西藏雙湖某輸電線路沿線多年凍土特征分析

丁玉濤，王國尚，趙 棟，穆紅文

(中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

藏北高原，區內平均海拔在5 000 m以上，氣候干燥、寒冷、空氣稀薄[1]。同時，該地區也是世界上中緯度高海拔多年凍土最發育的地區，其多年凍土具有地域分布廣、低溫高、厚度薄及穩定性差的特點[2]。針對青藏高原的高海拔多年凍土的分布格局、季節凍結融化作用等都有深入研究[3-4]。另外，對同位于藏北的改則地區多年凍土的研究也表明，改則地區多年凍土上限在2.6～8.5 m之間，部分地區存在融化夾層；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以上區域普遍發育有多年凍土，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、青藏電力聯網工程的建設，對青藏高原地區多年凍土工程特性的研究也逐步成熟，各類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的難易程度[6-8]。

雖然前人對西藏地區的多年凍土做了大量研究，成果豐富，但藏北雙湖地區因氣候惡劣、人跡罕至，區內工程建設相對較少，因此對藏北雙湖地區多年凍土分布及工程特性的研究也極少；在搜集的該地區多項工程的建設資料中，鮮有提及多年凍土，同時調查發現該地區一些公路、通信光纜等基礎設施有不同程度的損壞，可能是由于工程建設過程中對凍土地基重視不夠造成的。因此本文以藏北雙湖地區某輸電線路為研究對象(該工程前期可研報告中未提及多年凍土，但在施工圖階段發現多年凍土，引起設計變更)，對沿線多年凍土的分布特征及工程特性進行了研究。

1 工程及研究區概況

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

本線路工程總長約109 km，共有289基塔位，輸電線路大體呈南北走向，南起于雙湖縣多瑪鄉，北止于雙湖縣縣城西側，路徑區域沿線海拔高程在4 650～5 030 m，其中80%的塔位海拔超過4 800 m，接近20%的塔位海拔超過4 900 m。該地區氣候屬典型的寒冷半干旱高原季風氣候，區內年平均氣壓僅為正常內陸大氣壓的一半，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，年平均蒸發量卻達到2 200 mm。因此區內氣候有著氣溫低、晝夜溫差大、降水少、空氣稀薄、氣壓低、輻射強以及日照充足的特點[9]。

線路走徑區地貌以片狀沖洪積平原與條帶狀剝蝕殘丘交錯分布為主，其間還分布有丘間凹地以及河流地貌。線路沿線地形起伏一般，相對高差較小，一般在50～100 m之間。平原地段及構造剝蝕丘陵地段，地表植被稀少，呈荒漠化發展，部分丘陵頂部巖石風化強烈，平原地段分布許多季節性沖溝；河流地貌及丘間凹地地段，因降水匯集，往往地下水埋深淺，此類地段植被分布較密集，呈現沼澤化。因受地質構造作用影響，區內所有的河流都是內流性河流，季節性河流占有相當大的比重，且大多屬于色林錯水系。總體而言，線路沿線工程地質條件差異較大。

2 沿線多年凍土特征

2.1 沿線多年凍土分布

據現場實際勘察，線路沿線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，研究區內植被類型以高寒草甸為主，在部分山區的陰坡溝谷中發育有沼澤草甸。全線共約40基塔位地基存在多年凍土，約占線路總長度的14%。其中137#～154#段(149#因地勢較高，地層為基巖，地基土中未發現多年凍土)位于丘間溝谷地段，如圖1所示，因該段塔位所處地勢明顯低于周圍，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性凍土層融化，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。該段為本線路沿線典型的多年凍土分布地段，屬不連續島狀多年凍土。

圖1 沿線典型的多年凍土分布地段

根據沿線的勘察結果進行對比分析，該地區通常在丘間凹地中心地帶與平原地勢低洼地帶，且地層為細砂、粉土、黏土等細顆粒土時，成為多年凍土的主要分布區；在高原河流階地，丘陵與平原地勢較高處，當地層以碎石土或基巖為主時，未見多年凍土分布。從塔位海拔的角度來看，沿線海拔在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月下旬進行了鉆探與取樣工作。根據鉆探結果，見表1所列，地表以下約1.0 m深度范圍內地基土土體呈凍結狀態，且不同地段鉆探巖芯有相同情況。這是由于該地區平均氣溫在10月之后已經降至0℃以下，表層凍結土層為季節性凍土，隨著時間的推移，寒季氣溫不斷降低，該凍結層厚度會逐漸達到該地區最大凍土深度。

地面2.0～2.8 m以下又出現凍結層(該凍結層與地表凍結層之間為融化層)，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。根據鉆孔鉆探結果，該線路沿線區域多年凍土上限在2.0～2.8 m，因海拔較高，平均氣溫低，該地區多年凍土上限普遍較淺(地表10 m以下是否有多年凍土，對本工程影響較小)。

表1 沿線典型鉆孔資料

2.3 多年凍土含冰特征

根據鉆孔巖芯揭露，126#地層以細砂為主，地下水較為發育，巖芯中肉眼可見不規則走向的冰條帶，如圖2所示，為飽冰凍土；142#凍土巖芯肉眼可見土顆粒周圍有冰膜，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點，多年凍土平均地溫為-0.5℃與-0.9℃[10]，參考該研究成果，表明本工程沿線多年凍土同屬高溫凍土。

圖2 塔位126#巖芯中的不規則冰條帶

圖3 塔位142#巖芯中土顆粒周圍的冰膜

圖4 塔位138#巖芯中的單顆冰晶

根據凍土區鉆孔中揭露的多年凍土特征為：①有機質含量較少，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、粉質黏土為主要成分的多年凍土，其凝冰表現為冰條帶或單顆粒冰晶。③在地下水發育的地段，多年凍土主要為多冰或富冰凍土，地下水不發育時為少冰凍土。④當地表植被(凍脹草丘)發育較好時，往往凍土含水(冰)量較高，多年凍土類型屬多冰或富冰凍土；當植被稀少，多年凍土含水(冰)量較低，表現為少冰凍土。

3 凍土地質災害及治理措施

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，當土體處于凍結時，凍土具有極高的強度特性，當凍土融化時，土體將完全喪失強度，且凍土的物理力學性質將隨凍土溫度而發生劇烈的變化。當土體中孔隙水凍結或融化，地基土將表現出凍脹性和融沉性。進行室內試驗，見表2所列，區內沿線多年凍土總含水量在14.4%～58.2%之間，多年凍土主要以細砂、粉土、粉質黏土為主。根據總含水量判斷，地基土具有II～IV級凍脹性，I～IV級溶陷性，總體來說沿線多年凍土融沉性與凍脹性變化較大，對鐵塔基礎影響較大。

表2 典型塔位多年凍土類型及工程特征

沿線地層主要以含冰土層為主，未見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，其基礎可按多年凍土凍結狀態進行設計。為減小融沉性，基礎埋置深度宜設置在多年凍土活動層(上限)以下1.5～2.0 m；為消除凍脹性，基礎形式可采用錐柱板式基礎或灌注樁基礎，并適當加大基礎埋深，配合在基底鋪設碎石土墊層，必要時采用基礎側面刷漆、設置玻璃鋼模或埋置熱棒。

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，土體整體強度降低，斜坡地帶發生滑塌。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的影響。為避免此類現象的發生，在現場塔位選址的時候，對塔位所處的地形坡度及周圍有無凍脹草丘(如圖6所示)進行適當的控制。為了保證各塔位穩定，盡量避免了在地形坡度較大的地段立塔，當地基土存在多年凍土時，整體地形坡度控制在了5°以內，保證塔位基礎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，是在寒冷地區的寒季，凍結層從地表向下發展，季節凍融層發生變化，使原來的凍結層之上的潛水變成承壓水。承壓水隨著上部凍結層的加厚和過水斷面的減小，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，凍結成高低起伏的冰殼。涎流冰一般出現在半坡位置，塔位一般在此類地段主要以避讓為主；無法避讓時，需設置合理的排水措施，在塔位場地地基土內設置盲溝進行排水，本次還對個別存在涎流冰的塔位基礎進行了加埋處理。

圖7 涎流冰

3.3 其他施工建議

凍土環境與寒區環境存在一定的聯系，相互控制、相互依存。凍土環境一旦破壞，相應寒區生態類型也會發生變化。應當按保持凍結原則設計的基礎，基坑開挖宜在天氣較為寒冷的季節施工，選擇在氣溫較低時段內快速施工。對于施工融化地下水比較多的基坑，需要采取抽排水措施，為防止坑壁坍塌應采取一定的基坑支護措施。

基坑開挖過程應注意各道工序的銜接，減少基坑的暴露時間，且必須采取遮陽隔熱措施。對沿線敏感環境地段，應盡量減少擾動。在丘間凹地地帶、平原低洼地帶及河流地貌地帶，在施工前應設置地表水疏干的排水措施，避免地表水進入基坑。

凍土地基的回填質量的好壞關系到塔位的穩定性。因此對大開挖基礎必須要采用未凍結的細顆粒土分層夯實回填，起到一定的隔水作用，嚴禁使用凍土塊回填。凍土區基礎拆模后，應立即回填，回填土應夯實；當采用玻璃鋼模板時，基礎澆筑的同時進行基坑回填。填方應盡量采用同類土填筑，并控制適宜的含水率。當采用不同的土填筑時，應按類有規則進行分層鋪填，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，避免在填方土內形成水囊。

4 結論

1)研究區域沿線海拔在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，為不連續的島狀多年凍土。丘間凹地地段與平原地勢較低地段，地表水與地下水易在此類地段匯集，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，此類地形特征為本線路沿線典型多年凍土分布地段。

2)該線路沿線區域多年凍土上限在2.0～2.8 m，多年凍土中凝冰表現為不規則的冰條帶、土顆粒周圍有冰膜及土顆粒間的單顆粒冰晶，凍土類型屬少冰—富冰凍土。當某一地段地形明顯低于周圍、地下水較為發育、地表的植被也較為發育時，多年凍土含冰量量將明顯增高。

3)區內沿線多年凍土總的含水量達到14.4%～58.2%，地基土具有II～IV級凍脹性，I～IV級溶陷性，總體來說沿線多年凍土融沉性與凍脹性變化大，對鐵塔基礎影響也較大?；A可按多年凍土凍結狀態進行設計，基礎底板宜設置在多年凍土活動層(上限)以下；基礎形式可采用錐柱板式基礎或灌注樁基礎，并配合加大基礎埋深、在基底鋪設碎石土墊層、基礎側面刷漆、設置玻璃鋼模、埋置熱棒等措施來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的主要的凍土不良地質作用，對點狀線性工程可優化選線選位；對位于不良凍土地質作用地段的路徑(塔位)，可采用避讓、控制地形選位、設置排水、基礎加埋等措施進行處理。同時，要在施工過程中做好施工時機的選擇、工序的銜接及基坑回填等工作。