曹文慶,王 海,黃 河
(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430040)
淺析特高壓輸電線路巖溶地區(qū)巖土工程勘測(cè)
曹文慶,王 海,黃 河
(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北武漢 430040)
以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程巖溶區(qū)勘測(cè)為基礎(chǔ),分析巖溶區(qū)的主要巖土工程問(wèn)題,探討巖溶區(qū)巖土工程勘測(cè)要點(diǎn)及重點(diǎn),初步總結(jié)巖溶區(qū)特高壓輸電線路的勘測(cè)經(jīng)驗(yàn)。
特高壓;巖溶;巖土工程;勘測(cè)
特高壓輸電線路具有較強(qiáng)的電網(wǎng)輸送能力,近年來(lái)其建設(shè)逐步得到了國(guó)家的高度重視。特高壓輸電線路塔高、荷載大,對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性、沉降要求較高[1]。
巖溶地區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜,在巖溶區(qū)進(jìn)行特高壓輸電線路巖土工程勘測(cè)難度相對(duì)較大。
巖溶地區(qū)由于長(zhǎng)時(shí)間的巖溶作用致使巖石表面產(chǎn)生溶溝溶槽、可溶性巖內(nèi)部產(chǎn)生溶蝕裂隙及溶洞;巖石上部覆蓋層易經(jīng)濕熱條件下的紅土化作用產(chǎn)生紅粘土;碳酸鹽巖頂板土巖接觸面附近由于潛蝕或真空吸蝕作用易形成土洞[2]。
溶溝溶槽地區(qū),由于其表面巖石凹凸不平,其間一般充填粘性土,該地區(qū)的淺基礎(chǔ)易置于半巖半土上形成不均勻地基;溶洞,特別是淺埋溶洞,易影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性;可溶性巖石上部紅粘土易失水收縮,產(chǎn)生裂縫影響土體整體性,削弱了抗剪強(qiáng)度及承載力;土洞易影響地基的穩(wěn)定性。
由于現(xiàn)在國(guó)內(nèi)特高壓輸電線路還較少,尚無(wú)專門的特高壓輸電線路的勘測(cè)技術(shù)規(guī)程。特高壓電力線路在巖土工程勘測(cè)過(guò)程中主要參照文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]中的要求執(zhí)行,并參考文獻(xiàn)[6]及文獻(xiàn)[7]關(guān)于巖溶區(qū)勘測(cè)的相關(guān)要求。
根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范條款,特高壓電力線路巖土工程勘測(cè)規(guī)范中關(guān)于巖溶勘測(cè)的規(guī)定主要如下:
(1)巖溶發(fā)育地區(qū)勘測(cè)應(yīng)先搜集資料,現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)地質(zhì)調(diào)查。
(2)巖溶發(fā)育地區(qū)應(yīng)查明地層時(shí)代、巖土特性、巖溶洞穴的形態(tài)規(guī)模與發(fā)育特征,洞穴的充填及密實(shí)程度,巖土層的富水性及地下水的動(dòng)態(tài)變化,評(píng)價(jià)其對(duì)路徑立塔的影響。
(3)在巖溶洞穴發(fā)育地區(qū)或路段,可選擇使用物探、鉆探、井探等方法逐腿探查。
(4)當(dāng)塔位處存在以下情況之一時(shí),可判定為未經(jīng)處理不宜立塔:①巖溶洞穴埋藏淺、密度大;②巖溶洞穴規(guī)模大,上覆頂板不穩(wěn)定;③土洞、采空區(qū)、人工洞穴或塌陷成群發(fā)育地段;④洞穴圍巖為易溶巖土且存在繼續(xù)溶蝕條件;⑤埋藏型巖溶土洞上部覆蓋層有軟弱土或易受地表水沖蝕的部位;⑥溶溝、溶槽、石芽等地表巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,地表起伏劇烈地段。
(5)下列情況可不考慮洞穴對(duì)塔位穩(wěn)定性的影響:①洞穴頂板圍巖堅(jiān)硬完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育,且厚度大于洞穴跨度;②洞穴充填密實(shí),充填物具較高強(qiáng)度并無(wú)流失條件;③洞穴較小,基礎(chǔ)底面尺寸大于洞體平面尺寸且有足夠支撐長(zhǎng)度;④基礎(chǔ)底面以下巖土層厚度大于獨(dú)立基礎(chǔ)寬度的8倍或整板基礎(chǔ)邊長(zhǎng)的3倍,且不具備形成土洞或松動(dòng)側(cè)移條件。
(6)對(duì)于無(wú)法避開且可能對(duì)塔基穩(wěn)定產(chǎn)生影響的溶蝕洞隙,應(yīng)根據(jù)其發(fā)育特點(diǎn)采用填塞、灌漿、洞底支撐、梁板跨越等方法進(jìn)行處理。
巖溶區(qū)特高壓輸電線路勘測(cè)是比較復(fù)雜的巖土工程勘測(cè)。它主要包括前期策劃、勘測(cè)過(guò)程實(shí)施及成果整理等。
3.1.1 地質(zhì)圖的準(zhǔn)備
外業(yè)勘測(cè)前應(yīng)搜集沿線區(qū)域地質(zhì)圖,并將線路路徑投影至地質(zhì)圖上(如圖1),并翻閱所在區(qū)域的地質(zhì)志,在外業(yè)前對(duì)沿線地層情況有個(gè)較全面的了解和前瞻。
圖1 溪洛渡—浙西特高壓線路區(qū)域地質(zhì)圖(部分)Fig.1 Regional geologic map of Xiluodu-Zhexi UHV transmission line
3.1.2 搜集工程資料
在外業(yè)前應(yīng)搜集附近工程資料,并從附近工程中概略地了解沿線的巖溶發(fā)育情況,以及巖溶重點(diǎn)發(fā)育地段。同時(shí)應(yīng)搜集本工程的前期資料,前期資料是工程重要的參考,對(duì)本階段工作重點(diǎn)有重要的啟示作用。
3.1.3 儀器設(shè)備的準(zhǔn)備
巖溶地區(qū)由于基巖面起伏不平,以及下部存在隱伏溶洞的可能性,除了采用一般手段,還應(yīng)配備一些特殊設(shè)備手段,如在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程中加配了PulseEKKO PRO地質(zhì)雷達(dá)、靜力觸探、BER2571BV型接地電阻儀等設(shè)備。
3.1.4 編制實(shí)施方案
在外業(yè)之前,應(yīng)根據(jù)附近工程資料及前期資料,線路區(qū)域地質(zhì)情況,結(jié)合設(shè)計(jì)定位手冊(cè),編制巖土工程勘測(cè)大綱,為后續(xù)外業(yè)工作的開展提供指導(dǎo)。
3.2.1 地質(zhì)調(diào)查
地質(zhì)調(diào)查在巖溶地區(qū)勘測(cè)具有舉足輕重的作用,在特高壓輸電線路涉及的勘測(cè)規(guī)范中均強(qiáng)調(diào)了巖溶地區(qū)地質(zhì)調(diào)查的重要性。
在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測(cè)中對(duì)巖溶地區(qū)主要圍繞塔基50~100 m范圍內(nèi)進(jìn)行地層巖性調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害排查,調(diào)查巖溶分布情況;在塔基周圍30 m范圍內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)填圖。
地質(zhì)調(diào)查往往能對(duì)塔基附近的巖溶發(fā)育情況有一個(gè)初判,可以通過(guò)附近居民問(wèn)詢、目測(cè)等方式初步調(diào)查附近溶洞、天坑、地下暗河、溶溝、溶槽、危巖、土洞等發(fā)育情況,可以初步避讓一些影響塔基穩(wěn)定的巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)。地質(zhì)調(diào)查是其他勘測(cè)手段的先行利器。
3.2.2 地質(zhì)勘探
巖溶地區(qū)與碎屑巖地區(qū)相比,地貌形態(tài)及巖土組合特征有著其明顯的差異性,由于碳酸巖具有可溶性,形成的巖溶形態(tài)千奇百怪,石芽、溶溝、溶洞等地貌形態(tài)隨處可見,形成獨(dú)具風(fēng)格的喀斯特地貌。與一般巖石相比,巖溶地區(qū)土巖接觸面相對(duì)變化較大,覆蓋層厚度可能在一米之內(nèi)就可能有很大的差別。
地質(zhì)勘探在特高壓輸電線路中是最直觀的勘測(cè)手段,鑒于巖溶地區(qū)基巖起伏面較大,在勘測(cè)過(guò)程中應(yīng)綜合分析,切忌以點(diǎn)代面。在具體勘測(cè)實(shí)施過(guò)程中勘探手段應(yīng)具有多樣性。
以溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測(cè)為例,本工程本次采用逐基逐腿勘探的原則,一般在每個(gè)塔腿上布置一個(gè)勘探點(diǎn)。在灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽地區(qū),溶溝、溶槽發(fā)育地段,局部塔腿布置有2~3個(gè)勘探點(diǎn),以較準(zhǔn)確的探查塔基巖溶形態(tài)。主要采用了機(jī)鉆、坑探、麻花鉆、靜力觸探等。沿線塔位主要位于山頂、山坡,第四系覆蓋層一般為0.5 ~3.0 m,局部 >8 m,當(dāng)覆蓋層在1.0 m以內(nèi)宜采用坑探,覆蓋層在1.0~5.0 m宜采用麻花鉆,土層相對(duì)較厚時(shí)(>5 m)一般考慮用靜力觸探或機(jī)鉆。機(jī)鉆孔主要在沿線分段布置,同時(shí)考慮在覆蓋層較厚地段、巖溶發(fā)育地段及地質(zhì)雷達(dá)異常地段布置機(jī)鉆孔。
3.2.3 工程物探
工程物探手段可以探查巖溶異常帶,為在巖土工程勘測(cè)過(guò)程中的疑問(wèn)地帶提供了有效的佐證。在巖溶地區(qū),特別是山區(qū)的巖溶地區(qū),地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)或高密度電法是巖土工程勘測(cè)的重要輔助手段。
在溪洛渡—浙西±800 kV特高壓直流輸電線路工程施工圖勘測(cè)過(guò)程中,用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)了T1468、T1487等塔位的巖溶分布區(qū)(如圖2),為塔位避讓巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段提供了有利佐證。
3.2.4 巖土測(cè)試
在特高壓巖溶地區(qū)巖土工程勘測(cè)過(guò)程中一般宜選取至少1/3的勘探點(diǎn)進(jìn)行巖土分析測(cè)試??睖y(cè)過(guò)程中野外的巖土試驗(yàn)主要有:用靜力觸探儀測(cè)試土層的比貫入阻力(Ps);在鉆探過(guò)程中對(duì)土層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn);對(duì)巖體進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)等,室內(nèi)應(yīng)對(duì)機(jī)鉆或坑探采取的巖土試樣分別進(jìn)行土工試驗(yàn)、巖石物理力學(xué)試驗(yàn)、土壤腐蝕性分析等。并分別對(duì)各類試驗(yàn)成果進(jìn)行分層分組統(tǒng)計(jì)分析,充足的巖土測(cè)試數(shù)據(jù)是合理判別巖土物理力學(xué)指標(biāo)的重要依據(jù)。
圖2 T1468測(cè)線及巖溶分布圖Fig.2 Distribution map of T1468 survey line and karst
應(yīng)根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、鉆探、巖土試驗(yàn)、野外描述鑒定,結(jié)合地方經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行巖土分類及綜合確定巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)。在巖溶較發(fā)育地段宜繪制巖溶平面分布圖并附有相關(guān)物探成果圖;土層分布不均的溶溝、溶槽地段,電阻率應(yīng)分別根據(jù)沿溝槽及垂直溝槽電阻率測(cè)試結(jié)果進(jìn)行綜合取值,同時(shí)宜繪制工程地質(zhì)平面圖。在勘測(cè)成果中各塔基應(yīng)分別附有相應(yīng)的地形地貌描述、照片、相應(yīng)勘測(cè)手段的勘探測(cè)試成果、巖土分層及物理力學(xué)指標(biāo)、不良地質(zhì)發(fā)育情況等。
勘測(cè)成果應(yīng)反映塔位附近溶洞、土洞發(fā)育情況,塔基是否為土巖組合地基,塔位土層是否為紅粘土,塔位附近是否存在危巖等不良地質(zhì)作用,以及地下水特征,并對(duì)結(jié)構(gòu)提出相關(guān)的防治建議。
巖溶區(qū)特高壓輸電線路巖土工程勘測(cè)涉及相關(guān)巖土工程問(wèn)題較多,可采用相應(yīng)的勘測(cè)手段及測(cè)試加以恰當(dāng)解決。下面主要介紹巖溶區(qū)勘測(cè)過(guò)程中兩個(gè)普遍存在的重要問(wèn)題:巖溶穩(wěn)定性評(píng)判、空區(qū)上方地基承載力確定。
在巖溶勘測(cè)過(guò)程中,巖溶發(fā)育程度以及溶洞洞穴穩(wěn)定性是其重中之重,其關(guān)系到塔基的穩(wěn)定性,以及電力線路的安全運(yùn)行。
在勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)充分調(diào)查及運(yùn)用相應(yīng)勘測(cè)手段判別巖溶發(fā)育情況,及時(shí)避開巖溶不穩(wěn)定區(qū)。
4.1.1 定性評(píng)判
根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)判別場(chǎng)地是否屬于不宜立塔地段或不考慮巖溶對(duì)塔位影響地段,當(dāng)不符合不考慮巖溶不利影響的塔位,應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的塔基穩(wěn)定性分析。有經(jīng)驗(yàn)的地方可以采用類比法或經(jīng)驗(yàn)比擬法進(jìn)行定性判別。
4.1.2 定量評(píng)判
目前定量判別主要采用按經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)溶洞頂板的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。
根據(jù)文獻(xiàn)[7],當(dāng)巖溶頂板為中厚層或薄層、裂隙發(fā)育、易風(fēng)化的巖層時(shí),頂板有坍塌可能的溶洞,頂板安全厚度可采用溶洞頂板坍塌自行填塞洞體所需厚度進(jìn)行計(jì)算。所需塌落高度H按下式計(jì)算:
式中:H0為塌落前洞體最大高度;K為巖石松散系數(shù)。
當(dāng)頂板巖層較完整,強(qiáng)度較高,層厚,而且已知頂板厚度和裂隙切割情況,可根據(jù)情況分別按懸臂梁、簡(jiǎn)支梁、兩端固定梁等模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)算。上覆頂板巖層最小厚度H驗(yàn)算公式如下:
式中:M為根據(jù)模型得出的計(jì)算彎矩;b為梁板的寬度;σ為巖體計(jì)算抗彎強(qiáng)度;fs為支座處剪力;S為巖體計(jì)算抗剪強(qiáng)度。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)調(diào)查及勘測(cè),應(yīng)用以上公式計(jì)算巖體安全厚度再乘以適量的安全系數(shù)Ks,即可與實(shí)際巖體頂板厚度做對(duì)比,確定地基的穩(wěn)定性。
巖溶及空區(qū)上方地基極限承載力及穩(wěn)定性問(wèn)題是一個(gè)比較復(fù)雜的課題。目前已有不少學(xué)者做過(guò)理論分析及模擬實(shí)驗(yàn)研究,得出了相應(yīng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式或修正系數(shù),但工程界尚未提出成熟的巖溶及空區(qū)上方地基極限承載力的理論計(jì)算方法。
4.2.1 天然地基承載力與相關(guān)因素的關(guān)系
楊宜章采用考慮地基兩側(cè)包含對(duì)數(shù)螺旋線型剪切區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞模式,建立地基極限承載力比與空洞頂板厚度及空洞大小關(guān)系(見圖3、圖4)。
圖3 地基極限承載力比與空洞頂板厚度關(guān)系Fig.3 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and thickness of cavity roof
圖4 地基極限承載力比與空洞大小之間關(guān)系Fig.4 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and cavity size
可以看出,隨著r/B的增加,地基極限承載力比呈減小趨勢(shì),而且,其減小趨勢(shì)隨著r/B的增加而減小。圖中也可反映出,H/B越大,其地基極限承載力比也越大。
地基寬度、空洞大小、空洞頂板厚度等對(duì)地基承載力有重要影響,隨著空洞半徑減小、頂板厚度增加,地基承載力增加,地基承載力比逐漸接近于l,即趨向于空洞對(duì)承載力無(wú)影響的范圍。地基巖土體強(qiáng)度參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)地基承載力影響明顯,在空洞與地基幾何條件不變的情況下,地基承載力隨粘聚力的增加呈近似線性增加;而內(nèi)摩擦角影響破壞形態(tài),內(nèi)摩擦角增加,承載力增加明顯。巖體自重對(duì)空洞上方的條形基礎(chǔ)地基承載力的影響不顯著。
由其成果可知,當(dāng)H/B足夠大(相對(duì)一定洞跨)時(shí),溶洞上方的地基承載力比接近1,可近似采用常規(guī)的無(wú)空洞時(shí)的承載力計(jì)算公式進(jìn)行承載力計(jì)算;否則應(yīng)進(jìn)行折減計(jì)算,其天然地基的承載力修正系數(shù)可參照文獻(xiàn)[8]相關(guān)成果。
4.2.2 樁基地基承載力與相關(guān)因素的關(guān)系
當(dāng)樁基下存在空洞時(shí),空洞高度對(duì)樁的極限承載力結(jié)果影響不大,一般是略有減小,如果取 qu=1.8 MPa,則空洞高度在0.5~3.0 d內(nèi)變化時(shí),樁的極限承載力的誤差在2.37%之內(nèi);在考慮空洞影響的情況下,樁基承載力隨洞跨增大而減小;樁基承載力隨頂板厚度增加而增加,直到逐漸接近不考慮空洞的影響。
由此可知,當(dāng)采空區(qū)上部塔位基礎(chǔ)下有足夠厚度的頂板時(shí)可不考慮空洞對(duì)地基承載力的影響;當(dāng)需考慮空洞對(duì)承載力的影響時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)塔基進(jìn)行綜合承載力取值。
(1)巖溶區(qū)特高壓線路勘測(cè)是相對(duì)復(fù)雜的巖土工程勘測(cè),應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行提前謀劃,確定有效的勘測(cè)實(shí)施方案。
(2)巖溶區(qū)巖土工程勘測(cè)前,應(yīng)搜集附近相關(guān)區(qū)域地質(zhì)及工程資料,對(duì)沿線巖溶情況進(jìn)行初判;現(xiàn)場(chǎng)采用地質(zhì)調(diào)查為主,采取必要的地質(zhì)勘探、物探及適當(dāng)?shù)脑粶y(cè)試工作,并采集適量的巖土試樣進(jìn)行物理力學(xué)分析。
(3)在巖土工程勘測(cè)成果中巖溶場(chǎng)地應(yīng)反映塔位附近溶洞、土洞發(fā)育情況,塔基是否為土巖組合地基,塔位土層是否為紅粘土,塔位附近是否存在危巖等不良地質(zhì)作用,以及地下水特征,并對(duì)結(jié)構(gòu)提出相關(guān)的防治建議。
(4)在巖土工程勘測(cè)前期應(yīng)判別場(chǎng)地是否屬于不宜立塔地段或不考慮巖溶對(duì)塔位影響地段。當(dāng)塔位屬于不宜立塔地段時(shí)應(yīng)盡量避讓;當(dāng)塔位不符合不考慮巖溶不利影響的塔位時(shí),應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的塔基穩(wěn)定性分析,可采用定性或定量的方法進(jìn)行評(píng)判。
(5)當(dāng)塔基基礎(chǔ)下部有足夠厚度的頂板時(shí)可不考慮空洞對(duì)地基承載力的影響;當(dāng)需考慮空洞對(duì)承載力的影響時(shí),可根據(jù)實(shí)際情況,結(jié)合已有的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)塔基進(jìn)行綜合承載力取值。
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(責(zé)任編輯:于繼紅)
Preliminary Analysis of UHV Transmission Line Projects in Karst Region
CAO Wenqing,WANG Hai,HUANG He
(Hubei Electric Power Survey & Design Institute,Wuhan,Hubei430040)
Based on the geotechnical investigation of the Xiluodu-Zhexi ±800kV UHVDC transmission line,the main geotechnique problems in karst region were analyzed,the key points and emphasis of the geotechnical investigation in karst region were discussed,and the geotechnical investigation experience in karst region were preliminary summarized.
UHV;karst;geotechnical engineering;investigation
P642.25
B
1671-1211(2013)06-0761-04
2012-11-20;改回日期:2012-11-30
曹文慶 (1982-),男,工程師,土木工程 (巖土)專業(yè),從事電力工程、巖土工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。E-mail:271529884@qq.com