陳 曉 鋒

(四川電力設(shè)計咨詢有限責任公司， 四川 成都 610041)

0 前 言

關(guān)中平原位于陜西省中部，系地塹式構(gòu)造平原，該地區(qū)自然、經(jīng)濟條件優(yōu)越，是我國工農(nóng)業(yè)和文化發(fā)達地區(qū)之一。昌吉-古泉±1 100 kV直流特高壓輸電線路穿越了濕陷黃土廣泛分布的陜西關(guān)中平原地區(qū)。該地區(qū)是中國濕陷性黃土分布最具特點和代表性的區(qū)域之一，黃土分布范圍廣泛，濕陷等級高、濕陷破壞嚴重。濕陷性破壞是黃土區(qū)工程建設(shè)中所面臨的難題之一。由于大型輸電線路對輸電鐵塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高，為了能夠準確科學地進行施工設(shè)計，地質(zhì)勘察和試驗顯得非常關(guān)鍵。

本文基于該工程勘察，分段對昌吉-古泉±1 100 kV直流特高壓輸電線路沿線關(guān)中平原段濕陷性黃土的物理特性與濕陷性進行分析，對黃土的濕陷等級及界限進行評價，同時對黃土的干密度、孔隙比、天然含水量和塑性指標等，隨黃土深度對濕陷性的影響進行分析，分析結(jié)果可以為該地區(qū)工程建設(shè)提供參考數(shù)據(jù)。

1 工程概況

昌吉-古泉±1 100 kV直流特高壓輸電線路目前是世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠、技術(shù)水平最先進的特高壓輸電工程。線路途經(jīng)新甘寧陜豫皖6省(區(qū))，全長3 324 km。該線路第10包段穿越了關(guān)中平原及秦嶺山區(qū)，其中關(guān)中平原段長度約92 km，位于陜西省渭南市臨渭區(qū)和富平縣。平原段黃土分布地段長度約80 km。

線路勘測期間針對典型濕陷性黃土布置了探井與鉆探，探井采取用機械洛陽鏟，探井深度13～25 m，每一米深度采取原狀土樣，鉆探采用DPP-100型車載回旋鉆機，地下水位以上采用無水螺紋鉆探，取樣采用帶內(nèi)襯的黃土薄壁取土器，連續(xù)勻速壓入，地下水位以上每一米深度采取原狀土樣，進行室內(nèi)土工試驗，主要研究其物理性質(zhì)及濕陷性。

2 黃土地貌特征及分布特點

本段線路地處我國濕陷性黃土工程地質(zhì)分區(qū)中的關(guān)中地區(qū)，沿線地區(qū)地貌類型較復雜，黃土厚度變化較大，總體趨勢是以渭河為界，渭河南北岸的臺塬上黃土深厚，靠近渭河階地黃土厚度逐漸變薄。

(1)渭北黃土塬：從齊村鄉(xiāng)北至張橋鎮(zhèn)西(塔號N6451-N6502)，長度約27 km，為平緩黃土塬，受黃土塬基底地塹、地壘構(gòu)造的控制和活動，塬面常呈現(xiàn)出條狀洼地和梁狀壟崗。高程在410～570 m，由南向北傾斜。地表廣泛分布馬蘭黃土，疏松多孔，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，蟲孔根系多見，常夾有一層或多層棕紅色的古土壤，局部含有鈣質(zhì)結(jié)核層，層厚一般大于20 m。

(2)渭河沖積平原：分布在張橋鎮(zhèn)至張嶺村(塔號N6503-N6663，其中N6566-N6634為空號)，長度約為47 km，線路高程340～410 m。線路在該段跨越渭河，其中渭河河堤寬約2.3 km，由第四系全新統(tǒng)沖積粉土、粉質(zhì)黏土和砂層組成，無黃土分布。渭河階地廣泛分布于渭河北岸，渭河南岸階面十分狹窄。渭河階地黃土主要由第四系的黃土狀土組成，土質(zhì)不均，松散，常含較多砂粒、蟲孔及植物根系，層厚一般2～15 m，在三級階地上，為馬蘭黃土，其厚度大于20 m。

(3)渭南黃土臺塬：分布于渭河南岸張家?guī)X至北王堡(塔號N6664-N6686)，長度約12 km。渭南黃土塬較渭北狹窄，分布也不連續(xù)，在山前常被河谷或溝壑切割成梁塬，在局部地段黃土塬消失而被洪積扇取代，臺面不完整，塬頂面高程多在670～680 m，而在臺塬的邊緣，多為沖溝切割成條狀臺地，臺塬與河谷高差300 m左右。地表廣泛分布馬蘭黃土，層厚一般大于30 m。

3 沿線黃土的物理性質(zhì)及特征

3.1 粒度組成

關(guān)中地區(qū)黃土的粒徑基本上小于0.25 mm，且以粉土顆粒(0.5～0.005 mm)為主，其平均含量大于50%，粒度組成見表1[1]。

表1 關(guān)中地區(qū)黃土的粒度組成

沿線黃土的顆粒組成見圖1。根據(jù)試驗結(jié)果顯示線路區(qū)域黃土以粉質(zhì)黏土為主，黃土基本上由0.075 mm以下的顆粒組成，且以粉土顆粒為主，其含量平均值大于70%，這與前述資料一致。在關(guān)中平原的南北兩端的黃土塬上黏粒含量高，而在中部的階地上，黏粒含量逐漸減小，砂粒含量增高。

3.2 物理性質(zhì)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗[2]，不同地貌類型的黃土物理性質(zhì)試驗結(jié)果如表2所示。

(a)黃土塬段

(b)渭河階地段

地段含水量ω/%天然密度ρ0/g·cm-3干密度ρd/g·cm-3孔隙比e飽和度Sr/%液限ωL/%塑限ωP/%塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL渭北塬(水位以上)20.01.621.351.01055.629.017.711.30.20渭北塬(水位以下)25.11.911.530.77288.529.617.011.70.60渭河階地黃土狀土20.51.751.420.87066.928.617.511.10.29渭南塬16.91.511.291.11142.728.817.611.2-0.07

由表2可知，關(guān)中平原地區(qū)黃土塑性指數(shù)在11左右，以粉質(zhì)黏土為主，普遍具有較大的孔隙比，黃土的塑性指標差別不大，渭河階地段的黃土由于地下水位較淺，黃土中含水量普遍較高，而渭河南岸黃土由于地勢相對較高，其含水量較小，液性指數(shù)較低，普遍為硬塑-堅硬狀，力學性能較渭北黃土好。

3.3 物理力學指標隨深度的變化

3.3.1 干密度隨深度的變化

干密度隨探井(鉆孔)深度的變化如圖2所示。從圖2分段統(tǒng)計看：干密度隨探井(鉆孔)深度的增加而增大，渭北黃土塬的黃土干密度要略大于渭南黃土塬的黃土，而階地上的黃土狀土干密度要大于黃土塬上的黃土。由圖2可以看出，渭北黃土塬，上部8 m內(nèi)的黃土層干密度多在1.1～1.3 g/cm3，渭河階地上由于地下水位淺，黃土狀土干密度相對較大，土層埋深在0～3 m內(nèi)的干密度變化較大，而下部土層變化范圍趨于穩(wěn)定；對渭南黃土塬，上部5 m黃土干密度較小，多在1.1～1.2 g/cm3，在土層埋深13～17 m段干密度會突然增大，隨后隨深度增加又會降低。

3.3.2 孔隙比隨深度的變化

天然孔隙比也是黃土濕陷性的內(nèi)在指標之一，工程沿線地段天然孔隙比隨深度變化如圖3所示。從圖3可以看出：總體上天然孔隙比隨深度增加而變小，渭南濕陷嚴重的地區(qū)天然孔隙比大，其范圍是0.85～1.5，特別是上部5 m內(nèi)土層孔隙比大，在土層深度12～18 m深度范圍內(nèi)孔隙比會減小后又逐漸隨深度增大；渭北塬中等濕陷的地區(qū)天然孔隙比較小，其范圍是0.65～1.4，土層埋深在0～8 m內(nèi)的干密度多在1.1～1.3，至埋深8 m后，孔隙比緩慢變??；而渭河低階地上非自重濕陷的地區(qū)由于地下水位淺，黃土狀土孔隙比較小，其范圍是0.65～1.15，渭河階地上土層埋深在0～3 m內(nèi)的干密度多在0.8～1.1間，至埋深3 m后，變化范圍趨于穩(wěn)定。然而，也有不少黃土試樣的天然孔隙比在嚴重濕陷的范圍內(nèi)或天然孔隙比在輕微濕陷范圍內(nèi)，但試驗檢測濕陷等級差別較大，這可能與黃土的顆粒組成、干容重和化學成分等有關(guān)。同時可以看出，黃土塬上7～8 m以上黃土層、渭河階地3 m以上的黃土狀土層天然孔隙比一般在1.0以上，因此設(shè)計施工時要引起注意。

對比圖2與圖3可以發(fā)現(xiàn)，天然孔隙比與深度的變化規(guī)律和干密度與深度的變化規(guī)律相似。

3.3.3 濕陷系數(shù)隨深度的變化

由于渭北階地上的黃土以非自重濕陷為主，且濕陷厚度較小，這里主要對渭北黃土塬及渭南黃土塬的黃土濕陷系數(shù)與深度的變化進行分析。濕陷系數(shù)隨探井(鉆孔)深度的變化如圖4所示。從圖4可以看出：在渭北塬上，土層濕陷系數(shù)略小，總的趨勢是濕陷性隨深度的增加而減小，一般在13～18 m下，濕陷系數(shù)就小于0.015，基本不具備濕陷性了。當然這也和部分地段地下水位較淺有關(guān)；而渭南黃土塬線路段濕陷系數(shù)明顯較大，特別是上部0～8 m，濕陷系數(shù)在0.05～0.09左右，濕陷性為中等～強烈，在8～25 m段的土層內(nèi)，濕陷系數(shù)大多仍在0.03左右，可見，渭南黃土塬的黃土不僅濕陷性較強烈，且濕陷厚度大。

(a)渭北黃土塬

(b)渭河階地

(a)渭北黃土塬

(b)渭河階地

(c)渭南黃土塬

3.3.4 濕陷系數(shù)與干密度的關(guān)系

由圖5可見，濕陷系數(shù)與干密度的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.786。從圖5看出：濕陷系數(shù)隨干密度按對數(shù)關(guān)系衰減，當干密度大于1.46 g/m3時，一般不具有濕陷性，具有濕陷性的黃土干密度多集中在1.2～1.4 g/m3。

(a)渭北黃土塬

(b)渭南黃土塬

圖5 濕陷系數(shù)與干密度關(guān)系

3.3.5 濕陷系數(shù)與孔隙比的關(guān)系

從圖6可以看出，濕陷系數(shù)隨孔隙比按線性關(guān)系遞增，當孔隙比大于1.0時，濕陷系數(shù)較大，在0.03～0.09之間；當孔隙比小于0.9時，濕陷系數(shù)一般小于0.015，不具有濕陷性。

在全新世與晚更新世黃土的科研和工程實踐中認為：孔隙比在1.1以上的黃土具有強烈濕陷性，孔隙比小于0.800的黃土一般不具有濕陷性[5-6]，與本文研究結(jié)果相似。

3.3.6 濕陷系數(shù)與天然含水量的關(guān)系

黃土由于其特殊的形成條件，天然狀態(tài)下的濕度一般較低。線路區(qū)段關(guān)中平原地區(qū)的黃土天然含水量與濕陷性關(guān)系如圖7。從圖中可以看到，濕陷系數(shù)與天然含水量的關(guān)系并不密切，相關(guān)性較低，但總體上濕陷系數(shù)隨天然含水量的增大而減小。根據(jù)統(tǒng)計資料表明：在潼關(guān)地區(qū)ω>19.3%，西安地區(qū)ω>24%，咸陽地區(qū)ω>29%時，濕陷性微弱，故在關(guān)中地區(qū)，可以認為ω>30%時，基本上可以不用考慮濕陷性[7]。

4 黃土濕陷性等級分析評價

為了評價本段線路的黃土的濕陷性特征，本階段根據(jù)不同地貌單元，采取探井與鉆探相結(jié)合，孔深一般在13～25 m，按豎向間距1.0 m取原狀土樣進行室內(nèi)試驗。依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)，對沿線地基巖土進行濕陷性評價。自重濕陷量計算值ΔZS自天然地面算起，修正系數(shù)β0關(guān)中平原地區(qū)取0.9，濕陷量的計算值自地面下1.5 m算起，修正系數(shù)β，基底下0～5 m，β=1.5，深度5.0～10.0 m以內(nèi)取β=1.0，深度10.0 m以下β取地區(qū)土質(zhì)修正系數(shù)即0.9。評價結(jié)果見表4。

圖6 濕陷系數(shù)與孔隙比關(guān)系

塔號深度/m自重濕陷量ΔZS/mm濕陷量Δs/mm濕陷下限深度/m濕陷類型及等級N645120331.0423.918自重濕陷,Ⅱ級(中等)N645520375.2550.819自重濕陷,Ⅲ級(嚴重) N646314235.9371.413自重濕陷,Ⅱ級(中等)N647118227.0415.611自重濕陷,Ⅱ級(中等)N647720332.9354.218自重濕陷,Ⅱ級(中等)N649120224.4395.613自重濕陷,Ⅱ級(中等)N649625123.3267.69自重濕陷,Ⅱ級(中等)N650020402.4471.716自重濕陷,Ⅲ級(嚴重)N65032581.7128.16自重濕陷,Ⅱ級(中等)N651220146.1226.612自重濕陷,Ⅱ級(中等)N65232294.5102.26自重濕陷,Ⅱ級(中等)N65282573.2123.86自重濕陷,Ⅱ級(中等)N6530～ N655820～250～19.84.2～1252～4非自重濕陷,Ⅰ級(輕微)N656525164.1281.69自重濕陷,Ⅱ級(中等) N66372278.349.55自重濕陷,Ⅱ級(中等) N6640～ N6662200～56.151～169.51～4非自重濕陷,Ⅰ級(輕微)N666514370.9654.313自重濕陷,Ⅲ級(嚴重) N666825512.0796.1>25自重濕陷,Ⅳ(很嚴重)N667025509.0870.9>25自重濕陷,Ⅳ(很嚴重)N667325588.3946.3>25自重濕陷,Ⅳ(很嚴重)N667625603.8972.4>25自重濕陷,Ⅳ(很嚴重)N668225469.4757.8>25自重濕陷,Ⅳ(很嚴重)N668620109.8197.411自重濕陷,Ⅱ級(中等)

由表4可以看出，在渭北黃土塬以Ⅱ級自重濕陷為主，濕陷下限深度由北向南逐漸變小，在渭河Ⅱ級階地上以Ⅰ級非自重濕陷黃土為主，而在渭河Ⅰ級階地上多為非濕陷性黃土，在渭南黃土塬上以Ⅳ級自重濕陷為主，濕陷下限深度普遍超過 25 m。

5 結(jié) 語

(1)沿線地貌類型復雜多樣，黃土性質(zhì)差別較大，這主要和黃土的成因類型、地貌類型、地下水條件等有關(guān)。整體來說在渭河低階地上以黃土狀土及非濕陷性土為主，黃土厚度較小，在高階地及黃土塬上為自重濕陷黃土，黃土深厚。

(2)沿線黃土濕陷性總的趨勢是隨深度的增加而減小?，F(xiàn)場勘察和土工試驗結(jié)果也表明，關(guān)中平原線路段黃土主要以粉質(zhì)黏土黃土、及黃土狀土為主，天然孔隙比大。

(3)通過分析可以看出：線路區(qū)域的黃土濕陷性主要與孔隙比、干密度有關(guān)，天然孔隙比越大，干密度越小，濕陷性越大。本文分別統(tǒng)計分析了關(guān)中地區(qū)黃土自重性濕陷系數(shù)與黃土干密度、孔隙比之間的關(guān)系，并建立了經(jīng)驗公式，有利于該地區(qū)黃土自重性濕陷性量計算及快速判斷。

(4)該工程沿線的黃土自北向南由Ⅱ級自重濕陷黃土場地向Ⅰ級非自重濕陷性黃土、非濕陷性土、Ⅳ級自重濕陷性黃土場地轉(zhuǎn)變，在渭河低階地上濕陷性弱，濕陷界線較小，一般3～8 m，在渭河高階地及黃土塬上，黃土濕陷性較強，濕陷深度較深，其中渭南黃土塬黃土濕陷強烈，濕陷深度普遍超過 25 m。應(yīng)特別注意渭河南北兩岸的黃土塬上黃土性質(zhì)差異較為明顯，這可能與黃土的成分及成因類型有關(guān)。

由于黃土濕陷性機理復雜，與成因、分布區(qū)域、黃土的物理特性以及黃土化學組成等聯(lián)系緊密，濕陷性與各物理特性指標存在較大差異，這些差異是黃土區(qū)域性特點的反映。