折多山寒冻风化特征及输电工程建议

折多山寒冻风化特征及输电工程建议

鄢林1,赵云川1,李东升1,李东龙1 ,刘杰1 ,饶传友1

四川电力设计咨询有限责任公司，四川　成都　610041

摘  要：为服务西南山区电力外送，需要建设特高压输电线路工程，为了避让已有电力线路、军事设施等，在原有地质条件复杂的地区，亦须论证建设的可行性及风险，同时在西南山区寒冻风化明显的山区进行特高压输电线路的建设尚无先例；鉴于上述原因，本文结合甘孜～天府南1100千伏线路工程及国内冰川调查及研究的文献资料，测量了斜坡的坡度及调查了斜坡的变形特征，计算得出了某场地山体东西两侧的风化剥蚀速度、石河的移动速度；并结合寒冻风化导致的不良地质作用特征、输电工程铁塔基础特性及块石的物理力学性能等，提出选址原则及工程措施建议。

关键词：寒冻风化；风化剥蚀速度；移动速度；输电线路

The characteristics of cold and frost weathering and suggestions for transmission line engineering in Zigzag mountain

Yan lin1，Zhao yunchuan1，Li dongshen 1,  Li donglong 1, Liu jie 1 ,  Rao chuanyou1

(1. Sichuan Electric Power Design Consulting Co., Ltd，Chengdu Sichuan 610041，China)

Abstract：In order to serve power transmission in southwest mountainous areas, it is necessary to build UHV transmission line projects，In order to avoid the existing power lines, military facilities, etc., The feasibility and risk of the construction should also be demonstrated in areas with complex geological conditions，At the same time, there is no precedent for the construction of UHV transmission lines in the mountainous areas of southwest China where winter weathering is obvious；For the above reasons, based on the 1100 kV line project from Ganzi to the south of Tianfu and literatures of glacier investigation and research in China, The slope of the slope is measured and its deformation characteristics are investigated, according to field investigation and satellite image data, and the weathering denudation velocity and the moving velocity of rock river were calculated. Combined with the adverse geological characteristics caused by winter weathering, the foundation characteristics of transmission tower and the physical and mechanical properties of block stone, the site selection principles and engineering measures are proposed.

Key words：the frost weathering；the weathering denudation velocity；the moving velocity；the power line

中图分类号： TV223.3               文献标识码：文章编号：

0  引  言

为了服务西南山区水电资源开发、新能源建设电力外送，及改善城市化进程下对电力的需求，需要建设特高压输电线路工程，为了避让已有电力线路、风景区、自然保护区、水源地、矿产资源、军事设施、地震台站等，输电线路工程的建设条件及难度越来越大，在原有地形条件凌乱、地质条件复杂的地区，亦须论证建设的可行性及风险，同时在西南山区

寒冻风化明显的山区进行特高压输电线路的建设尚没有先例，其他等级的线路工程在这样的场地条件下建设也很少；甘孜-天府南1100千伏输电线路工程是连接四川、重庆地区形成川渝1100千伏环网的关键线路；该线路要穿越折多山海拔4000～4650m地带，设计覆冰厚度20mm~30mm不等，属于高海拔重冰区线路工程；受寒冻风化作用，路径区域地形破碎且凌乱，有大量的碎屑坡、少量的石海、角峰、刀刃等地貌形态，如何合理的进行线路路径规划及进行塔基处理尚没有成熟的工程经验及规范要求；鉴于此，需要进行现场调查及分析，以判断适宜的建设场地条件特征并进行合理的选线设计工作，以降低工程投资及确保工程建设及运行安全；可供同类工程参考。

1 工程概况

工程穿越折多山寒冻风化区域处于北纬30.06°，东经101.82～101.92°，山脊海拔4300～4650m，区域无多年冻土，最大季节冻土深度约1.2m，森林分布上限约4150m。

折多山为大雪山一脉，山势呈南北走向，整体北高南低；区域气候具垂直分带性，气温随高度的增加而降低，高程在650～2000m间降雨量随高度的增加而减少，高程2000m或以上降雨量随高度增加而增加；折多山以东属亚热带季风气候、以西属高原气候；工程区最冷月平均气温-12.1℃，极端气温-40℃，平均气温-1℃～0.5℃。

折多山地区寒冻风化明显，同时线路区域先后穿越了鲜水河断裂带之折多塘断裂、木哥措南断裂、色哈拉断裂、雅拉河断裂；区域地层结构破碎，地下水受地形及构造裂隙影响，不良地质作用发育。

2冰碛物及冰期分析

折多山以东发现的冰碛物的地层结构主要为两层，一层为花岗岩块石架空堆积、堆积块石棱角明显，厚度0～10m不等，块体直径20～800cm不等，主要分布在斜坡及斜坡外的平台地带，有水流区域形成石河形态堆积，下限海拔高度约4150m，这一调查结果与冰缘地区下界所处的海拔高度被称为冻融侵蚀下界海拔( 李智广等，2012)所提出的计算公式计算值4090m接近，同时与川西北高原的地貌垂直地带性与寒冻夷平面[2]也基本一致。

式中: h 为冻融侵蚀下界海拔(m)；X为纬度(°)；Y 为经度(°)。

另一层为中粗砂完全充填块石，块石棱角不明显，厚度变化较大，0～60m不等，块体2～500cm不等，下限海拔高度约3650m，主要在斜坡及沟谷内分布；根据文献[1、2]可知，全新世以来的一万年中，气候冷暖变化而导致的冰川进退变化有四次，分别发生于7800年、5300年、2800年和400年以前，而第三次冰期持续时间达900年，地层结构的分层性，并考虑岩石风化成土的速度，正好可以和冰期联系，堆积的架空块石应该是现代小冰期形成的，局部块石上有少量植被且具架空结构的为全新世以来的其他3次冰期形成；而填充良好的碎块石土应该是晚冰期或望峰冰期形成。

3 地形形态、山体剥蚀及岩屑移动

折多山东侧受寒冻风化、区域地壳抬升、花岗岩岩性及陡倾构造层理等影响，地形坡度大于25°的区域主要为岩墙-岩屑坡（岩屑坡）[3]，地形坡度小于25°的区域主要为残积覆盖的融冻堆积物。

    岩墙-岩屑坡：岩墙坡度60～85°，岩墙节理基岩裂隙发育，在冻融作用下具备向下崩塌的危险；崩塌物质主要以垂直掉落为主，并跌落在岩屑坡上破碎；现场量测岩屑坡坡度普遍20～35°，岩屑坡在水力及重力条件下具备向下蠕动特性。在本工程路径区，西侧的岩屑物质总量大于东侧，北侧的岩屑物质总量与南侧基本一致。

融冻堆积物：融冻堆积物在20°及以下的斜坡或平地上，裂隙发育，冻融裂隙具一定的方向性，场地东西侧坡的融冻堆积物总量差异不大，在有水力条件下，个别具备顺坡蠕动特征，但蠕动不明显。

石河：地形坡度0～10°，在有地下水区域，地面形态形成似流动状态的块石堆积体，堆积体有流动形态，由于块石堆积体的架空厉害、孔隙率大（40%～60%），块石堆积体内全部充填水并结冰的可能性小，石河的移动能力弱，假设考虑架空块石堆积体均是在400年内形成并移动，那么现场所观测的块石堆积体最为明显的移动距离也仅为100m左右，平均每年的移动距离也仅为0.25cm；当然另一石河前段斜坡坡度约15°，当流动在凹槽缓坡平地区域后，石河失去大量移动的能力，在现场堆积，从石河的形态和移动形态判断，块石主要以冻胀移动为主，局部前沿及表层块石在融化时具备翻滚特性，但能力均较弱。

在粗颗粒岩屑表面不会出现流变蠕动，但在温度和冻融的季节性变化，可以引起个别季节性蠕动，寒冷条件下的岩屑移动观测表面，因暴雨时粗质地表面的冲刷过程引起的移动很少，但整个地面的移动可达到每年10cm[3]，这样的移动，主要是冻融作用下，斜坡岩屑接触点的摩擦及粘结力下降，导致似浅表层溜滑的蠕变形态；但这样的蠕变在现场地质调查中，未发现形成规模较大快速滑动变形形态。

一定时期内岩屑和斜坡的整体剥蚀速度，应该是斜坡下的堆积物质总量和揭露面积的关系，现场调查了输电线路

J1R017铁塔场地西侧和东侧的岩屑剥蚀堆积情况，场地西侧剥蚀堆积的岩屑厚度2～10m，堆积面积约33万m3，场地东侧的岩屑厚度0～8m，堆积面积约11.9万m3，场地东侧的斜坡坡度40～80°不等，平均坡度约50°，场地西侧斜坡坡度25～40°不等，平均坡度约30°，计算场地西侧斜坡坡面面积约22.3万m3，场地东侧斜坡坡面面积约28.0万m3，若考虑这些松散块石堆积体均是现代小冰期时期形成，那么场地西侧斜坡的年均剥蚀速度为1.7cm，场地东侧斜坡的年均剥蚀速度为0.3cm；这样的剥蚀计算结果量级与相关文献监测及计算成果基本一致。

表1 剥蚀速度对比表

当然，当有岩墙存在的情况，基岩内赋存垂直裂隙，岩体在冻融作用下导致山体崩塌后退的速度均会较快。

4 寒冻风化对输电线路基础的影响及分析

折多山东侧线路路径区寒冻风化形成的岩屑坡、危岩、崩塌及石河等不良地质现象，将对输电线路基础工程产生诸多不利影响。

架空未充填斜坡岩屑具备蠕变及移动的特性，当铁塔采用独立基础时，可能导致各基础的不均匀水平及沉降变形，当铁塔采用桩基础时，桩基础可能受到堆积体的水平压力，这个土压力的大小受斜坡的坡度、块石堆积体的厚度、堆积体块石的块体尺寸、坡体长度等影响，从前述现场两侧的块石堆积体的斜坡坡度在15°的情况下，斜坡发生蠕动可能性很小，那么可界定冻融条件块石堆积体的临界稳定等效角度约15°，而块石的堆积坡度20～35°具备蠕动风险；因此若无地下水影响，基岩埋深较浅，块石厚度不大（2～4m），且斜坡坡度在15°以内的情况下，斜坡块石不会对桩基础产生不利影响；当斜坡坡度在20～35°的时候，在采用桩基础的时候应考虑斜坡块石产生的水平力的影响。

石河松散堆积体主要位于有地下水条件的平缓的地方，石河具向前移动特性，根据前述石河的年均移动速度约0.25m/年，那么考虑本工程的设计年限为100年，建议避让石河前缘的距离宜为25m；考虑1980年以来国内气温的升高等影响，从卫星资料观测石河并未发生明显的移动，且石河的移动主要是冻胀移动及块石滚动，那么在石河前缘立塔可适当避让5～10m，对基础采取结构措施，并将石河前缘的块石堆积体削坡为35°，定期清理石河滚落的块石；当在石河内立塔，和块石堆积体一样，考虑石河一般坡度均较小，当采用桩基础时，应考虑冻结冰对桩基础的冻胀作用。

危岩及崩塌主要危及斜坡及坡下立塔安全，由于本区域斜坡堆积体块体均较大，因此危岩和崩塌的块石移动的距离均不大，小于0.5倍山体高度，但是考虑该区域构造作用强烈，在动力地质作用下，坡度大于35°的斜坡块体或凸出松散块体具备滚动风险，建议输电线路在该区域斜坡及高陡危岩下方立塔应采用谨慎避让原则。

山体剥蚀导致基岩山体后退对铁塔场地的影响，主要是避让距离的问题，如前述的J1R017铁塔场地，场地西侧斜坡约50°，剥蚀速度约1.7cm/年，考虑工程设计周期为100年计算，剥蚀导致边坡往铁塔场地的平均移动距离约1.7m，考虑为了工程建设的安全，根据国外岩土工程习惯，采用3的安全系数，因此在这样的地方立塔，当采用浅基础时应考虑剥蚀导致坡体后退的影响，建议采用深基础，并避让剥蚀严重侧斜坡5～10m；当然，当铁塔场地一侧为高陡斜坡或悬崖时，铁塔基础避让的距离宜在常规以破裂角计算的避让距离上，适当加大。

融冻堆积物区域是在冻融作用下原地堆积的碎块石，当斜坡坡度小于15°时，该类块石不具蠕变及移动特性，铁塔位于该区域时，可采用深基础穿越该类堆积体，部分危及施工安全的块石宜清除，当斜坡坡度20～35°时，当堆积物有临空面时，应考虑蠕变对铁塔基础的影响。

5寒冻风化塔基的选址原则

根据前述分析对折多山地区的寒冻风化特征等的分析，并结合类似线路工程经验[8、9]，在该类区域的选址原则为：

（1）在基岩裸露的山区，塔基应优先选择在结构整体性较好的基岩上，当处于高陡悬崖边上，应调查基岩结构及裂隙发育情况，避让距离应大于破裂角计算的影响范围；部分铁塔为斜坡坡度较大的山梁或山脊，应考虑寒冻剥蚀的影响，建议在坡度较缓、寒冻剥蚀较弱的一侧立塔，避让剥蚀较严重一侧的距离宜为5～10m，当无法避让时可采取坡面封闭或灌浆等措施，降低风化剥蚀的速度；本工程建议优先选择在东侧斜坡立塔；

（2）在冰川堆积物上布设塔基时，应优先选择在年代久远，表层植被发育，孔隙被细颗粒充填且密实度较高的堆积体。

（3）在松散堆积物边界附近立塔，应尽量将塔基布设于松散堆积物外，宜尽量选择地势较高的区域，防止堆积物移动及滚落危及塔基的安全；当无相对较高的地势时，应估计松散堆积物移动对塔基场地的影响，建议采取避让措施，或采取基础结构加强及定期的观测及维护等措施。

（4）坡度较缓的融冻堆积物区域可做为立塔场地，当坡度较陡时且有水力条件时，应考虑蠕变对铁塔基础的作用。

（5）当需要在坡度较缓石河或松散块石堆积体且地下水位较浅的情况下内立塔，应考虑冻结冰对桩基础的冻胀的影响。

（6）当无法避免在斜坡上立塔时，建议优选松散块石堆积体厚度不大，上坡侧坡体不长，斜坡坡度不大，且无其他不良地质作用的地方立塔，在该类场地立塔应进行详细的勘察，分析基础可能受到的水平作用力，并根据勘察和计算分析结果采取适宜的基础。

（7）当个别铁塔场地无法避免在滚石影响区域立塔时，应在基础上方修筑拦石墙、落石槽、挡石网等防护设施。

6  结  语

本文通过对折多山东侧的寒冻风化的调查分析，并结合输电线路工程的特点及相关文献资料，得出以下结论及建议：

    （1）折多山东侧冻融风化下限海拔约4150m，主要的地貌形态为岩墙-岩屑坡及岩屑堆积体；1R017铁塔场地西侧的年平均剥蚀速度为1.7cm，场地东侧的年平均剥蚀速度为0.3cm。

    （2）寒冻风化区域铁塔场地的选择原则以优先选择基岩裸露且岩体整体性较好的基岩，次为充填较好的堆积体，再次为坡度较缓的剥蚀堆积体；当需要在坡度较缓的石河前缘立塔时，应评估石河的移动能力及对铁塔场地安全的潜在风险，采取适宜的工程措施及监测维护；

    （3）当无法避免在斜坡松散堆积体立塔时，建议优选松散块石堆积体厚度不大，上坡侧坡体不长，斜坡坡度不大，在该类场地立塔应进行详细的勘察，分析基础可能受到的水平作用力，并根据勘察和计算分析结果采取适宜的基础。

    （4）施工结束后，建议对寒冻风化区的斜坡塔基进行监测和预警，做到定期跟踪，防患于未然。

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