察爾汗鹽湖區(qū)輸電線路桿塔地基溶陷變形分析及防治措施

(中國電建集團青海省電力設(shè)計院有限公司，青海 西寧 810003)

0 引言

青海省海西柴達木盆地分布著大量的鹽漬土。隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”建設(shè)的全面推進，柴達木盆地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了新的時代，電網(wǎng)、公路、鐵路、城市建設(shè)日新月異。察爾汗鹽湖地區(qū)鹽漬土按含鹽化學成分主要為氯鹽—亞氯鹽漬土，含鹽量高，一般含量8%～80%，屬于強—超鹽漬土，故溶陷病害一直是該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所面臨的棘手問題。鹽漬土是一個多因素、多尺度的集合體，自身特性復雜多樣，易受劇烈變化的外界環(huán)境的影響，當所處環(huán)境(濕度、含鹽量等)發(fā)生劣化時，鹽漬土地基結(jié)構(gòu)強度和地基承載力急速下降，極易造成地基不同程度的溶陷變形，對建筑物產(chǎn)生破壞。目前察爾汗鹽湖地區(qū)已有數(shù)條330 kV、750 kV輸電線路工程在建成運行數(shù)年后少數(shù)塔基出現(xiàn)不同程度的地基溶陷、基礎(chǔ)沉降、偏移及鐵塔傾斜等問題，嚴重影響工程的安全穩(wěn)定運行。因此，深入開展該地區(qū)鹽漬土溶陷影響因素和特征研究，提出行之有效的地基處理和基礎(chǔ)方案建議，將有利于提升鹽湖地區(qū)電網(wǎng)工程建設(shè)技術(shù)水平，提高電網(wǎng)運行的安全可靠性。

1 工程概況

某750 kV輸電線路工程跨越察爾汗鹽湖地段約22 km，共87基鐵塔，塔位大多位于鹽田和鹵水池中。根據(jù)沿線逐基核查，存在明顯溶陷變形的有23基鐵塔。該區(qū)地下水較淺，埋深3.5～4.2 m，變幅±2.0 m，局部區(qū)域地下水位埋深可至15 m，地下水位差異性較大。由于該區(qū)域為鹽湖集團液體礦的采鹵區(qū)，受大規(guī)模抽采鹵水和注入淡水的影響，10 m深度以內(nèi)的地下水位均會受到不同程度的影響，局部抽采區(qū)變幅會更大；而鹽田區(qū)域地下水埋深相對穩(wěn)定，大多在0.5～1.0 m，變幅±1.0～2.0 m。

基于鹽湖區(qū)段特殊的地質(zhì)條件，鐵塔基礎(chǔ)選用淺埋高墊大開挖基礎(chǔ)。根據(jù)問題塔基的鉆探資料，鐵塔基礎(chǔ)底板以上巖性以人工回填的松散鹽粒為主，厚3.3～4.0 m，基礎(chǔ)底板下為厚1.0～1.5 m的碎石墊層，碎石墊層下以化學沉積的石鹽層(結(jié)晶鹽)為主，其下以互層狀分布的湖積和沖湖積成因的粉土及粉質(zhì)黏土等地層為主，局部夾淤泥質(zhì)土與結(jié)晶鹽互層分布。粉土及粉質(zhì)黏土層大多為軟弱地基土，具水平層理，以細粒土為主，地層整體均勻性相對較好。

2 溶陷變形影響因素分析

鹽漬土的溶陷變形本質(zhì)上就是水鹽遷移的結(jié)果，就是在土的飽和自重壓力或附加壓力作用下，因水對土中鹽類的溶解和遷移作用而產(chǎn)生的土體沉陷變形。根據(jù)相關(guān)研究[1]，鹽漬土的溶陷變形是一個系統(tǒng)復雜的過程，是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果，內(nèi)因主要包括土體含鹽量、鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)特征、土層密實度、滲透性等，外因主要有水徑流條件、浸水時間、淡水侵蝕大小等。

2.1 含鹽量

土中易溶鹽分的存在是地基土產(chǎn)生溶陷的基礎(chǔ)。易溶鹽含量是界定地基土是否溶陷的決定性因素，但不是確定地基土是否溶陷的唯一因素[1]。鹽漬土的溶陷性與其含鹽類型、含鹽量及可溶程度都有密切關(guān)系。一般情況下，地基土中易溶鹽含量越高，其溶陷能力就越強；反之，易溶鹽含量越低，則其溶陷能力相應(yīng)越弱。

根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果，鐵塔基礎(chǔ)底板以上地基土是呈粗砂(礫)砂狀的鹽粒，局部混結(jié)晶巖塊，是以含氯鹽為主的鹽漬土，含鹽量高，一般在8%～80%，因氯鹽的溶解度大，注入淡水后回填土中的結(jié)晶鹽極易溶解，結(jié)晶鹽的溶解基本上破壞了地基土中所有的鹽膠結(jié)作用，使土層內(nèi)部原來占據(jù)結(jié)晶鹽的位置均變?yōu)榭紫?，在自重和附加?yīng)力的作用下，土粒散落在周圍的孔隙中并進行重排列。含鹽量越大，被水分破壞的膠結(jié)點數(shù)量越多，地基土中形成的孔隙也越多，再加上水膜增厚對土顆粒聯(lián)結(jié)強度的降低，使得地基土變軟，力學強度降低，土層的溶陷變形也更為明顯。此外，鹵水池中的飽和氯鹽漬土，其結(jié)晶鹽骨架顆粒孔隙間充滿晶間鹵水，隨著抽采鹵水，晶間鹵水流失的同時結(jié)晶鹽晶體被逐漸溶解帶走，造成土層被掏空，并逐漸產(chǎn)生溶陷。該過程中易溶鹽的溶解、流失破壞了回填地基土的能量平衡，再者基礎(chǔ)底板下為厚1.0～1.5 m的碎石墊層起到了鹽分隔斷層的作用，不能將其下豐富的石鹽層(結(jié)晶鹽)中的鹽分通過毛細水向上輸送至上部回填地基土層，進而補充流失的鹽分能量，這也是地基產(chǎn)生溶陷的重要原因。

同時，根據(jù)有效應(yīng)力原理，在未產(chǎn)生溶陷變形前，有效應(yīng)力是由土骨架顆粒和膠結(jié)的結(jié)晶鹽顆粒共同承擔，地基總應(yīng)力保持穩(wěn)定，力學強度較高。但隨著結(jié)晶鹽晶體逐漸溶解，造成地基應(yīng)力重新分布，有效應(yīng)力逐漸減小，逐漸造成地基失穩(wěn)、基礎(chǔ)產(chǎn)生位移、塔材變形。

2.2 鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)特征

土體的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀表現(xiàn)，通過土體的微觀結(jié)構(gòu)可以更有力地解釋其宏觀變形現(xiàn)象。鹽漬土的三相組成與常規(guī)土不同，如圖1所示，鹽漬土中含有大量的易溶鹽成分，當鹽分完全溶解在水中時，僅增加水的比重而不增加水的體積，若鹽分過飽和而不能完全溶于水中時，就以結(jié)晶體的方式賦存于土顆粒周圍。與常規(guī)土相比，鹽漬土的液相是由易溶鹽和水構(gòu)成的鹽溶液，固相是由結(jié)晶鹽與土顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)。為了強調(diào)其中鹽的存在，特將這種隨溫度與孔隙水變化的易溶鹽成分規(guī)定為一種獨立的相態(tài)即“易溶鹽相”。因此，鹽漬土成了四相體系：固體相、液體相、氣體相和易溶鹽相[2-3]。由于“易溶鹽相”隨外界環(huán)境的變化不斷發(fā)生物理化學變化，導致鹽湖區(qū)鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特征亦隨相態(tài)的轉(zhuǎn)變而發(fā)生改變，進而表現(xiàn)出不同的工程特性。

圖1 常規(guī)土和鹽漬土的相系組成

察爾汗鹽湖區(qū)鹽漬土為細粒鹽漬土，其微結(jié)構(gòu)連接方式有三種：點接觸、堆疊接觸和晶體膠結(jié)，不同含鹽量的鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)形式不同[4]。鹽晶體的膠結(jié)作用是影響地基土力學特性的顯著因素。鹽湖區(qū)鐵塔基礎(chǔ)底板以上回填鹽粒地基土來源于現(xiàn)場，含鹽量高，土顆粒與土顆粒形成骨架微結(jié)構(gòu)，鹽晶體充填于骨架孔隙中，顆粒之間通過鹽晶體膠結(jié)，微裂隙和微孔隙被鹽晶體和鹽溶液填充，微結(jié)構(gòu)內(nèi)部基本上無空隙。當遇水后，由于結(jié)晶鹽的溶解使土的結(jié)構(gòu)完全解體，土—鹽間的膠結(jié)集粒遭到破壞，土顆?；涞娇紫吨羞M行了重排列與重分布，土體中應(yīng)力重新分布，造成很大的溶陷變形。而且回填結(jié)晶鹽賦存狀態(tài)在空間上表現(xiàn)出非均質(zhì)、各向異性，表現(xiàn)為存在較多由鹽晶體膠結(jié)而成的大小不一的集粒，且分布不均勻，這也極易造成不均勻的溶陷變形。

2.3 土層密實度和滲透性

鹽湖區(qū)鐵塔高墊平臺和基礎(chǔ)回填土均為呈粗砂、礫砂狀結(jié)晶鹽粒混塊狀結(jié)晶鹽塊，由于回填鹽土呈散體塊狀，未用環(huán)境土(粉質(zhì)黏土、粉土)進行分層夯實處理，亦未澆灑鹵水進行預(yù)溶解處理，壓實系數(shù)未達到設(shè)計要求，地基土呈松散—稍密狀，雖然含結(jié)晶鹽晶體地基土在自重和鐵塔荷載作用等后期固結(jié)應(yīng)力作用下密實度稍有提高，但因未充分分層夯實，地基土的孔隙比仍然較大，密實度較低。此外回填地基土因破壞了砂粒土的原狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其過水通道形狀、大小均發(fā)生變化，滲透系數(shù)較大，滲透性強，加之含鹽量高，易溶鹽溶解程度明顯，造成的地基土的溶陷變形依然顯著，故高墊部分地基土的溶陷變形對于塔基的穩(wěn)定起到了主要作用；而深層地基土密實度較大，滲透系數(shù)低，則溶陷性較低，地下水位以下是非溶陷性地基土。

2.4 浸水時間及水徑流條件

水是鹽漬土產(chǎn)生溶陷的最關(guān)鍵因素，是鹽漬土中物質(zhì)成分流失的運載體。根據(jù)鹽漬土浸水時間的長短及土體物質(zhì)成分流失狀況，主要分為兩種情況：①靜水中的溶陷變形，當土體浸水量不大，浸水時間不長，水力梯度較小時，土中部分或全部鹽類溶解，在荷載(包括自重)作用下導致土體結(jié)構(gòu)破壞，孔隙減小，強度降低，產(chǎn)生溶陷；②潛蝕變形，當?shù)鼗两畷r間很長，浸水量很大，地下水水力坡度大，水徑流條件通暢，地基土中的結(jié)晶鹽分和部分土骨架顆粒在滲流力的作用下被逐漸帶走而產(chǎn)生潛蝕，進而在荷載作用下產(chǎn)生溶陷變形。

研究表明[3,5]，潛蝕變形是鹽漬土地基溶陷的主要部分。鹽湖區(qū)地下水屬潛水，大部分區(qū)域地下水位埋深一般為0.5～2 m，水力梯度相對較小，地基土的滲透系數(shù)較小，溶陷變形主要是靜水中的溶陷變形。但鐵塔淺埋高墊后，高墊部分3～5 m不等，高墊地基土的滲透性能好，水徑流條件通暢，液體礦鹵水采集池和鹽田在經(jīng)多個采集周期后發(fā)生了改變，規(guī)模也在不斷地擴大，部分鐵塔在運行幾年后其周邊水環(huán)境發(fā)生了巨大變化，導致該區(qū)部分鐵塔存在靜水中的溶陷變形和潛蝕變形交替進行的狀況；同時地基土的濕度亦隨著浸水時間和浸水量的改變發(fā)生變化，使得塔基水環(huán)境條件不斷發(fā)生變化，累進產(chǎn)生了更大的溶陷變形?，F(xiàn)場調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，長期處于鹽田或鹵水池中的鐵塔穩(wěn)定性變化不大，未造成明顯的地基溶陷變形及基礎(chǔ)位移；而塔基周圍水環(huán)境發(fā)生巨大變化的鐵塔地基溶陷變形明顯增加，影響了線路正常運行。

2.5 淡水侵蝕大小

水是鹽漬土中鹽分溶解的溶劑，淡水或者未飽和的低濃度鹽水可以快速大量溶解地基土中的鹽分，再者氯鹽的溶解度大，易造成更大的溶陷變形。察爾汗鹽湖區(qū)鹽礦采集方式是向高3～5 m的田埂所圍起來的面積大小不等的鹵水池中注入2～3 m深的淡水或未飽和鹵水，通過日照蒸發(fā)、鹽分結(jié)晶、采鹽、再注入鹵水或淡水、再蒸發(fā)、再鹽分結(jié)晶、再采鹽的一個周而復始的方式。而在鹽礦采集時注入的淡水使得鹽田和鹵水池中的鐵塔基底及高墊地基土遭受了淡水不同程度的侵蝕，導致基底及高墊地基土鹽分溶解速度和溶解量快速增加，由于氯鹽類鹽漬土的溶解度隨溫度變化甚微，其吸濕飽水性強[6]，從而導致了高墊邊坡土體軟化，鹽分部分溶解造成邊坡土體傾斜滑移。

同時，格爾木近年來出現(xiàn)多次強降水，降水量較往年普遍增多，雨水沿基礎(chǔ)表面滲入回填地基土中，一定程度溶解了基礎(chǔ)周邊回填土中的鹽分，且隨著雨水沿基礎(chǔ)附近溶解孔隙逐漸滲入到基礎(chǔ)底板，部分溶解了基礎(chǔ)底部的骨架結(jié)晶鹽層，一定程度上產(chǎn)生地基溶陷變形，基礎(chǔ)因而產(chǎn)生了不均勻下沉、位移，造成鐵塔不穩(wěn)定。

3 地基破壞模式分析

在荷載作用下地基因承載力不足引起的破壞，一般是由地基土的剪切破壞引起的。因線路基礎(chǔ)埋深相對較淺，屬于淺基礎(chǔ)，其地基破壞模式通常有三種：整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖切剪切破壞[7]。由于鹽湖區(qū)鐵塔淺埋高墊地基為鹽漬土特殊地基，其地基的破壞模式較為復雜，高墊平臺地基土是非均質(zhì)砂粒狀混塊狀結(jié)晶鹽塊鹽漬土，且回填地基土未分層夯實，具有較高的壓縮性，在基礎(chǔ)澆筑、立塔及架線荷載作用下地基逐漸產(chǎn)生溶陷，且溶陷變形是不可恢復的變形。

根據(jù)現(xiàn)場對部分鐵塔基礎(chǔ)高差和鐵塔根開進行復測，測量結(jié)果見表1，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)發(fā)生了不同程度的沉降和傾斜位移，其破壞模式是在初始荷載作用下，首先在基礎(chǔ)正下方發(fā)生不均勻壓縮沉降，隨著荷載的長期作用，基底下的溶陷沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在基礎(chǔ)底板邊緣出現(xiàn)塑性變形區(qū)，但地基仍然具有安全的承載能力，隨著高墊平臺逐漸產(chǎn)生較大不均勻溶陷，回填地基土抗傾覆能力逐漸減弱，同時高墊平臺非剛性固定邊界在溶陷影響下邊坡強度降低，基礎(chǔ)底板邊緣和側(cè)面的塑性變形區(qū)逐漸連在一起，剪切破壞區(qū)發(fā)展形成一片，基礎(chǔ)向側(cè)面傾斜，側(cè)面土體部分隆起，如圖2，地基發(fā)生整體剪切破壞。該種破壞主要是由于鹽漬土地基產(chǎn)生了過大的溶陷變形造成地基失穩(wěn)。

表1 沿線部分鐵塔基礎(chǔ)高差和根開復測統(tǒng)計表

圖2 淺埋高墊地基的溶陷變形

4 防治措施建議

察爾汗鹽湖地基土屬于氯鹽漬土強腐蝕性軟弱地基土，其防治的前提是結(jié)合現(xiàn)場模型試驗和室內(nèi)試驗，充分認識地基溶陷變形影響因素和機理特征，以及地基破壞模式。針對地基溶陷變形尚未影響線路正常運行的塔位，對其基礎(chǔ)位移以及影響因素要進行長期監(jiān)測研究，視需要采取防護加固措施；對于地基溶陷變形較大、桿塔傾斜嚴重且影響線路安全運行的部分桿塔則進行改遷。此外，建立溶陷變形數(shù)值模型，構(gòu)建合適的判斷公式和預(yù)測模型，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，來預(yù)測塔基的變形和破壞。

由于鹽漬土溶陷變形主要出現(xiàn)在地面下3m以上地層，高墊淺埋地基方案本身存在溶陷隱患，施工質(zhì)量的控制是溶陷產(chǎn)生與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，線路改遷及后期電網(wǎng)工程采用“高墊淺埋”方案時，應(yīng)盡可能增加基礎(chǔ)埋深或增加地基處理深度，施工時切實控制好回填土的壓實質(zhì)量，并嚴格做好基面和高墊邊坡的防水、防滲措施，才能有效避免淺地基面臨的溶陷災(zāi)害。

據(jù)相關(guān)工程在鹽漬土場地上的試驗、監(jiān)測證明[8]，裹體樁加固法、深層換填墊層法、碎石擠密樁法等新型處理技術(shù)既能有效保證強腐蝕地區(qū)砼質(zhì)量還能提高地基承載力，具有良好的處理效果，值得借鑒。

5 結(jié)語

鹽湖區(qū)地質(zhì)和水環(huán)境復雜多變，鹽漬土地基的溶陷變形和破壞是一個系統(tǒng)復雜的過程，其溶陷變形受含鹽量等內(nèi)因和水等外因共同作用影響，其溶陷機理較為復雜，鐵塔地基的破壞主要是由于鹽漬土地基產(chǎn)生了過大的不可恢復的溶陷變形造成地基發(fā)生整體剪切破壞，造成地基失穩(wěn)。在防治處理時，須厘清影響因素對溶陷變形的作用規(guī)律，切實防范各影響因素對溶陷變形的影響，采取防止鹽分流失、防水防滲等措施，保證已有塔基地質(zhì)和水環(huán)境的長期穩(wěn)定；同時，線路改遷若繼續(xù)采用“高墊淺埋”方案，應(yīng)有效增加基礎(chǔ)埋深或地基處理深度，使基礎(chǔ)處于相對穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境中，同時控制好回填土的壓實質(zhì)量，并嚴格做好基面和高墊邊坡的防水、防滲措施，才能有效防范溶陷災(zāi)害對地基穩(wěn)定的再次影響。此外，應(yīng)加強新型處理技術(shù)的研究，以達到最佳的防治效果，保障電網(wǎng)正常穩(wěn)定運行。