西藏双湖某输电线路沿线多年冻土特征分析

丁玉涛，王国尚，赵 栋，穆红文

(中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引言

藏北高原，区内平均海拔在5 000 m以上，气候干燥、寒冷、空气稀薄[1]。同时，该地区也是世界上中纬度高海拔多年冻土最发育的地区，其多年冻土具有地域分布广、低温高、厚度薄及稳定性差的特点[2]。针对青藏高原的高海拔多年冻土的分布格局、季节冻结融化作用等都有深入研究[3-4]。另外，对同位于藏北的改则地区多年冻土的研究也表明，改则地区多年冻土上限在2.6～8.5 m之间，部分地区存在融化夹层；多年冻土含冰量在12%～35%之间，主要为多冰冻土。多年冻土分布的下界海拔高度约为4 700 m，海拔5 100 m以上区域普遍发育有多年冻土，多年冻土温度普遍较高，在-1.5℃～0℃之间[5]。随着青藏铁路、青藏公路、青藏电力联网工程的建设，对青藏高原地区多年冻土工程特性的研究也逐步成熟，各类成果表明多年冻土的上限、含水(冰)率、温度及分布特征决定了多年冻土的工程特性，通常也决定着工程建设的难易程度[6-8]。

虽然前人对西藏地区的多年冻土做了大量研究，成果丰富，但藏北双湖地区因气候恶劣、人迹罕至，区内工程建设相对较少，因此对藏北双湖地区多年冻土分布及工程特性的研究也极少；在搜集的该地区多项工程的建设资料中，鲜有提及多年冻土，同时调查发现该地区一些公路、通信光缆等基础设施有不同程度的损坏，可能是由于工程建设过程中对冻土地基重视不够造成的。因此本文以藏北双湖地区某输电线路为研究对象(该工程前期可研报告中未提及多年冻土，但在施工图阶段发现多年冻土，引起设计变更)，对沿线多年冻土的分布特征及工程特性进行了研究。

1 工程及研究区概况

本次研究的输电线路整体位于那曲市双湖县境内，双湖县城海拔约4 900 m，是世界上海拔最高的县城。该输电线路属于藏中电网的延伸部分，建成后将解决双湖地区电力孤网运行、供电可靠性差及区域无电缺电的状态。

本线路工程总长约109 km，共有289基塔位，输电线路大体呈南北走向，南起于双湖县多玛乡，北止于双湖县县城西侧，路径区域沿线海拔高程在4 650～5 030 m，其中80%的塔位海拔超过4 800 m，接近20%的塔位海拔超过4 900 m。该地区气候属典型的寒冷半干旱高原季风气候，区内年平均气压仅为正常内陆大气压的一半，年平均气温-5.3℃，最冷月(1月份)平均气温-24℃，最热月平均气温仅为9.7℃，气候干燥，年平均降水量为140 mm，年平均蒸发量却达到2 200 mm。因此区内气候有着气温低、昼夜温差大、降水少、空气稀薄、气压低、辐射强以及日照充足的特点[9]。

线路走径区地貌以片状冲洪积平原与条带状剥蚀残丘交错分布为主，其间还分布有丘间凹地以及河流地貌。线路沿线地形起伏一般，相对高差较小，一般在50～100 m之间。平原地段及构造剥蚀丘陵地段，地表植被稀少，呈荒漠化发展，部分丘陵顶部岩石风化强烈，平原地段分布许多季节性冲沟；河流地貌及丘间凹地地段，因降水汇集，往往地下水埋深浅，此类地段植被分布较密集，呈现沼泽化。因受地质构造作用影响，区内所有的河流都是内流性河流，季节性河流占有相当大的比重，且大多属于色林错水系。总体而言，线路沿线工程地质条件差异较大。

2 沿线多年冻土特征

2.1 沿线多年冻土分布

据现场实际勘察，线路沿线部分地段分布有多年冻土地基，属于典型的中纬度高海拔多年冻土。由于气候寒冷干燥，研究区内植被类型以高寒草甸为主，在部分山区的阴坡沟谷中发育有沼泽草甸。全线共约40基塔位地基存在多年冻土，约占线路总长度的14%。其中137#～154#段(149#因地势较高，地层为基岩，地基土中未发现多年冻土)位于丘间沟谷地段，如图1所示，因该段塔位所处地势明显低于周围，利于地表水的汇集，该段地下水位埋深浅(一般1.0～3.0 m)，暖季(5～9月)雨水汇集加之表层季节性冻土层融化，地表水与部分地下水在低洼地段汇集，在该地段多形成水草地，表现为沼泽化，寒季形成伴有局部凸起的小型冻胀草丘。该段为本线路沿线典型的多年冻土分布地段，属不连续岛状多年冻土。

图1 沿线典型的多年冻土分布地段

根据沿线的勘察结果进行对比分析，该地区通常在丘间凹地中心地带与平原地势低洼地带，且地层为细砂、粉土、黏土等细颗粒土时，成为多年冻土的主要分布区；在高原河流阶地，丘陵与平原地势较高处，当地层以碎石土或基岩为主时，未见多年冻土分布。从塔位海拔的角度来看，沿线海拔在4 650～5 030 m之间，多年冻土主要分布于近4 900 m海拔的地段。

2.2 多年冻土上限

为确定多年冻土上限，在2018年11月下旬进行了钻探与取样工作。根据钻探结果，见表1所列，地表以下约1.0 m深度范围内地基土土体呈冻结状态，且不同地段钻探岩芯有相同情况。这是由于该地区平均气温在10月之后已经降至0℃以下，表层冻结土层为季节性冻土，随着时间的推移，寒季气温不断降低，该冻结层厚度会逐渐达到该地区最大冻土深度。

地面2.0～2.8 m以下又出现冻结层(该冻结层与地表冻结层之间为融化层)，岩芯含凝冰或以冰块形式赋存于土体颗粒间，该层即为多年冻土层。根据钻孔钻探结果，该线路沿线区域多年冻土上限在2.0～2.8 m，因海拔较高，平均气温低，该地区多年冻土上限普遍较浅(地表10 m以下是否有多年冻土，对本工程影响较小)。

表1 沿线典型钻孔资料

2.3 多年冻土含冰特征

根据钻孔岩芯揭露，126#地层以细砂为主，地下水较为发育，岩芯中肉眼可见不规则走向的冰条带，如图2所示，为饱冰冻土；142#冻土岩芯肉眼可见土颗粒周围有冰膜，如图3所示，为多冰冻土；138#冻土岩芯中存在单颗粒的冰晶，如图4所示，为少冰冻土。据研究表明，与本工程相近纬度，海拔为4 808 m与4 960 m的两道河与温泉观测点，多年冻土平均地温为-0.5℃与-0.9℃[10]，参考该研究成果，表明本工程沿线多年冻土同属高温冻土。

图2 塔位126#岩芯中的不规则冰条带

图3 塔位142#岩芯中土颗粒周围的冰膜

图4 塔位138#岩芯中的单颗冰晶

根据冻土区钻孔中揭露的多年冻土特征为：①有机质含量较少，泥炭化程度低。②土颗粒以砂土为主要成分的多年冻土，其颗粒间填充冰晶；土颗粒以粉土、粉质黏土为主要成分的多年冻土，其凝冰表现为冰条带或单颗粒冰晶。③在地下水发育的地段，多年冻土主要为多冰或富冰冻土，地下水不发育时为少冰冻土。④当地表植被(冻胀草丘)发育较好时，往往冻土含水(冰)量较高，多年冻土类型属多冰或富冰冻土；当植被稀少，多年冻土含水(冰)量较低，表现为少冰冻土。

3 冻土地质灾害及治理措施

3.1 冻胀融沉性的治理

多年冻土是土体温度低于0℃且含有冰的特殊岩土体，当土体处于冻结时，冻土具有极高的强度特性，当冻土融化时，土体将完全丧失强度，且冻土的物理力学性质将随冻土温度而发生剧烈的变化。当土体中孔隙水冻结或融化，地基土将表现出冻胀性和融沉性。进行室内试验，见表2所列，区内沿线多年冻土总含水量在14.4%～58.2%之间，多年冻土主要以细砂、粉土、粉质黏土为主。根据总含水量判断，地基土具有II～IV级冻胀性，I～IV级溶陷性，总体来说沿线多年冻土融沉性与冻胀性变化较大，对铁塔基础影响较大。

表2 典型塔位多年冻土类型及工程特征

沿线地层主要以含冰土层为主，未见明显完整的厚层冰层，且冻土层上限埋深在2.0～2.8 m之间，其基础可按多年冻土冻结状态进行设计。为减小融沉性，基础埋置深度宜设置在多年冻土活动层(上限)以下1.5～2.0 m；为消除冻胀性，基础形式可采用锥柱板式基础或灌注桩基础，并适当加大基础埋深，配合在基底铺设碎石土垫层，必要时采用基础侧面刷漆、设置玻璃钢模或埋置热棒。

3.2 热融滑塌、冻胀草丘及涎流冰的治理

热融滑塌如图5所示，土中冰晶融化，土体整体强度降低，斜坡地带发生滑塌。往往在多年冻土上限附近存在地下冰及高含冰冻土层，由于埋藏浅，很容易受天然因素或人为活动的影响。为避免此类现象的发生，在现场塔位选址的时候，对塔位所处的地形坡度及周围有无冻胀草丘(如图6所示)进行适当的控制。为了保证各塔位稳定，尽量避免了在地形坡度较大的地段立塔，当地基土存在多年冻土时，整体地形坡度控制在了5°以内，保证塔位基础不受表层热融滑塌的影响。

图5 热融滑塌

图6 冻胀草丘

涎流冰如图7所示，是在寒冷地区的寒季，冻结层从地表向下发展，季节冻融层发生变化，使原来的冻结层之上的潜水变成承压水。承压水随着上部冻结层的加厚和过水断面的减小，其压力逐渐增大，在地表盖层薄弱处被挤出或在水头压力下破坏盖层，使地下水溢出，冻结成高低起伏的冰壳。涎流冰一般出现在半坡位置，塔位一般在此类地段主要以避让为主；无法避让时，需设置合理的排水措施，在塔位场地地基土内设置盲沟进行排水，本次还对个别存在涎流冰的塔位基础进行了加埋处理。

图7 涎流冰

3.3 其他施工建议

冻土环境与寒区环境存在一定的联系，相互控制、相互依存。冻土环境一旦破坏，相应寒区生态类型也会发生变化。应当按保持冻结原则设计的基础，基坑开挖宜在天气较为寒冷的季节施工，选择在气温较低时段内快速施工。对于施工融化地下水比较多的基坑，需要采取抽排水措施，为防止坑壁坍塌应采取一定的基坑支护措施。

基坑开挖过程应注意各道工序的衔接，减少基坑的暴露时间，且必须采取遮阳隔热措施。对沿线敏感环境地段，应尽量减少扰动。在丘间凹地地带、平原低洼地带及河流地貌地带，在施工前应设置地表水疏干的排水措施，避免地表水进入基坑。

冻土地基的回填质量的好坏关系到塔位的稳定性。因此对大开挖基础必须要采用未冻结的细颗粒土分层夯实回填，起到一定的隔水作用，严禁使用冻土块回填。冻土区基础拆模后，应立即回填，回填土应夯实；当采用玻璃钢模板时，基础浇筑的同时进行基坑回填。填方应尽量采用同类土填筑，并控制适宜的含水率。当采用不同的土填筑时，应按类有规则进行分层铺填，将透水性大的土层置于透水性小的土层之下，不得混杂使用，以利于水的排泄，避免在填方土内形成水囊。

4 结论

1)研究区域沿线海拔在4 650～5 030 m之间，多年冻土主要分布于海拔近4 900 m的地段，为不连续的岛状多年冻土。丘间凹地地段与平原地势较低地段，地表水与地下水易在此类地段汇集，地表多形成沼泽化水草地，寒季形成伴有局部凸起的小型冻胀草丘，此类地形特征为本线路沿线典型多年冻土分布地段。

2)该线路沿线区域多年冻土上限在2.0～2.8 m，多年冻土中凝冰表现为不规则的冰条带、土颗粒周围有冰膜及土颗粒间的单颗粒冰晶，冻土类型属少冰—富冰冻土。当某一地段地形明显低于周围、地下水较为发育、地表的植被也较为发育时，多年冻土含冰量量将明显增高。

3)区内沿线多年冻土总的含水量达到14.4%～58.2%，地基土具有II～IV级冻胀性，I～IV级溶陷性，总体来说沿线多年冻土融沉性与冻胀性变化大，对铁塔基础影响也较大。基础可按多年冻土冻结状态进行设计，基础底板宜设置在多年冻土活动层(上限)以下；基础形式可采用锥柱板式基础或灌注桩基础，并配合加大基础埋深、在基底铺设碎石土垫层、基础侧面刷漆、设置玻璃钢模、埋置热棒等措施来消除冻胀性与融沉性危害。

4)热融滑塌、冻胀草丘及涎流冰为沿线的主要的冻土不良地质作用，对点状线性工程可优化选线选位；对位于不良冻土地质作用地段的路径(塔位)，可采用避让、控制地形选位、设置排水、基础加埋等措施进行处理。同时，要在施工过程中做好施工时机的选择、工序的衔接及基坑回填等工作。