察尔汗盐湖区输电线路杆塔地基溶陷变形分析及防治措施

(中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810003)

0 引言

青海省海西柴达木盆地分布着大量的盐渍土。随着西部大开发和“一带一路”建设的全面推进，柴达木盆地的基础设施建设迎来了新的时代，电网、公路、铁路、城市建设日新月异。察尔汗盐湖地区盐渍土按含盐化学成分主要为氯盐—亚氯盐渍土，含盐量高，一般含量8%～80%，属于强—超盐渍土，故溶陷病害一直是该地区基础设施建设所面临的棘手问题。盐渍土是一个多因素、多尺度的集合体，自身特性复杂多样，易受剧烈变化的外界环境的影响，当所处环境(湿度、含盐量等)发生劣化时，盐渍土地基结构强度和地基承载力急速下降，极易造成地基不同程度的溶陷变形，对建筑物产生破坏。目前察尔汗盐湖地区已有数条330 kV、750 kV输电线路工程在建成运行数年后少数塔基出现不同程度的地基溶陷、基础沉降、偏移及铁塔倾斜等问题，严重影响工程的安全稳定运行。因此，深入开展该地区盐渍土溶陷影响因素和特征研究，提出行之有效的地基处理和基础方案建议，将有利于提升盐湖地区电网工程建设技术水平，提高电网运行的安全可靠性。

1 工程概况

某750 kV输电线路工程跨越察尔汗盐湖地段约22 km，共87基铁塔，塔位大多位于盐田和卤水池中。根据沿线逐基核查，存在明显溶陷变形的有23基铁塔。该区地下水较浅，埋深3.5～4.2 m，变幅±2.0 m，局部区域地下水位埋深可至15 m，地下水位差异性较大。由于该区域为盐湖集团液体矿的采卤区，受大规模抽采卤水和注入淡水的影响，10 m深度以内的地下水位均会受到不同程度的影响，局部抽采区变幅会更大；而盐田区域地下水埋深相对稳定，大多在0.5～1.0 m，变幅±1.0～2.0 m。

基于盐湖区段特殊的地质条件，铁塔基础选用浅埋高垫大开挖基础。根据问题塔基的钻探资料，铁塔基础底板以上岩性以人工回填的松散盐粒为主，厚3.3～4.0 m，基础底板下为厚1.0～1.5 m的碎石垫层，碎石垫层下以化学沉积的石盐层(结晶盐)为主，其下以互层状分布的湖积和冲湖积成因的粉土及粉质黏土等地层为主，局部夹淤泥质土与结晶盐互层分布。粉土及粉质黏土层大多为软弱地基土，具水平层理，以细粒土为主，地层整体均匀性相对较好。

2 溶陷变形影响因素分析

盐渍土的溶陷变形本质上就是水盐迁移的结果，就是在土的饱和自重压力或附加压力作用下，因水对土中盐类的溶解和迁移作用而产生的土体沉陷变形。根据相关研究[1]，盐渍土的溶陷变形是一个系统复杂的过程，是内因和外因共同作用的结果，内因主要包括土体含盐量、盐渍土微观结构特征、土层密实度、渗透性等，外因主要有水径流条件、浸水时间、淡水侵蚀大小等。

2.1 含盐量

土中易溶盐分的存在是地基土产生溶陷的基础。易溶盐含量是界定地基土是否溶陷的决定性因素，但不是确定地基土是否溶陷的唯一因素[1]。盐渍土的溶陷性与其含盐类型、含盐量及可溶程度都有密切关系。一般情况下，地基土中易溶盐含量越高，其溶陷能力就越强；反之，易溶盐含量越低，则其溶陷能力相应越弱。

根据现场钻探结果，铁塔基础底板以上地基土是呈粗砂(砾)砂状的盐粒，局部混结晶岩块，是以含氯盐为主的盐渍土，含盐量高，一般在8%～80%，因氯盐的溶解度大，注入淡水后回填土中的结晶盐极易溶解，结晶盐的溶解基本上破坏了地基土中所有的盐胶结作用，使土层内部原来占据结晶盐的位置均变为孔隙，在自重和附加应力的作用下，土粒散落在周围的孔隙中并进行重排列。含盐量越大，被水分破坏的胶结点数量越多，地基土中形成的孔隙也越多，再加上水膜增厚对土颗粒联结强度的降低，使得地基土变软，力学强度降低，土层的溶陷变形也更为明显。此外，卤水池中的饱和氯盐渍土，其结晶盐骨架颗粒孔隙间充满晶间卤水，随着抽采卤水，晶间卤水流失的同时结晶盐晶体被逐渐溶解带走，造成土层被掏空，并逐渐产生溶陷。该过程中易溶盐的溶解、流失破坏了回填地基土的能量平衡，再者基础底板下为厚1.0～1.5 m的碎石垫层起到了盐分隔断层的作用，不能将其下丰富的石盐层(结晶盐)中的盐分通过毛细水向上输送至上部回填地基土层，进而补充流失的盐分能量，这也是地基产生溶陷的重要原因。

同时，根据有效应力原理，在未产生溶陷变形前，有效应力是由土骨架颗粒和胶结的结晶盐颗粒共同承担，地基总应力保持稳定，力学强度较高。但随着结晶盐晶体逐渐溶解，造成地基应力重新分布，有效应力逐渐减小，逐渐造成地基失稳、基础产生位移、塔材变形。

2.2 盐渍土微观结构特征

土体的微观结构决定其宏观表现，通过土体的微观结构可以更有力地解释其宏观变形现象。盐渍土的三相组成与常规土不同，如图1所示，盐渍土中含有大量的易溶盐成分，当盐分完全溶解在水中时，仅增加水的比重而不增加水的体积，若盐分过饱和而不能完全溶于水中时，就以结晶体的方式赋存于土颗粒周围。与常规土相比，盐渍土的液相是由易溶盐和水构成的盐溶液，固相是由结晶盐与土颗粒构成的骨架结构。为了强调其中盐的存在，特将这种随温度与孔隙水变化的易溶盐成分规定为一种独立的相态即“易溶盐相”。因此，盐渍土成了四相体系：固体相、液体相、气体相和易溶盐相[2-3]。由于“易溶盐相”随外界环境的变化不断发生物理化学变化，导致盐湖区盐渍土的微观结构特征亦随相态的转变而发生改变，进而表现出不同的工程特性。

图1 常规土和盐渍土的相系组成

察尔汗盐湖区盐渍土为细粒盐渍土，其微结构连接方式有三种：点接触、堆叠接触和晶体胶结，不同含盐量的盐渍土微观结构形式不同[4]。盐晶体的胶结作用是影响地基土力学特性的显著因素。盐湖区铁塔基础底板以上回填盐粒地基土来源于现场，含盐量高，土颗粒与土颗粒形成骨架微结构，盐晶体充填于骨架孔隙中，颗粒之间通过盐晶体胶结，微裂隙和微孔隙被盐晶体和盐溶液填充，微结构内部基本上无空隙。当遇水后，由于结晶盐的溶解使土的结构完全解体，土—盐间的胶结集粒遭到破坏，土颗粒滑落到孔隙中进行了重排列与重分布，土体中应力重新分布，造成很大的溶陷变形。而且回填结晶盐赋存状态在空间上表现出非均质、各向异性，表现为存在较多由盐晶体胶结而成的大小不一的集粒，且分布不均匀，这也极易造成不均匀的溶陷变形。

2.3 土层密实度和渗透性

盐湖区铁塔高垫平台和基础回填土均为呈粗砂、砾砂状结晶盐粒混块状结晶盐块，由于回填盐土呈散体块状，未用环境土(粉质黏土、粉土)进行分层夯实处理，亦未浇洒卤水进行预溶解处理，压实系数未达到设计要求，地基土呈松散—稍密状，虽然含结晶盐晶体地基土在自重和铁塔荷载作用等后期固结应力作用下密实度稍有提高，但因未充分分层夯实，地基土的孔隙比仍然较大，密实度较低。此外回填地基土因破坏了砂粒土的原状结构状态，其过水通道形状、大小均发生变化，渗透系数较大，渗透性强，加之含盐量高，易溶盐溶解程度明显，造成的地基土的溶陷变形依然显著，故高垫部分地基土的溶陷变形对于塔基的稳定起到了主要作用；而深层地基土密实度较大，渗透系数低，则溶陷性较低，地下水位以下是非溶陷性地基土。

2.4 浸水时间及水径流条件

水是盐渍土产生溶陷的最关键因素，是盐渍土中物质成分流失的运载体。根据盐渍土浸水时间的长短及土体物质成分流失状况，主要分为两种情况：①静水中的溶陷变形，当土体浸水量不大，浸水时间不长，水力梯度较小时，土中部分或全部盐类溶解，在荷载(包括自重)作用下导致土体结构破坏，孔隙减小，强度降低，产生溶陷；②潜蚀变形，当地基土浸水时间很长，浸水量很大，地下水水力坡度大，水径流条件通畅，地基土中的结晶盐分和部分土骨架颗粒在渗流力的作用下被逐渐带走而产生潜蚀，进而在荷载作用下产生溶陷变形。

研究表明[3,5]，潜蚀变形是盐渍土地基溶陷的主要部分。盐湖区地下水属潜水，大部分区域地下水位埋深一般为0.5～2 m，水力梯度相对较小，地基土的渗透系数较小，溶陷变形主要是静水中的溶陷变形。但铁塔浅埋高垫后，高垫部分3～5 m不等，高垫地基土的渗透性能好，水径流条件通畅，液体矿卤水采集池和盐田在经多个采集周期后发生了改变，规模也在不断地扩大，部分铁塔在运行几年后其周边水环境发生了巨大变化，导致该区部分铁塔存在静水中的溶陷变形和潜蚀变形交替进行的状况；同时地基土的湿度亦随着浸水时间和浸水量的改变发生变化，使得塔基水环境条件不断发生变化，累进产生了更大的溶陷变形。现场调查也发现，长期处于盐田或卤水池中的铁塔稳定性变化不大，未造成明显的地基溶陷变形及基础位移；而塔基周围水环境发生巨大变化的铁塔地基溶陷变形明显增加，影响了线路正常运行。

2.5 淡水侵蚀大小

水是盐渍土中盐分溶解的溶剂，淡水或者未饱和的低浓度盐水可以快速大量溶解地基土中的盐分，再者氯盐的溶解度大，易造成更大的溶陷变形。察尔汗盐湖区盐矿采集方式是向高3～5 m的田埂所围起来的面积大小不等的卤水池中注入2～3 m深的淡水或未饱和卤水，通过日照蒸发、盐分结晶、采盐、再注入卤水或淡水、再蒸发、再盐分结晶、再采盐的一个周而复始的方式。而在盐矿采集时注入的淡水使得盐田和卤水池中的铁塔基底及高垫地基土遭受了淡水不同程度的侵蚀，导致基底及高垫地基土盐分溶解速度和溶解量快速增加，由于氯盐类盐渍土的溶解度随温度变化甚微，其吸湿饱水性强[6]，从而导致了高垫边坡土体软化，盐分部分溶解造成边坡土体倾斜滑移。

同时，格尔木近年来出现多次强降水，降水量较往年普遍增多，雨水沿基础表面渗入回填地基土中，一定程度溶解了基础周边回填土中的盐分，且随着雨水沿基础附近溶解孔隙逐渐渗入到基础底板，部分溶解了基础底部的骨架结晶盐层，一定程度上产生地基溶陷变形，基础因而产生了不均匀下沉、位移，造成铁塔不稳定。

3 地基破坏模式分析

在荷载作用下地基因承载力不足引起的破坏，一般是由地基土的剪切破坏引起的。因线路基础埋深相对较浅，属于浅基础，其地基破坏模式通常有三种：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏[7]。由于盐湖区铁塔浅埋高垫地基为盐渍土特殊地基，其地基的破坏模式较为复杂，高垫平台地基土是非均质砂粒状混块状结晶盐块盐渍土，且回填地基土未分层夯实，具有较高的压缩性，在基础浇筑、立塔及架线荷载作用下地基逐渐产生溶陷，且溶陷变形是不可恢复的变形。

根据现场对部分铁塔基础高差和铁塔根开进行复测，测量结果见表1，发现基础发生了不同程度的沉降和倾斜位移，其破坏模式是在初始荷载作用下，首先在基础正下方发生不均匀压缩沉降，随着荷载的长期作用，基底下的溶陷沉降逐渐减小并趋于稳定，在基础底板边缘出现塑性变形区，但地基仍然具有安全的承载能力，随着高垫平台逐渐产生较大不均匀溶陷，回填地基土抗倾覆能力逐渐减弱，同时高垫平台非刚性固定边界在溶陷影响下边坡强度降低，基础底板边缘和侧面的塑性变形区逐渐连在一起，剪切破坏区发展形成一片，基础向侧面倾斜，侧面土体部分隆起，如图2，地基发生整体剪切破坏。该种破坏主要是由于盐渍土地基产生了过大的溶陷变形造成地基失稳。

表1 沿线部分铁塔基础高差和根开复测统计表

图2 浅埋高垫地基的溶陷变形

4 防治措施建议

察尔汗盐湖地基土属于氯盐渍土强腐蚀性软弱地基土，其防治的前提是结合现场模型试验和室内试验，充分认识地基溶陷变形影响因素和机理特征，以及地基破坏模式。针对地基溶陷变形尚未影响线路正常运行的塔位，对其基础位移以及影响因素要进行长期监测研究，视需要采取防护加固措施；对于地基溶陷变形较大、杆塔倾斜严重且影响线路安全运行的部分杆塔则进行改迁。此外，建立溶陷变形数值模型，构建合适的判断公式和预测模型，根据监测数据，来预测塔基的变形和破坏。

由于盐渍土溶陷变形主要出现在地面下3m以上地层，高垫浅埋地基方案本身存在溶陷隐患，施工质量的控制是溶陷产生与否的关键环节，线路改迁及后期电网工程采用“高垫浅埋”方案时，应尽可能增加基础埋深或增加地基处理深度，施工时切实控制好回填土的压实质量，并严格做好基面和高垫边坡的防水、防渗措施，才能有效避免浅地基面临的溶陷灾害。

据相关工程在盐渍土场地上的试验、监测证明[8]，裹体桩加固法、深层换填垫层法、碎石挤密桩法等新型处理技术既能有效保证强腐蚀地区砼质量还能提高地基承载力，具有良好的处理效果，值得借鉴。

5 结语

盐湖区地质和水环境复杂多变，盐渍土地基的溶陷变形和破坏是一个系统复杂的过程，其溶陷变形受含盐量等内因和水等外因共同作用影响，其溶陷机理较为复杂，铁塔地基的破坏主要是由于盐渍土地基产生了过大的不可恢复的溶陷变形造成地基发生整体剪切破坏，造成地基失稳。在防治处理时，须厘清影响因素对溶陷变形的作用规律，切实防范各影响因素对溶陷变形的影响，采取防止盐分流失、防水防渗等措施，保证已有塔基地质和水环境的长期稳定；同时，线路改迁若继续采用“高垫浅埋”方案，应有效增加基础埋深或地基处理深度，使基础处于相对稳定的地质环境中，同时控制好回填土的压实质量，并严格做好基面和高垫边坡的防水、防渗措施，才能有效防范溶陷灾害对地基稳定的再次影响。此外，应加强新型处理技术的研究，以达到最佳的防治效果，保障电网正常稳定运行。