某±1 100 kV直流特高压输电线路 关中平原段黄土特性分析

陈 晓 锋

(四川电力设计咨询有限责任公司， 四川 成都 610041)

0 前 言

关中平原位于陕西省中部，系地堑式构造平原，该地区自然、经济条件优越，是我国工农业和文化发达地区之一。昌吉-古泉±1 100 kV直流特高压输电线路穿越了湿陷黄土广泛分布的陕西关中平原地区。该地区是中国湿陷性黄土分布最具特点和代表性的区域之一，黄土分布范围广泛，湿陷等级高、湿陷破坏严重。湿陷性破坏是黄土区工程建设中所面临的难题之一。由于大型输电线路对输电铁塔基础的稳定性要求较高，为了能够准确科学地进行施工设计，地质勘察和试验显得非常关键。

本文基于该工程勘察，分段对昌吉-古泉±1 100 kV直流特高压输电线路沿线关中平原段湿陷性黄土的物理特性与湿陷性进行分析，对黄土的湿陷等级及界限进行评价，同时对黄土的干密度、孔隙比、天然含水量和塑性指标等，随黄土深度对湿陷性的影响进行分析，分析结果可以为该地区工程建设提供参考数据。

1 工程概况

昌吉-古泉±1 100 kV直流特高压输电线路目前是世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。线路途经新甘宁陕豫皖6省(区)，全长3 324 km。该线路第10包段穿越了关中平原及秦岭山区，其中关中平原段长度约92 km，位于陕西省渭南市临渭区和富平县。平原段黄土分布地段长度约80 km。

线路勘测期间针对典型湿陷性黄土布置了探井与钻探，探井采取用机械洛阳铲，探井深度13～25 m，每一米深度采取原状土样，钻探采用DPP-100型车载回旋钻机，地下水位以上采用无水螺纹钻探，取样采用带内衬的黄土薄壁取土器，连续匀速压入，地下水位以上每一米深度采取原状土样，进行室内土工试验，主要研究其物理性质及湿陷性。

2 黄土地貌特征及分布特点

本段线路地处我国湿陷性黄土工程地质分区中的关中地区，沿线地区地貌类型较复杂，黄土厚度变化较大，总体趋势是以渭河为界，渭河南北岸的台塬上黄土深厚，靠近渭河阶地黄土厚度逐渐变薄。

(1)渭北黄土塬：从齐村乡北至张桥镇西(塔号N6451-N6502)，长度约27 km，为平缓黄土塬，受黄土塬基底地堑、地垒构造的控制和活动，塬面常呈现出条状洼地和梁状垄岗。高程在410～570 m，由南向北倾斜。地表广泛分布马兰黄土，疏松多孔，具大孔隙，垂直节理发育，虫孔根系多见，常夹有一层或多层棕红色的古土壤，局部含有钙质结核层，层厚一般大于20 m。

(2)渭河冲积平原：分布在张桥镇至张岭村(塔号N6503-N6663，其中N6566-N6634为空号)，长度约为47 km，线路高程340～410 m。线路在该段跨越渭河，其中渭河河堤宽约2.3 km，由第四系全新统冲积粉土、粉质黏土和砂层组成，无黄土分布。渭河阶地广泛分布于渭河北岸，渭河南岸阶面十分狭窄。渭河阶地黄土主要由第四系的黄土状土组成，土质不均，松散，常含较多砂粒、虫孔及植物根系，层厚一般2～15 m，在三级阶地上，为马兰黄土，其厚度大于20 m。

(3)渭南黄土台塬：分布于渭河南岸张家岭至北王堡(塔号N6664-N6686)，长度约12 km。渭南黄土塬较渭北狭窄，分布也不连续，在山前常被河谷或沟壑切割成梁塬，在局部地段黄土塬消失而被洪积扇取代，台面不完整，塬顶面高程多在670～680 m，而在台塬的边缘，多为冲沟切割成条状台地，台塬与河谷高差300 m左右。地表广泛分布马兰黄土，层厚一般大于30 m。

3 沿线黄土的物理性质及特征

3.1 粒度组成

关中地区黄土的粒径基本上小于0.25 mm，且以粉土颗粒(0.5～0.005 mm)为主，其平均含量大于50%，粒度组成见表1[1]。

表1 关中地区黄土的粒度组成

沿线黄土的颗粒组成见图1。根据试验结果显示线路区域黄土以粉质黏土为主，黄土基本上由0.075 mm以下的颗粒组成，且以粉土颗粒为主，其含量平均值大于70%，这与前述资料一致。在关中平原的南北两端的黄土塬上黏粒含量高，而在中部的阶地上，黏粒含量逐渐减小，砂粒含量增高。

3.2 物理性质

根据室内土工试验[2]，不同地貌类型的黄土物理性质试验结果如表2所示。

(a)黄土塬段

(b)渭河阶地段

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饱和度Sr/%液限ωL/%塑限ωP/%塑性指数IP液性指数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渭河阶地黄土状土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，关中平原地区黄土塑性指数在11左右，以粉质黏土为主，普遍具有较大的孔隙比，黄土的塑性指标差别不大，渭河阶地段的黄土由于地下水位较浅，黄土中含水量普遍较高，而渭河南岸黄土由于地势相对较高，其含水量较小，液性指数较低，普遍为硬塑-坚硬状，力学性能较渭北黄土好。

3.3 物理力学指标随深度的变化

3.3.1 干密度随深度的变化

干密度随探井(钻孔)深度的变化如图2所示。从图2分段统计看：干密度随探井(钻孔)深度的增加而增大，渭北黄土塬的黄土干密度要略大于渭南黄土塬的黄土，而阶地上的黄土状土干密度要大于黄土塬上的黄土。由图2可以看出，渭北黄土塬，上部8 m内的黄土层干密度多在1.1～1.3 g/cm3，渭河阶地上由于地下水位浅，黄土状土干密度相对较大，土层埋深在0～3 m内的干密度变化较大，而下部土层变化范围趋于稳定；对渭南黄土塬，上部5 m黄土干密度较小，多在1.1～1.2 g/cm3，在土层埋深13～17 m段干密度会突然增大，随后随深度增加又会降低。

3.3.2 孔隙比随深度的变化

天然孔隙比也是黄土湿陷性的内在指标之一，工程沿线地段天然孔隙比随深度变化如图3所示。从图3可以看出：总体上天然孔隙比随深度增加而变小，渭南湿陷严重的地区天然孔隙比大，其范围是0.85～1.5，特别是上部5 m内土层孔隙比大，在土层深度12～18 m深度范围内孔隙比会减小后又逐渐随深度增大；渭北塬中等湿陷的地区天然孔隙比较小，其范围是0.65～1.4，土层埋深在0～8 m内的干密度多在1.1～1.3，至埋深8 m后，孔隙比缓慢变小；而渭河低阶地上非自重湿陷的地区由于地下水位浅，黄土状土孔隙比较小，其范围是0.65～1.15，渭河阶地上土层埋深在0～3 m内的干密度多在0.8～1.1间，至埋深3 m后，变化范围趋于稳定。然而，也有不少黄土试样的天然孔隙比在严重湿陷的范围内或天然孔隙比在轻微湿陷范围内，但试验检测湿陷等级差别较大，这可能与黄土的颗粒组成、干容重和化学成分等有关。同时可以看出，黄土塬上7～8 m以上黄土层、渭河阶地3 m以上的黄土状土层天然孔隙比一般在1.0以上，因此设计施工时要引起注意。

对比图2与图3可以发现，天然孔隙比与深度的变化规律和干密度与深度的变化规律相似。

3.3.3 湿陷系数随深度的变化

由于渭北阶地上的黄土以非自重湿陷为主，且湿陷厚度较小，这里主要对渭北黄土塬及渭南黄土塬的黄土湿陷系数与深度的变化进行分析。湿陷系数随探井(钻孔)深度的变化如图4所示。从图4可以看出：在渭北塬上，土层湿陷系数略小，总的趋势是湿陷性随深度的增加而减小，一般在13～18 m下，湿陷系数就小于0.015，基本不具备湿陷性了。当然这也和部分地段地下水位较浅有关；而渭南黄土塬线路段湿陷系数明显较大，特别是上部0～8 m，湿陷系数在0.05～0.09左右，湿陷性为中等～强烈，在8～25 m段的土层内，湿陷系数大多仍在0.03左右，可见，渭南黄土塬的黄土不仅湿陷性较强烈，且湿陷厚度大。

(a)渭北黄土塬

(b)渭河阶地

(a)渭北黄土塬

(b)渭河阶地

(c)渭南黄土塬

3.3.4 湿陷系数与干密度的关系

由图5可见，湿陷系数与干密度的相关性较好，相关系数为0.786。从图5看出：湿陷系数随干密度按对数关系衰减，当干密度大于1.46 g/m3时，一般不具有湿陷性，具有湿陷性的黄土干密度多集中在1.2～1.4 g/m3。

(a)渭北黄土塬

(b)渭南黄土塬

图5 湿陷系数与干密度关系

3.3.5 湿陷系数与孔隙比的关系

从图6可以看出，湿陷系数随孔隙比按线性关系递增，当孔隙比大于1.0时，湿陷系数较大，在0.03～0.09之间；当孔隙比小于0.9时，湿陷系数一般小于0.015，不具有湿陷性。

在全新世与晚更新世黄土的科研和工程实践中认为：孔隙比在1.1以上的黄土具有强烈湿陷性，孔隙比小于0.800的黄土一般不具有湿陷性[5-6]，与本文研究结果相似。

3.3.6 湿陷系数与天然含水量的关系

黄土由于其特殊的形成条件，天然状态下的湿度一般较低。线路区段关中平原地区的黄土天然含水量与湿陷性关系如图7。从图中可以看到，湿陷系数与天然含水量的关系并不密切，相关性较低，但总体上湿陷系数随天然含水量的增大而减小。根据统计资料表明：在潼关地区ω>19.3%，西安地区ω>24%，咸阳地区ω>29%时，湿陷性微弱，故在关中地区，可以认为ω>30%时，基本上可以不用考虑湿陷性[7]。

4 黄土湿陷性等级分析评价

为了评价本段线路的黄土的湿陷性特征，本阶段根据不同地貌单元，采取探井与钻探相结合，孔深一般在13～25 m，按竖向间距1.0 m取原状土样进行室内试验。依据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)，对沿线地基岩土进行湿陷性评价。自重湿陷量计算值ΔZS自天然地面算起，修正系数β0关中平原地区取0.9，湿陷量的计算值自地面下1.5 m算起，修正系数β，基底下0～5 m，β=1.5，深度5.0～10.0 m以内取β=1.0，深度10.0 m以下β取地区土质修正系数即0.9。评价结果见表4。

图6 湿陷系数与孔隙比关系

塔号深度/m自重湿陷量ΔZS/mm湿陷量Δs/mm湿陷下限深度/m湿陷类型及等级N645120331.0423.918自重湿陷,Ⅱ级(中等)N645520375.2550.819自重湿陷,Ⅲ级(严重) N646314235.9371.413自重湿陷,Ⅱ级(中等)N647118227.0415.611自重湿陷,Ⅱ级(中等)N647720332.9354.218自重湿陷,Ⅱ级(中等)N649120224.4395.613自重湿陷,Ⅱ级(中等)N649625123.3267.69自重湿陷,Ⅱ级(中等)N650020402.4471.716自重湿陷,Ⅲ级(严重)N65032581.7128.16自重湿陷,Ⅱ级(中等)N651220146.1226.612自重湿陷,Ⅱ级(中等)N65232294.5102.26自重湿陷,Ⅱ级(中等)N65282573.2123.86自重湿陷,Ⅱ级(中等)N6530～ N655820～250～19.84.2～1252～4非自重湿陷,Ⅰ级(轻微)N656525164.1281.69自重湿陷,Ⅱ级(中等) N66372278.349.55自重湿陷,Ⅱ级(中等) N6640～ N6662200～56.151～169.51～4非自重湿陷,Ⅰ级(轻微)N666514370.9654.313自重湿陷,Ⅲ级(严重) N666825512.0796.1>25自重湿陷,Ⅳ(很严重)N667025509.0870.9>25自重湿陷,Ⅳ(很严重)N667325588.3946.3>25自重湿陷,Ⅳ(很严重)N667625603.8972.4>25自重湿陷,Ⅳ(很严重)N668225469.4757.8>25自重湿陷,Ⅳ(很严重)N668620109.8197.411自重湿陷,Ⅱ级(中等)

由表4可以看出，在渭北黄土塬以Ⅱ级自重湿陷为主，湿陷下限深度由北向南逐渐变小，在渭河Ⅱ级阶地上以Ⅰ级非自重湿陷黄土为主，而在渭河Ⅰ级阶地上多为非湿陷性黄土，在渭南黄土塬上以Ⅳ级自重湿陷为主，湿陷下限深度普遍超过 25 m。

5 结 语

(1)沿线地貌类型复杂多样，黄土性质差别较大，这主要和黄土的成因类型、地貌类型、地下水条件等有关。整体来说在渭河低阶地上以黄土状土及非湿陷性土为主，黄土厚度较小，在高阶地及黄土塬上为自重湿陷黄土，黄土深厚。

(2)沿线黄土湿陷性总的趋势是随深度的增加而减小。现场勘察和土工试验结果也表明，关中平原线路段黄土主要以粉质黏土黄土、及黄土状土为主，天然孔隙比大。

(3)通过分析可以看出：线路区域的黄土湿陷性主要与孔隙比、干密度有关，天然孔隙比越大，干密度越小，湿陷性越大。本文分别统计分析了关中地区黄土自重性湿陷系数与黄土干密度、孔隙比之间的关系，并建立了经验公式，有利于该地区黄土自重性湿陷性量计算及快速判断。

(4)该工程沿线的黄土自北向南由Ⅱ级自重湿陷黄土场地向Ⅰ级非自重湿陷性黄土、非湿陷性土、Ⅳ级自重湿陷性黄土场地转变，在渭河低阶地上湿陷性弱，湿陷界线较小，一般3～8 m，在渭河高阶地及黄土塬上，黄土湿陷性较强，湿陷深度较深，其中渭南黄土塬黄土湿陷强烈，湿陷深度普遍超过 25 m。应特别注意渭河南北两岸的黄土塬上黄土性质差异较为明显，这可能与黄土的成分及成因类型有关。

由于黄土湿陷性机理复杂，与成因、分布区域、黄土的物理特性以及黄土化学组成等联系紧密，湿陷性与各物理特性指标存在较大差异，这些差异是黄土区域性特点的反映。