qū)多呈現(xiàn)島狀凍土。因此確定桿塔下方是否存在永凍土成為勘察要點(diǎn)。

2 凍土區(qū)勘察方法

2.1 地質(zhì)雷達(dá)

目前常用的雙天線探地雷達(dá)勘測方法主要有兩種，即剖面法和寬角法。最常見的為剖面法。在縱剖面、橫剖面的勘測中均可使用剖面法進(jìn)行雷達(dá)勘測。在縱剖面的勘測中，使用連續(xù)記錄方式，在桿塔基礎(chǔ)面附近連續(xù)進(jìn)行勘測。探地雷達(dá)剖面的布設(shè)在多年凍土地區(qū)工程地質(zhì)勘測中，考慮到勘測的目的主要是了解多年凍土的分布情況，桿塔基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，因此一般剖面的起始點(diǎn)、終結(jié)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)到?jīng)]有受到破壞的天然場地中。對部分疑難地段可進(jìn)行加密勘測。

地雷達(dá)分辨率高，能夠有效解決地下0～5m范圍內(nèi)多年凍土是否存在及上限埋深情況。由于凍土的介電常數(shù)與融土有較大的差異以及地下冰在不同凍土類型中的獨(dú)特分布， 造成反射波在相位特征、振幅大小、反射波和反射波組形態(tài)特征都與一般融土地區(qū)有很大的不同，這些對多年凍土上界的確定提供了有益的基礎(chǔ)。在資料處理中，通過對雷達(dá)波形、雷達(dá)波形圖、雷達(dá)影像圖的綜合分析，確定是否存在多年凍土，及多年凍土的上限。

由于地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施方便快捷，因此在高壓輸電線路勘察時(shí)，作為前期確定是否存在凍土、多年凍土的上限及季節(jié)性凍土的下限的勘察方法應(yīng)該作為首先。

2.2 瞬變電磁法

利用不接地回線向地下發(fā)射脈沖式一次電磁場，用線圈觀測由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場的空間和時(shí)間分布，從而來解決有關(guān)地質(zhì)問題的時(shí)間域電磁法（脈沖場源）。

在多年凍土區(qū)的地層中，理論上會(huì)至少出現(xiàn)兩個(gè)這樣的界面，分別對應(yīng)凍土的兩個(gè)重要特征參數(shù)：（1）多年凍土上限，即活動(dòng)層與多年凍土層的電性差異界面；（2）多年凍土下限，即多年凍土層與下伏融土/巖間的電性差異界面。在這兩個(gè)界面附近，隨著水的相態(tài)轉(zhuǎn)換，電阻率隨溫度/深度的變化率會(huì)發(fā)生明顯變化，這就為應(yīng)用電法技術(shù)探測提取多年凍土特征提供了充分的地球物理依據(jù)。

數(shù)據(jù)解釋過程中，還需要充分收集和分析區(qū)域的地質(zhì)資料，包括沉積類型、巖性、電性等，以及與多年凍土發(fā)育密切相關(guān)的氣候、海拔、植被、土壤等基礎(chǔ)地理信息，加深對區(qū)域內(nèi)多年凍土發(fā)育規(guī)律性的認(rèn)識。這些資料和知識的運(yùn)用，對于多年凍土下限的準(zhǔn)確提取具有重要的意義。

2.3 高密度電法

目前對電法探測技術(shù)的應(yīng)用，大部分研究應(yīng)用為凍土厚度達(dá)20 m以上、溫度在-5℃～-2℃的地區(qū)，國內(nèi)研究主要集中在青藏高原和漠河地區(qū)，對于凍土溫度在-1℃～0℃的小興安嶺島狀多年凍土地區(qū)，電法應(yīng)用極少，且對探測結(jié)果解釋存在較大的偏差。該文依托高壓線路新建工程選定研究區(qū)，運(yùn)用高密度電阻率法進(jìn)行了塔位基礎(chǔ)附近島狀凍土勘察，并結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，對高密度電法應(yīng)用效果進(jìn)行綜合分析。

3 應(yīng)用TEM 探測多年凍土下限實(shí)例

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

地形條件為較復(fù)雜的山岳地形。孤立的山峰和丘陵較少，大多數(shù)彼此連接，構(gòu)成成排的山系。大興安嶺余脈波及境內(nèi)大部地區(qū)。整個(gè)地勢由東北向西南逐漸傾斜，從北向南依次有達(dá)賴嶺、加疙瘩嶺和松樹嶺、南部地表起伏和緩，是北部草原邊緣，宜農(nóng)宜牧。海拔最高點(diǎn)1421 m，最低點(diǎn)580 m。

3.2 試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場情況

多年凍土區(qū)地層結(jié)構(gòu)自上而下分為：

（1）粉質(zhì)粘土：黑色，黃褐色，凍結(jié)，融后軟塑～可塑，局部可見4～5mm塊狀冰及層狀冰，局部夾有厚度不等的冰層。平均總含水量為34.8%左右，融沉等級為Ⅲ～Ⅳ級，融沉類別為融沉～強(qiáng)融沉。（2）含土冰層：厚度為0.6～5.0 m，為融陷土。（3）圓礫：黃褐色，凍結(jié)，為多年凍土，成分為火成巖碎屑，礫石磨圓度一般，Dmax=60 mm，孔隙充填砂類土及粉粘類土。平均總含水量為14.4%左右，融沉等級為Ⅱ～Ⅲ級，融沉類別為弱融沉～融沉，平均融沉系數(shù)為5.0，為多冰凍土～富冰凍土。（4）粉質(zhì)粘土（含礫）：黃褐色，凍結(jié)，為多年凍土，礫石呈棱角狀，成分為母巖風(fēng)化破碎產(chǎn)物，Dmax=40 mm，局部含碎石，孔隙充填粘性土，局部粘性土含量較高?？偤繛?7.1%左右，融沉等級為Ⅳ級，融沉類別為強(qiáng)融沉，平均融沉系數(shù)為12.0，為飽冰凍土。（5）角礫：紅褐色，黃褐色，凍結(jié)，為多年凍土，礫石呈棱角狀，成分為玄武巖風(fēng)化破碎產(chǎn)物，Dmax=60 mm，局部含碎石，孔隙充填粘性土，局部粘性土含量較高。總含水量為15.3%，融沉等級為Ⅱ～Ⅲ級，融沉類別為弱融沉～融沉，平均融沉系數(shù)為6.0，為多冰凍土～富冰凍土。（6）粘土：灰色，灰綠色，凍結(jié)，融后軟塑，局部可見4～5 mm塊狀冰及層狀冰，局部夾有厚度不等的冰層，局部含礫。平均總含水量為28.1%左右，融沉等級為Ⅲ～Ⅳ級，融沉類別為融沉～強(qiáng)融沉，平均融沉系數(shù)為15.0，為富冰凍土～飽冰凍土。

3.3 高密度電阻率法的應(yīng)用

高密度電阻率法是傳統(tǒng)電阻率法與數(shù)據(jù)自動(dòng)反演相結(jié)合的方法，它是建立在巖土體的導(dǎo)電性差異的基礎(chǔ)上。高密度電阻率法適用于測試淺層電阻率，野外測量時(shí)電極布置完成，數(shù)據(jù)采集由程序控制自動(dòng)進(jìn)行，布置完電極后，可以進(jìn)行多種電極裝置的測量，從而獲得豐富的地電斷面信息。運(yùn)用2DRES二維高密度電法反演軟件對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演。該次以塔位中心為剖面中點(diǎn)進(jìn)行測試；采用溫納法測試，列舉四個(gè)剖面為不同的四個(gè)塔位的測試數(shù)據(jù)（見圖1）。

四個(gè)剖面均為實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行5次反演運(yùn)算后結(jié)果。與鉆探數(shù)據(jù)對比結(jié)論如下：

1#剖面：主要底層結(jié)構(gòu)為圓礫層，充填砂類土，上部凍層深度為5 m左右，下部未凍結(jié)，測試結(jié)果為上部凍層電阻率2000Ω·m以上，下部圓礫層電阻率為450Ω·m以下。未發(fā)現(xiàn)永久凍土塔位，上部為季節(jié)性凍土。考慮是由于上部砂類土保溫較差因此未能形成永久凍土。2#剖面：主要底層結(jié)構(gòu)為圓礫層，充填粘性土，上部圓礫層未凍結(jié)，5 m以下凍結(jié)，測試結(jié)果為上部凍層電阻率300Ω·m以下，下部圓礫層電阻率為800Ω·m以上。上部圓礫層含粘粒含量較多，保溫性能較好，表面植被較發(fā)育，導(dǎo)致下部為形成永久凍土。3#剖面：主要底層結(jié)構(gòu)為圓礫層，充填砂類土，該層在鉆探時(shí)未發(fā)現(xiàn)凍層，測試結(jié)果為上部電阻率主要為250Ω·m以下，下部電阻率逐漸升高。4#剖面：主要底層結(jié)構(gòu)為圓礫層，充填砂類土，該層在鉆探時(shí)未發(fā)現(xiàn)凍層，測試結(jié)果為上部電阻率主要為250Ω·m以下。剖面圖顯示在該剖面右側(cè)存在凍層，在現(xiàn)場進(jìn)行鉆探試驗(yàn)，試驗(yàn)孔在剖面32 m位置，鉆探深度5 m，顯示為凍層。該剖面測試到島狀凍土的邊界。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)測試結(jié)構(gòu)分析，多年凍土是否存在應(yīng)與地層結(jié)構(gòu)有關(guān)，在氣候條件一定的前提下，上層地層中如果粘粒含量越大，則下部凍深越深。（2）不同地層在凍結(jié)后土壤電阻率不同，粘性土層凍結(jié)后電阻率低于圓礫層凍結(jié)后電阻率。因此在用電法測試凍層時(shí)，應(yīng)先做鉆孔對比試驗(yàn)，確定該區(qū)域內(nèi)各地層凍結(jié)后的電阻率。（3）高密度電阻率法探測所得多年凍土層的厚度、位置與鉆探結(jié)果基本一致，兩者的上、下限位置相差在0.5 m以內(nèi)，由此可得：高密度電阻率探測技術(shù)作為一種快速、經(jīng)濟(jì)、可靠的現(xiàn)場測試方法，用來確定島狀多年凍土層的位置、厚度效果明顯。

參考文獻(xiàn)

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