深厚黃土地區(qū)的勘測方法

萬 華，張長飛，程 希

(1.國網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟技術研究院，寧夏 銀川 750001；2.福建省電力勘測設計院，福建 福州 350003)

我國濕陷性黃土分布廣泛，其巖土工程性質(zhì)獨特而復雜。近些年來，我院參與的特高壓線路有多條跨越了大片的黃土地區(qū)，在巖土勘測方法方面積累了一些經(jīng)驗，文章對此進行了詳細的探討。

1 濕陷性黃土

黃土是指在不同地貌單元上第四系風成、洪積、沖積、湖積等多種成因的沉積物，在干燥氣候條件下形成的多孔性具有垂直節(jié)理的黃色粉性土，是一種松散的顆粒集合體。黃土的孔隙率比普通土的孔隙率要大、顆粒較小，以粉土顆粒為主；遇水后往往下沉，稱為黃土的濕陷性，其變形具有突變、非連續(xù)和不可逆的特點；常發(fā)育有垂直的裂隙及孔洞、根管、蟲穴等。黃土的物理性質(zhì)主要表現(xiàn)為疏松、多孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，極易滲水，且有許多可溶性物質(zhì)，很容易被流水侵蝕形成溝谷，也易造成沉陷和崩塌。

在黃土高原地區(qū)，基本的地貌形態(tài)有黃土塬、黃土梁、黃土峁。黃土塬是由較為完整的黃土地層堆積成的較為完整的面積較大的地塊，塬面較平坦，周圍被深切溝谷環(huán)繞；黃土梁指黃土高原區(qū)的長條形的黃土地貌，長數(shù)十米至數(shù)十千米，寬數(shù)十米至數(shù)百米，梁脊起伏較大，兩側為深切溝谷；黃土峁指孤立的黃土丘，頂部呈圓穹狀。

2 巖土勘測應注意的問題

2.1 地形地貌

在黃土高原進行特高壓線路勘測時，應著重注意研究黃土梁、峁的地形地貌特點。

黃土梁、峁地形第一個特點是地形多較狹窄。第二個特點是古滑坡體多見，受歷史地震的影響，黃土高原古滑坡較多，多呈疊瓦狀分布于山坡一側。第三個特點是落水洞較發(fā)育，落水洞常分布于陡峭邊坡下部，常成片出現(xiàn)且較隱蔽，在地形圖、航片上看不出來，落水洞密集地段巖土層通常較松軟，更易發(fā)生崩塌與滑坡。第四個特點是山體邊坡失穩(wěn)常常具有突發(fā)性，而且一次性垮塌的規(guī)模通常較大；黃土高原雖然氣候干燥，降雨稀少，但雨旱季分明，年降雨量集中，且一次暴雨的降雨量經(jīng)常很大，在這樣反差極大的環(huán)境里，邊坡的穩(wěn)定與否常常帶有更多的不確定性。

由于梁、峁地形狹窄，山脈走向零亂，溝谷發(fā)育，線路工程要完全將所有塔位都選在山頂平臺上基本不可能實現(xiàn)；有時，在地形圖或航片上看上去很理想的地形，到現(xiàn)場看時卻發(fā)現(xiàn)完全無法立塔。甚至可以說，在黃土高原進行線路工程勘測時，塔位地形的選擇、邊坡的穩(wěn)定性論證是最為重要的一個環(huán)節(jié)。

在這樣的山區(qū)選擇線路路徑時，不僅僅要依靠地形圖和航片，更需要實地踏勘，在踏勘時要遠近結合看地形、山勢；塔基應盡可能選在山頂?shù)匦螌捑徧?，盡量避開半坡，切忌位于峽谷中；實在無法立于山頂時應選在古滑坡的上緣并與滑坡邊界保持安全距離，或者遠離高陡邊坡上緣；還應注意避開落水洞發(fā)育區(qū)。

那么，塔位距離梁、峁高陡邊坡究竟多遠才是安全的呢？這是一個很難有定論的問題。我們曾就此問題進行過交流，有人認為，只有當塔位與邊坡上緣的距離大于邊坡高度時，塔位才是安全的。但實際上，滿足此類條件的地方很少，很多梁峁的寬度甚至小于其高度，按此條件，即便位于山頂中心，塔位也不安全，整條線路基本走不通，上述標準顯然過于苛刻。

在實踐中，我們總結出下列經(jīng)驗用于判斷山體邊坡的穩(wěn)定性。

(1)應注重調(diào)查周邊類似邊坡的穩(wěn)定性。山體滑坡、水土流失常常具有區(qū)域相似性，比如，有的地段，滑坡都集中在山的同側，背面一側則很少見，這一點在古滑坡上特征明顯，通過觀察周邊類似山體的崩塌情況，有助于判斷目標山體邊坡的穩(wěn)定性。

(2)應注意調(diào)查古滑坡痕跡。古滑坡是邊坡失穩(wěn)的歷史表現(xiàn)，現(xiàn)階段可能有繼承性，而且滑動過的巖土體會更加松軟，因此，塔位一般應避開古滑坡體；但另一方面，邊坡失穩(wěn)后，現(xiàn)階段更高處的山坡通常處在穩(wěn)定狀態(tài)，古時滑落的山體位于山腳，對現(xiàn)階段的邊坡穩(wěn)定性有利。因此，應辯證地分析古滑坡，不應見到古滑坡就遠遠躲開。

(3)應注意觀察山腳處的落水洞發(fā)育情況。串珠狀的小型落水洞發(fā)育過多，說明山體土層松軟，水土流失容易形成，邊坡容易垮塌；而如果落水洞少而大，說明雨水匯集集中，構成山體的土層可能較為密實，這樣的山體多較穩(wěn)定。

(4)應注意觀察邊坡上緣的裂隙發(fā)育程度。一些高陡的邊坡上緣近處，常有很深的垂向裂隙，寬度一般1～30 cm，深不見底，這一現(xiàn)象并不可怕，它反映出未來邊坡垮塌的形態(tài)是沿裂隙成片狀、板狀傾倒、垮塌，一般不會形成大型山體滑坡。而如果高陡邊坡上很少裂縫，但在遠離邊坡的較高處有延續(xù)很遠的裂隙，即使不清晰，也應特別小心，這樣的邊坡一旦失穩(wěn)，將形成大面積的滑坡。

(5)應注意調(diào)查山腳地段基巖的出露情況。在一些黃土梁、峁地區(qū)，通常發(fā)生上部黃土順巖層滑動的現(xiàn)象，在塔位選擇時，應注意測量坡腳巖層和結構面產(chǎn)狀，當巖層及結構面與坡面形成對穩(wěn)定不利組合時，應改變立塔山頭。

(6)應注意觀察植被的發(fā)育情況。近些年來，政府推動“退耕還草”和向山下移民的工程，黃土高原上的植被逐漸得以恢復，這對于防止水土流失和山體失穩(wěn)有很大好處。通過觀察邊坡上草坪的發(fā)育、樹木的大小、生長形態(tài)等情況，都可以幫助判斷山體的穩(wěn)定性和地質(zhì)災害的發(fā)育趨勢。

(7)應注意觀察窯洞的分布范圍及特點。黃土高原上曾經(jīng)有較多窯洞分布，近年來隨著移民工程的開展，越來越多的窯洞被廢棄。這些窯洞，有很多曾住過數(shù)代人，存于山體內(nèi)達百年以上，與此相似的山坡一般不會出現(xiàn)大規(guī)模的垮塌。

(8)應多向當?shù)厝嗽儐柛浇牡刭|(zhì)災害發(fā)育情況。有的地方近年來曾發(fā)生過一些大的地質(zhì)災害；有的地段已被當?shù)貏澣氲刭|(zhì)災害高危區(qū)；有的地方看上去很險要卻多年沒有發(fā)生過災害……這些情況只有在多走訪多詢問的基礎上才能了解清楚。

2.2 地層

黃土地層看似簡單，其實不然。巖土勘測過程中，除了需要了解黃土的物理力學性質(zhì)外，勘測過程中應特別注意黃土的特殊性和穩(wěn)定性。

(1)由于黃土具有濕陷性，所以在勘測及取樣過程中，應注意避免外部水的介入。而由于常規(guī)的鉆探方式通常要用到水，因此，不可采用常規(guī)鉆探工藝。

(2)由于黃土地區(qū)生態(tài)脆弱、邊坡容易失穩(wěn)，勘測過程中應避免對環(huán)境干擾過大，勘探點位要選擇合理，鉆孔、探坑必須及時回填壓實。

(3)雖然在梁、峁上的黃土層由上而下一般是逐漸變硬，但有些地段的黃土存在上硬下軟現(xiàn)象，對此應著重關注，因為相對軟弱的黃土層意味著土層濕度變大，更易形成滑動面。

3 巖土勘測方法

3.1 機械洛陽鏟鉆探結合人工取樣

所謂機械洛陽鏟，實質(zhì)就是按小型沖孔打樁機的原理進行設計加工，將沖擊錘頭改為可取土的鏟頭，黃土地區(qū)常用的是鏟頭直徑為50 cm，機械洛陽鏟鉆探的深度一般為20～50 m。機械洛陽鏟主要的目的是形成一定孔徑的探井，以便作業(yè)人員進入孔內(nèi)取樣。

機械洛陽鏟勘探的全過程如下：鉆孔定位后，機械移至指定位置，機械沖擊形成探井，在鉆進過程中輔助工人要完成清理、搬運由鏟頭帶上來的土方，一般將其堆于井口附近2～3 m處；探井達到預定深度后機械設備撤離現(xiàn)場，人工清理、保護井口地表，防止土渣落入井內(nèi)；待井內(nèi)基本無灰塵后，由專人帶長卷尺或測繩從井口滑入井底，按預計深度由底部向上逐一取樣，取樣點位于井壁上，取樣深度由井上專人指揮；每取一個樣，就利用吊籃傳至井口地面，地面人員立即對樣品進行再次切削、密封，并做好記錄；取樣完成后迅速封填探井，恢復地面。

機械洛陽鏟勘探的優(yōu)點是：設備搬運、鉆進全程機械化，無需用水，效率高，探井形成的斷面完整清晰，反映的地質(zhì)信息準確，取樣過程干擾小，樣品等級可達到Ⅰ級，而且樣品大小規(guī)格可控；缺點是無法進行標貫試驗等原位測試。在整個過程中風險最大的是取樣過程，取樣員必須經(jīng)過專門培訓和長期鍛煉，必須有敏捷的身手和良好的心理素質(zhì)。

3.2 人工洛陽鏟鉆探

人工洛陽鏟是采用小型輕便探桿與探頭，以人力沖擊鑿進，根據(jù)探頭所取樣芯對地層進行肉眼鑒別。

人工洛陽鏟的優(yōu)點是設備輕便，效率高；缺點是地層的鑒別受人為控制，存在一定誤差。

3.3 建議采用的勘測方式

黃土的勘測方法雖然傳統(tǒng)而簡單，勘查過程一般是采用機械洛陽鏟成孔、人工入孔刻?、窦墭铀突貙嶒炇以囼?，通過室內(nèi)試驗指標進行分層；或通過人工洛陽鏟查明覆蓋層的厚度，不進行分層。對于深厚濕陷性黃土地區(qū)條帶狀線路工程的勘察，由于受工期、交通條件、成本等多種因素的影響，對每個塔位采用機械洛陽鏟進行勘察的方式不太經(jīng)濟合理。為滿足勘察設計要求，需要方便、快速、準確的黃土勘測方法，提高勘測的效率，其重點和難點是如何快速按力學強度對黃土進行分層。

針對深厚黃土地層中地層分層，經(jīng)工程實踐，總結出一套根據(jù)人工洛陽鏟鉆進速度大小并記錄鉆進時間來判斷黃土分層的方法。通過人工洛陽鏟進行分層并結合土工試驗成果，有效的查明沿線黃土的分布情況及力學性質(zhì)，對提高工作效率、降低工期、節(jié)約成本等方面發(fā)揮了重大的作用。

3.4 工程應用

以下將以準東—華東±1100 kV特高壓線路(包16)巖土勘測成果為例，展示利用上述勘測方法得到的成果。

3.4.1 工程簡況

準東—華東(皖南)±1100 kV特高壓直流輸電工程起于新疆準東將軍廟換流站，終點為安徽皖南換流站，沿線途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽6省，線路全長約3339 km；我院設計的包16位于寧夏回族自治區(qū)固原市境內(nèi)，呈西北至東南走向，途經(jīng)固原市原州區(qū)、彭陽縣，線路長度約86.6 km，塔基總數(shù)為159基，基礎均采用挖孔樁，樁長10～20 m。本段線路跨越地段屬我國典型的馬蘭黃土分布區(qū)，地貌均為黃土丘陵和山地，以黃土梁、峁為主，梁峁林立，溝壑密布，地形切割較嚴重，沿線地面海拔高程1500～2000 m。沿線地層以濕陷性黃土為主，總層厚一般超過60 m。其中，在基礎深度范圍，均為馬蘭黃土(Q3)。

由于基礎深度范圍均為同一成因的馬蘭黃土，如果僅按成因、成分分層，則僅為一層土；考慮到黃土層隨深度變深強度逐漸變大的特點，有必要按力學強度對黃土層作進一步的細分。因此，如何按力學強度對黃土進行分層就成了本工程勘測的關鍵和難點。

3.4.2 勘測方法

勘測過程中主要采用現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、機械洛陽鏟探井配合人工取樣、人工洛陽鏟簡易鉆探等手段進行。

現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查主要解決塔位穩(wěn)定性的問題，對塔位周邊的自然地質(zhì)斷面、不良地質(zhì)作用、黃土邊坡的穩(wěn)定性等進行了詳細的調(diào)查，排除了可能影響塔位安全的各種不良地質(zhì)作用；還調(diào)查了附近地區(qū)的建筑經(jīng)驗、礦產(chǎn)分布、塔位附近場地管線埋設情況等。

機械洛陽鏟探井配合人工取樣作為控制性勘探點，全線按間距相近且平均3基塔左右布置一個探井的原則布置工作量，探井深度20～25 m，井內(nèi)?、窦壴瓲顦拥纳舷麻g距1.0～1.5 m。目的是為了測定、評價全線黃土的物理力學性質(zhì)、濕陷等級和深度等指標。

人工洛陽鏟簡易鉆探方式作為一般性勘探點，鉆孔一般深度15～20 m，在鉆進過程中，除對地層進行正常編錄外，還對鉆進速度作了詳細記錄。其中，對鉆進的速度作詳細記錄、分析是我院的首創(chuàng)，結果證明這一方法十分有效。

3.4.3 主要勘測成果總結

通過鉆進速度、野外肉眼鑒別并結合附近探井的取樣成果來對黃土層進行力學分析，可以看出，沿線基礎深度范圍的馬蘭黃土可大致分為稍密、中密兩層(層號分別為①、②)，這兩層土雖然成因、成分、結構、顏色等都相同，但力學強度有明顯區(qū)別。下面以土工試驗指標、鉆進速度的統(tǒng)計分析為例來說明。

(1)土工試驗部分成果總結

根據(jù)室內(nèi)土工試驗，黃土①、②層部分物理力學指標統(tǒng)計表見表2和表3。從統(tǒng)計表可看出，①、②層土濕陷性差異明顯，主要的物理力學指標也存在一定差異。

表2 黃土①、②層濕陷性指標統(tǒng)計

表3 黃土①、②層部分物理力學指標統(tǒng)計

(2)人工洛陽鏟簡易鉆探速度對比

對①、②層黃土進行鉆進速度與進尺深度統(tǒng)計，剔除誤差點，結果表明，有效數(shù)據(jù)顯示較為離散。①層人工洛陽鏟鉆進速度分布見圖1，②層人工洛陽鏟鉆進速度分布見圖2。

圖1 ①層人工洛陽鏟鉆進速度分布圖

圖2 ②層人工洛陽鏟鉆進速度分布圖

從圖1中可以看出，①層黃土大致呈隨進尺深度的增加鉆進速度增大的趨勢。從圖2中可以看出，②層黃土大致呈隨進尺深度的增加鉆進速度減小的趨勢；深厚黃土地區(qū)在梁、峁上的黃土層在有些地段的黃土存在上硬下軟現(xiàn)象，這與實際鉆進速度與鉆進深度曲線較為一致。底部的②層黃土隨深度的增加，強度逐漸增大，土壤孔隙率變小，鉆進變得困難。

對①、②層土的鉆探速度進行對比統(tǒng)計，速度分布見圖3，鉆進速度對比成果見表4。

圖3 ①、②層土人工洛陽鏟鉆進速度分布圖

表4 ①、②層土中人工洛陽鏟鉆進速度對比

從圖、表中可看出，在①、②層黃土的鉆進速度與深度曲線中，深度較淺處鉆進速度保持為較小的數(shù)值，當達到一定深度時擬合曲線出現(xiàn)明顯減緩的趨勢，在不同深度的黃土因物理力學指標的不同導致了黃土鉆進速度的變化。統(tǒng)計分析①、②層黃土鉆進速度最大值、最小值、平均值可知平均值數(shù)值達到54%。②層土中的鉆進速度要明顯慢于在①層土中，可認為當平均速度變慢約50%時，即可將相應位置作為二層黃土的分層界線。

3.5 勘測經(jīng)驗總結

在深厚黃土層分布的梁、峁地段進行特高壓輸電線路勘測時，塔基的穩(wěn)定性評價是首要的任務，方法應以地質(zhì)調(diào)查為主，調(diào)查范圍不僅局限于塔位附近，還應包含塔位所處的整個山體甚至整個區(qū)域，應多側面多角度地深入觀察、了解。對于深厚黃土地區(qū)，利用機械洛陽鏟探井配合人工洛陽鏟鉆探，很好的查明了深厚黃土地區(qū)地層分布，并解決了同種成因不同物理力學性質(zhì)黃土的分層問題，可為后續(xù)在深厚黃土地區(qū)進行的線路工程提供參考。

4 結論及展望

本文從黃土地區(qū)的地形地貌和地層特點出發(fā)，總結了輸電線路選取塔位的注意事項。在深厚黃土層分布的梁、峁地段進行高壓線路勘測時，塔基的穩(wěn)定性評價是首要的任務，方法應以地質(zhì)調(diào)查為主，調(diào)查范圍不僅局限于塔位附近，還應包含塔位所處的整個山體甚至整個區(qū)域，應多側面多角度地深入觀察、了解。

以準東－華東±1100 kV特高壓線路作為工程實例，采用機械洛陽鏟與人工洛陽鏟相結合的勘測手段，在傳統(tǒng)方法的基礎上積極創(chuàng)新，根據(jù)人工洛陽鏟鉆進速度大小并記錄鉆進時間對黃土進行分層。

可以預見，未來一段時間內(nèi)，在深厚黃土地區(qū)，巖土勘測仍將以機械洛陽鏟為主，通過調(diào)整鏟頭大小，在勘探的同時實現(xiàn)樁基模擬化施工，從而使基礎設計更加精準。在線路工程勘測中，應大力推廣人工洛陽鏟，通過鉆進速度對比實現(xiàn)黃土的力學分層，有效提高勘測效率。