浅析特高压输电线路岩溶地区岩土工程勘测

曹文庆，王 海，黄 河

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉 430040)

浅析特高压输电线路岩溶地区岩土工程勘测

曹文庆，王 海，黄 河

(湖北省电力勘测设计院，湖北武汉 430040)

以溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程岩溶区勘测为基础，分析岩溶区的主要岩土工程问题，探讨岩溶区岩土工程勘测要点及重点，初步总结岩溶区特高压输电线路的勘测经验。

特高压;岩溶;岩土工程;勘测

0 引言

特高压输电线路具有较强的电网输送能力，近年来其建设逐步得到了国家的高度重视。特高压输电线路塔高、荷载大，对基础稳定性、沉降要求较高［1］。

岩溶地区地质条件较复杂，在岩溶区进行特高压输电线路岩土工程勘测难度相对较大。

1 岩溶区主要存在的岩土工程问题

岩溶地区由于长时间的岩溶作用致使岩石表面产生溶沟溶槽、可溶性岩内部产生溶蚀裂隙及溶洞;岩石上部覆盖层易经湿热条件下的红土化作用产生红粘土;碳酸盐岩顶板土岩接触面附近由于潜蚀或真空吸蚀作用易形成土洞［2］。

溶沟溶槽地区，由于其表面岩石凹凸不平，其间一般充填粘性土，该地区的浅基础易置于半岩半土上形成不均匀地基;溶洞，特别是浅埋溶洞，易影响基础的稳定性;可溶性岩石上部红粘土易失水收缩，产生裂缝影响土体整体性，削弱了抗剪强度及承载力;土洞易影响地基的稳定性。

2 岩溶地区特高压线路勘测依据及规范

由于现在国内特高压输电线路还较少，尚无专门的特高压输电线路的勘测技术规程。特高压电力线路在岩土工程勘测过程中主要参照文献［3］、文献［4］、文献［5］中的要求执行，并参考文献［6］及文献［7］关于岩溶区勘测的相关要求。

根据相关规程规范条款，特高压电力线路岩土工程勘测规范中关于岩溶勘测的规定主要如下:

(1)岩溶发育地区勘测应先搜集资料，现场加强地质调查。

(2)岩溶发育地区应查明地层时代、岩土特性、岩溶洞穴的形态规模与发育特征，洞穴的充填及密实程度，岩土层的富水性及地下水的动态变化，评价其对路径立塔的影响。

(3)在岩溶洞穴发育地区或路段，可选择使用物探、钻探、井探等方法逐腿探查。

(4)当塔位处存在以下情况之一时，可判定为未经处理不宜立塔:①岩溶洞穴埋藏浅、密度大;②岩溶洞穴规模大，上覆顶板不稳定;③土洞、采空区、人工洞穴或塌陷成群发育地段;④洞穴围岩为易溶岩土且存在继续溶蚀条件;⑤埋藏型岩溶土洞上部覆盖层有软弱土或易受地表水冲蚀的部位;⑥溶沟、溶槽、石芽等地表岩溶强烈发育，地表起伏剧烈地段。

(5)下列情况可不考虑洞穴对塔位稳定性的影响:①洞穴顶板围岩坚硬完整，节理裂隙不发育，且厚度大于洞穴跨度;②洞穴充填密实，充填物具较高强度并无流失条件;③洞穴较小，基础底面尺寸大于洞体平面尺寸且有足够支撑长度;④基础底面以下岩土层厚度大于独立基础宽度的8倍或整板基础边长的3倍，且不具备形成土洞或松动侧移条件。

(6)对于无法避开且可能对塔基稳定产生影响的溶蚀洞隙，应根据其发育特点采用填塞、灌浆、洞底支撑、梁板跨越等方法进行处理。

3 岩溶区特高压线路勘测实施要点及意义

岩溶区特高压输电线路勘测是比较复杂的岩土工程勘测。它主要包括前期策划、勘测过程实施及成果整理等。

3.1 前期策划

3.1.1 地质图的准备

外业勘测前应搜集沿线区域地质图，并将线路路径投影至地质图上(如图1)，并翻阅所在区域的地质志，在外业前对沿线地层情况有个较全面的了解和前瞻。

图1 溪洛渡—浙西特高压线路区域地质图(部分)Fig.1 Regional geologic map of Xiluodu－Zhexi UHV transmission line

3.1.2 搜集工程资料

在外业前应搜集附近工程资料，并从附近工程中概略地了解沿线的岩溶发育情况，以及岩溶重点发育地段。同时应搜集本工程的前期资料，前期资料是工程重要的参考，对本阶段工作重点有重要的启示作用。

3.1.3 仪器设备的准备

岩溶地区由于基岩面起伏不平，以及下部存在隐伏溶洞的可能性，除了采用一般手段，还应配备一些特殊设备手段，如在溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程中加配了PulseEKKO PRO地质雷达、静力触探、BER2571BV型接地电阻仪等设备。

3.1.4 编制实施方案

在外业之前，应根据附近工程资料及前期资料，线路区域地质情况，结合设计定位手册，编制岩土工程勘测大纲，为后续外业工作的开展提供指导。

3.2 勘测过程实施

3.2.1 地质调查

地质调查在岩溶地区勘测具有举足轻重的作用，在特高压输电线路涉及的勘测规范中均强调了岩溶地区地质调查的重要性。

在溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程施工图勘测中对岩溶地区主要围绕塔基50～100 m范围内进行地层岩性调查、地质灾害排查，调查岩溶分布情况;在塔基周围30 m范围内进行地质填图。

地质调查往往能对塔基附近的岩溶发育情况有一个初判，可以通过附近居民问询、目测等方式初步调查附近溶洞、天坑、地下暗河、溶沟、溶槽、危岩、土洞等发育情况，可以初步避让一些影响塔基稳定的岩溶强烈发育区及地质灾害危险区。地质调查是其他勘测手段的先行利器。

3.2.2 地质勘探

岩溶地区与碎屑岩地区相比，地貌形态及岩土组合特征有着其明显的差异性，由于碳酸岩具有可溶性，形成的岩溶形态千奇百怪，石芽、溶沟、溶洞等地貌形态随处可见，形成独具风格的喀斯特地貌。与一般岩石相比，岩溶地区土岩接触面相对变化较大，覆盖层厚度可能在一米之内就可能有很大的差别。

地质勘探在特高压输电线路中是最直观的勘测手段，鉴于岩溶地区基岩起伏面较大，在勘测过程中应综合分析，切忌以点代面。在具体勘测实施过程中勘探手段应具有多样性。

以溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程施工图勘测为例，本工程本次采用逐基逐腿勘探的原则，一般在每个塔腿上布置一个勘探点。在灰岩、白云质灰岩等碳酸盐地区，溶沟、溶槽发育地段，局部塔腿布置有2～3个勘探点，以较准确的探查塔基岩溶形态。主要采用了机钻、坑探、麻花钻、静力触探等。沿线塔位主要位于山顶、山坡，第四系覆盖层一般为0.5 ～3.0 m，局部 ＞8 m，当覆盖层在1.0 m以内宜采用坑探，覆盖层在1.0～5.0 m宜采用麻花钻，土层相对较厚时(＞5 m)一般考虑用静力触探或机钻。机钻孔主要在沿线分段布置，同时考虑在覆盖层较厚地段、岩溶发育地段及地质雷达异常地段布置机钻孔。

3.2.3 工程物探

工程物探手段可以探查岩溶异常带，为在岩土工程勘测过程中的疑问地带提供了有效的佐证。在岩溶地区，特别是山区的岩溶地区，地质雷达探测或高密度电法是岩土工程勘测的重要辅助手段。

在溪洛渡—浙西±800 kV特高压直流输电线路工程施工图勘测过程中，用地质雷达探测了T1468、T1487等塔位的岩溶分布区(如图2)，为塔位避让岩溶强烈发育地段提供了有利佐证。

3.2.4 岩土测试

在特高压岩溶地区岩土工程勘测过程中一般宜选取至少1/3的勘探点进行岩土分析测试。勘测过程中野外的岩土试验主要有:用静力触探仪测试土层的比贯入阻力(Ps);在钻探过程中对土层进行标准贯入试验;对岩体进行点荷载试验、现场剪切试验等，室内应对机钻或坑探采取的岩土试样分别进行土工试验、岩石物理力学试验、土壤腐蚀性分析等。并分别对各类试验成果进行分层分组统计分析，充足的岩土测试数据是合理判别岩土物理力学指标的重要依据。

图2 T1468测线及岩溶分布图Fig.2 Distribution map of T1468 survey line and karst

3.3 勘测成果整理

应根据地质调查、钻探、岩土试验、野外描述鉴定，结合地方经验进行岩土分类及综合确定岩土体的物理力学指标。在岩溶较发育地段宜绘制岩溶平面分布图并附有相关物探成果图;土层分布不均的溶沟、溶槽地段，电阻率应分别根据沿沟槽及垂直沟槽电阻率测试结果进行综合取值，同时宜绘制工程地质平面图。在勘测成果中各塔基应分别附有相应的地形地貌描述、照片、相应勘测手段的勘探测试成果、岩土分层及物理力学指标、不良地质发育情况等。

勘测成果应反映塔位附近溶洞、土洞发育情况，塔基是否为土岩组合地基，塔位土层是否为红粘土，塔位附近是否存在危岩等不良地质作用，以及地下水特征，并对结构提出相关的防治建议。

4 岩溶区特高压输电线路勘测应注意的问题

岩溶区特高压输电线路岩土工程勘测涉及相关岩土工程问题较多，可采用相应的勘测手段及测试加以恰当解决。下面主要介绍岩溶区勘测过程中两个普遍存在的重要问题:岩溶稳定性评判、空区上方地基承载力确定。

4.1 岩溶稳定性评判

在岩溶勘测过程中，岩溶发育程度以及溶洞洞穴稳定性是其重中之重，其关系到塔基的稳定性，以及电力线路的安全运行。

在勘测现场应充分调查及运用相应勘测手段判别岩溶发育情况，及时避开岩溶不稳定区。

4.1.1 定性评判

根据相关规范要求，结合现场勘测判别场地是否属于不宜立塔地段或不考虑岩溶对塔位影响地段，当不符合不考虑岩溶不利影响的塔位，应进行进一步的塔基稳定性分析。有经验的地方可以采用类比法或经验比拟法进行定性判别。

4.1.2 定量评判

目前定量判别主要采用按经验公式对溶洞顶板的稳定性进行验算。

根据文献［7］，当岩溶顶板为中厚层或薄层、裂隙发育、易风化的岩层时，顶板有坍塌可能的溶洞，顶板安全厚度可采用溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算。所需塌落高度H按下式计算:

式中:H0为塌落前洞体最大高度;K为岩石松散系数。

当顶板岩层较完整，强度较高，层厚，而且已知顶板厚度和裂隙切割情况，可根据情况分别按悬臂梁、简支梁、两端固定梁等模型进行计算验算。上覆顶板岩层最小厚度H验算公式如下:

式中:M为根据模型得出的计算弯矩;b为梁板的宽度;σ为岩体计算抗弯强度;fs为支座处剪力;S为岩体计算抗剪强度。

根据现场的工程地质调查及勘测，应用以上公式计算岩体安全厚度再乘以适量的安全系数Ks，即可与实际岩体顶板厚度做对比，确定地基的稳定性。

4.2 岩溶及空区上方地基承载力确定

岩溶及空区上方地基极限承载力及稳定性问题是一个比较复杂的课题。目前已有不少学者做过理论分析及模拟实验研究，得出了相应的相关经验公式或修正系数，但工程界尚未提出成熟的岩溶及空区上方地基极限承载力的理论计算方法。

4.2.1 天然地基承载力与相关因素的关系

杨宜章采用考虑地基两侧包含对数螺旋线型剪切区时对应的破坏模式，建立地基极限承载力比与空洞顶板厚度及空洞大小关系(见图3、图4)。

图3 地基极限承载力比与空洞顶板厚度关系Fig.3 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and thickness of cavity roof

图4 地基极限承载力比与空洞大小之间关系Fig.4 Relationship between ultimate bearing capacity of foundation and cavity size

可以看出，随着r/B的增加，地基极限承载力比呈减小趋势，而且，其减小趋势随着r/B的增加而减小。图中也可反映出，H/B越大，其地基极限承载力比也越大。

地基宽度、空洞大小、空洞顶板厚度等对地基承载力有重要影响，随着空洞半径减小、顶板厚度增加，地基承载力增加，地基承载力比逐渐接近于l，即趋向于空洞对承载力无影响的范围。地基岩土体强度参数粘聚力和内摩擦角对地基承载力影响明显，在空洞与地基几何条件不变的情况下，地基承载力随粘聚力的增加呈近似线性增加;而内摩擦角影响破坏形态，内摩擦角增加，承载力增加明显。岩体自重对空洞上方的条形基础地基承载力的影响不显著。

由其成果可知，当H/B足够大(相对一定洞跨)时，溶洞上方的地基承载力比接近1，可近似采用常规的无空洞时的承载力计算公式进行承载力计算;否则应进行折减计算，其天然地基的承载力修正系数可参照文献［8］相关成果。

4.2.2 桩基地基承载力与相关因素的关系

当桩基下存在空洞时，空洞高度对桩的极限承载力结果影响不大，一般是略有减小，如果取 qu=1.8 MPa，则空洞高度在0.5～3.0 d内变化时，桩的极限承载力的误差在2.37%之内;在考虑空洞影响的情况下，桩基承载力随洞跨增大而减小;桩基承载力随顶板厚度增加而增加，直到逐渐接近不考虑空洞的影响。

由此可知，当采空区上部塔位基础下有足够厚度的顶板时可不考虑空洞对地基承载力的影响;当需考虑空洞对承载力的影响时可根据实际情况结合相关经验系数对塔基进行综合承载力取值。

5 结论

(1)岩溶区特高压线路勘测是相对复杂的岩土工程勘测，应根据相关规范要求进行提前谋划，确定有效的勘测实施方案。

(2)岩溶区岩土工程勘测前，应搜集附近相关区域地质及工程资料，对沿线岩溶情况进行初判;现场采用地质调查为主，采取必要的地质勘探、物探及适当的原位测试工作，并采集适量的岩土试样进行物理力学分析。

(3)在岩土工程勘测成果中岩溶场地应反映塔位附近溶洞、土洞发育情况，塔基是否为土岩组合地基，塔位土层是否为红粘土，塔位附近是否存在危岩等不良地质作用，以及地下水特征，并对结构提出相关的防治建议。

(4)在岩土工程勘测前期应判别场地是否属于不宜立塔地段或不考虑岩溶对塔位影响地段。当塔位属于不宜立塔地段时应尽量避让;当塔位不符合不考虑岩溶不利影响的塔位时，应进行进一步的塔基稳定性分析，可采用定性或定量的方法进行评判。

(5)当塔基基础下部有足够厚度的顶板时可不考虑空洞对地基承载力的影响;当需考虑空洞对承载力的影响时，可根据实际情况，结合已有的相关经验系数对塔基进行综合承载力取值。

［1］ 贾宁，等.岩溶区特高压直流输电线路勘测实践［J］.电力勘测设计，2008(5):5－8.

［2］ 李智毅，杨裕云.工程地质学概论［M］.武汉:中国地质大学出版社，1994.

［3］ Q/DG-1-A007—2008，特高压架空输电线路工程勘测技术规定［S］.

［4］ GB50548—2010，330～750kV架空输电线路勘测规范［S］.

［5］ DL/T5122—2000，500kV架空送电线路勘测技术规程［S］.

［6］ GB50021—2001，岩土工程勘察规范(2009年版)［S］.

［7］ 工程地质手册编委会.工程地质手册［M］.4版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［8］ 杨宜章.岩溶和空区上方地基承载特性的研究［D］.长沙:中南大学，2007.

(责任编辑:于继红)

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

曹文庆 (1982－)，男，工程师，土木工程 (岩土)专业，从事电力工程、岩土工程勘测设计工作。E－mail:271529884@qq.com