0 引言
冻土是指温度在0 ℃以下且含有冰的岩土,其中冻结状态持续两年及以上的称为多年冻土
[1]。东北多年冻土是我国第二大分布区,位于欧亚大陆多年冻土区的南缘地带。由于冻土对温度变化极为敏感,在全球气候变暖背景下,大气热通量的持续输入诱发多年冻土区地下冰体相变热的持续累积,促进多年冻土层上限下降与活动层增厚。研究表明,未来几十年东北多年冻土面积将大幅缩减,且空间分布格局发生显著改变
[2-3]。
工程扰动对多年冻土的影响显著,可造成局部范围内多年冻土加速退化,直接威胁工程基础设施安全
[4-5]。例如,多年冻土退化对道路造成了严重的沉降变形与路面裂缝
[6-7],输油管道的持续升温破坏冻土原有稳定的赋存状态,造成管道非均匀冻胀-融沉变形
[8-11]。同样作为能源供应基础设施,输电线工程施工导致大量林区植被破坏,地表热辐射吸收增加,且混凝土基础热扰动正加剧多年冻土热融蚀速率,增加基础病害率和铁塔失稳倒塌风险
[12-14]。因此,深入研究塔基对周边多年冻土分布的影响,对保障区域基础设施长期稳定运行至关重要。目前关于塔基周边多年冻土层的退化特征研究不够全面,还需详细深入地实地分析。
高密度电法(electrical resistivity tomography,ERT)作为高效、无损及高分辨率的地球物理勘探技术,已广泛应用于地质结构解析与水文地质调查等领域
[15-16]。在多年冻土区,利用冻土层与融土介质之间明显的电阻率差异这一特性可以探测冻土层的厚度及融化带位置。公路沿线多年冻土层地质特性勘察结果表明该探测方法的快速性与准确性
[17-18]。任海宾等
[19]结合ERT分析了中俄东线管道周围岛状多年冻土现状及退化机制。杜海双等
[20]查明了漠河原油管道埋设区内的多年冻土分布和发育现状。朱占龙
[21]在青藏高原输电线工程区域内通过ERT确定了冻土层、地层及冻土层上水的分布特征和范围。游艳辉等
[22]在青藏直流输电线塔基附近运用ERT揭示了基础热效应和施工热扰动导致的地下冰消融。近年来,诸多学者同样通过ERT揭示了工程与热融湖塘对多年冻土的热侵蚀影响
[23-24]。由此可见,利用ERT识别塔基周边多年冻土层的分布是有效可靠的。
本研究选取运营多年的中俄原油管道加格达奇输油泵站供电线路塔基(泵站线12#与14#)进行现场调查和ERT探测,获取冻土区域地层的详细电阻率剖面图。通过对比分析揭示塔基对多年冻土的热扰动过程并评估炉灰回填措施的冻土防护效能。在此基础上,总结分析塔基工程对多年冻土的潜在影响因素,同时明确ERT探测塔基周边多年冻土分布的合理性和有效性。
1 研究区域与方法
1.1 研究区域
研究区位于大兴安岭加格达奇区加北乡(50.47°N,124.22°E),海拔约427 m。场地为低洼的沼泽化湿地,地表植被以塔头为主。自地表至 0.8 m深处为高有机质含量的黑色泥炭土,0.8~3 m为粉质黏土,3~4.8 m为含大量冰透镜体的砾石层,4.8~8 m为全风化花岗岩,8~15 m为强风化花岗岩
[25]。这种地貌与地层特征为多年冻土发育提供良好条件。研究场地位于东北中高纬度多年冻土区的岛状多年冻土发育带
[26]。由于岛状多年冻土对外界环境因素变化敏感,土层温升现象更加明显
[27]。
钻孔地温监测显示,场地在天然状态下的年平均地温为-0.7 ℃,活动层厚度约2 m,其下多年冻土层厚度超过60 m
[25]。据加格达奇气象站的历史数据统计,该地区年均气温正以每10 a 0.411 ℃的速度逐渐升高
[28];目前,场地内已建成G111高速公路、中俄原油管道及输电线等重要基础设施。受气候温升与工程扰动的双重影响,场地内的多年冻土正加速退化,融化区域不断扩大,由此也对工程设施构成了严峻挑战与潜在危害
[6,24]。
1.2 输电线塔基调查
1.2.1 塔基病害概况
泵站线穿越以塔头地貌为主的不良工程地质地段,为中俄原油管道泵站的运转提供外部动力。泵站线下部基础采用现浇C20钢筋混凝土,设计埋深为3.4 m,露出地表0.2 m。当季节融化层温度低于冰点时,土中水分开始冻结导致土体体积膨胀,从而对基础产生向上的切向冻胀力。因此,基础下部采用梯形斜面形式以削弱切向冻胀力的影响。然而,基础埋深范围内的土体为冻胀敏感性的泥炭土和粉质黏土,强冻胀仍可造成基础冻拔。
泵站线12
#铁塔基础如
图1所示,3处塔基侧表面均可见明显泥痕。其中,泵站甲线12
#基础冻拔特征明显,基础露出水面高度分别为91.5、85.5、88.5、98.5 cm,平均高度为91 cm,最大高差约为10 cm,如
图1(a)所示;泵站乙线12
#铁塔原有基础平均露出高度为92 cm(最大103 cm,占设计总高的29%),最大高差达34 cm,呈现出显著差异性冻拔与倾斜,如
图1(b)所示。铁塔严重变形开裂,虽已重新布设基础并“整体迁移”,但新建塔基的平均露出高度仍达到了77 cm,如
图2所示。塔基回填冻结土块与积雪在融化时由相变引起体积减小,在土体固结排水作用下,地表出现沉陷与积水形成洼地。随着降雨与径流汇聚,水分长期向下渗透并消融冻土层,逐渐演变成水塘。除混凝土的良导热性增加地层热量吸收外,水塘积水也将作为热源对下部冻土产生持续热侵蚀,加速地下冰融化。
1.2.2 工程应用措施
与泵站甲线12
#相距570 m的泵站甲线14
#基础平均露出地表高度为88 cm。尽管基础周边植被恢复良好,但回填土沉陷造成明显积水与塔头上浮,如
图3(a)所示。右侧相邻距泵站乙线12
#约530 m的泵站乙线14
#损害严重,在基础原位附近重新修筑加固。新筑基础最上部浇筑了40 cm整体连接板,并采用炉灰进行回填堆积以控制冻胀位移。受施工影响,炉灰周边地表仍形成较多积水,如
图3(b)所示,其对下部多年冻土的影响有待分析。
1.3 高密度电法探测
地球物理电阻率层析成像方法以地下岩土介质的电性差异为基础,通过人为激发电流确定地表以下岩土电阻率的分布规律,推断和解释地质体结构。当冻土处于融化状态时,电阻率等物性参数会发生显著变化,据此可推断出工程结构附近融冻界面位置
[18]。因此,研究采用ERT量化分析并揭示基础周边融冻区域的分布特征。
根据上述调查,选择该四基铁塔分别于2024年5月和10月进行探测。电法测线位置如
图4所示,其中
图4(b)与
图4(c)分别为泵站线14
#与12
#布置场景,
图4(d)为塔基附近的天然孔。G111高速公路与泵站乙线12
#、14
#铁塔的距离分别为110 、80 m。泵站线12
#铁塔间距约为40 m,14
#铁塔间距约为50 m。以两基塔位中点为剖面中点,测线起始点靠近G111,沿177 m测线方向每间隔3 m布设60根电极。首先对接地电阻进行自检,随后采用Wenner装置进行探测,快速自动采集电极感应到的电压信号。将原始数据文件导入RES2DINV(VER.3.5.44)软件进行数据质量检查,去除因电极接触不良或外部干扰导致的突变点以减小误差;然后进行平滑处理以减少随机噪声对结果的影响;最后采用最小二乘法进行多次迭代计算以获取地层真实电阻率,设定均方根误差(root mean square,RMS)收敛阈值小于10%。
在现场探测过程中,数据准确性的主要影响因素有2个,一是电极与土体之间过大的接触电阻。为准确测量回路电位差,电极置入深度大于其长度的2/3、并确保电极与土体紧密接触,同时使用盐水溶液减少接触电阻,将其控制在2 kΩ以内以保证接地良好;二是电极间距。根据测区的地质条件和探测目的,设计3 m间距以平衡分辨率与探测深度。同时,采用线尺提前固定以保证电极按照设计间距布置在同一直线上。
2 结果分析
2.1 泵站线12<sup>#</sup>
图5为2024年5月18日泵站线12
#电阻率剖面反演结果。泵站甲线12
#周围地表沉陷严重形成积水较深的水塘,而泵站乙线12
#周围为浅层积水,“▲”表示铁塔所在位置。Wang等
[29]将电阻率280 Ω·m定义为冻结与融化区域的分界线(如白色划线所示,下同),电阻率大于280 Ω·m的高阻区推断为多年冻土分布区域。探测结果表明,横向电阻率分布呈现显著空间差异性。在0~60 m测线范围内,深度2~6 m处电阻率明显偏低。泵站线12
#电法测线范围内发育融化夹层,塔基底部融化区域在垂向扩展的同时,水平方向也向两侧夹层区域延伸。距离70~100 m的范围出现电阻率异常区,表现出明显的低阻特性,且在最大测深范围内均发生融化,推测融化深度超过28 m。在左右两侧融区下方,电阻率随深度增加呈递增趋势。尽管左侧基础周围存在积水,但由于植被恢复良好,表层土电阻率相对更高,表明植被对冻土融化具有缓解作用。在-8~-2 m区域,融区与邻近融化夹层连接成整体,受重力势影响,垂向热侵蚀效应较水平方向更加明显。融水下渗贯穿多年冻土层后,在融区两侧可清晰观察到下伏多年冻土受影响后的2条弯曲冻融界面。两塔基间0~-8 m区域保持冻结状态,形成典型的“Y”形融区分布。
由
图5可知,中间区域的大面积电阻率异常源于两侧塔基下部融区形成的贯通通道。推测机制为岩层上部冻土融化贯穿,地下径流下渗至风化花岗岩层,导致含水量升高和电导率增加。完整岩体饱和时电阻率不会急剧下降,但场地下部裂隙发育的厚风化岩层具有渗透性,其孔隙结构促进水分迁移,使得下部岩土电阻率主要受孔隙水条件控制。融化多年冻土层与风化层共同为水体向下流动提供了水力通道,孔隙水在两基塔中间部位富集,导致下部岩层呈现显著低阻特性。
与5月探测结果(
图5)相比,10月反演电阻率值变化较大,如
图6所示。经历暖季后,由于地表浅层含冰量减少,电阻率相应降低。由
图6可知,远离塔基的天然场地内,活动层最小融化深度出现在距离探测起点34 m处,约为2 m。下部连续分布的高电阻带表征了冻结土层的电性特点,与邻近天然孔位地温监测数据具有良好的一致性,如
图7所示。地温监测表明,2 m以下土层全年处于负温冻结状态,温度曲线呈现出典型的多年冻土热稳定特征,有效验证探测数据的准确性。两塔基间的冻结区域范围大幅缩小,其下部土层区始终保持融化状态。由于多年冻土的阻隔水作用,消融冻土与地表补给水积聚于季节融化层内,形成清晰的冻融界线。泵站甲线12
#基础下方的融化深度达到8 m,而泵站乙线12
#基础下方的融化深度仅为4 m。
2.2 泵站线14<sup>#</sup>
图8为2024年5月18日泵站线14
#电阻率剖面反演结果。从ERT反演电阻率模型可以明显地观察到地层深度方向呈现分层现象,中间土层(约4~10 m)存在不连续性电阻率异常区。天然场地下部为融化夹层,而深度较大的低阻区位于测线水平60、106 m处,恰好对应两基塔位。由于少积水,泵站线14
#融化深度与融区范围相较于泵站线12
#明显更小,且剖面范围内未出现贯穿性融区。垂直方向上,泵站乙线14
#与甲线14
#塔基下部最大融深分别为14.5、16 m,表明炉灰铺设措施使融深减少1.5 m。水平方向上,泵站甲线14
#塔基下部融区横向扩展范围达30 m,是泵站乙线14
#(约12 m)的2.5倍。2处塔基底部的融化区域未贯通,但夹层区域连通形成“n”形融区,使得下部多年冻土层呈现出“w”形分布,清晰反映了渗流水对多年冻土的热侵蚀作用。由
图7可知,泵站甲线14
#下部融区呈现向两侧扩展的趋势。塔基下部融区因含水量较高,可为融区与夹层的进一步扩大提供水源补给。
图9为10月15日泵站线14
#电阻率剖面反演结果。由
图9可知,活动层融化导致水分含量增加,泵站甲线14
#塔基下部低阻区域明显扩大,纵向融深由16 m增至20 m,水平融区范围则从30 m扩展到36 m,远超基坑开挖影响范围。相比之下,气温回暖对泵站乙线14
#基础下部的融区范围影响几乎可忽略。现场调查显示,基础上方覆盖的炉灰一侧存在积水,如
图3(b)所示,积水热侵蚀加剧了活动层融化,导致距首个电极约40 m处的融深达10 m,明显高于相邻区域。相比于5月份的结果(
图8),10月份基础下部含水量显著增加,冻结区含冰量与电阻率随之减小。
综上所述,塔基建设极大改变了多年冻土赋存状态,引发严重退化;而炉灰铺设措施可有效延缓塔基下部多年冻土融化并抑制融区发育,对多年冻土的保护起到了良好作用。因此,该方法可较好地应用在塔头湿地区域的工程建设中,具体影响机制有待后续深入研究。
3 讨论
3.1 塔基工程对多年冻土的影响
多年冻土结构的稳定对塔基运营安全具有决定性作用。然而,塔基施工及后续运营过程改变了多年冻土层的赋存状态,主要扰动机制包括如下。1)基坑开挖及基础浇筑。施工阶段地基开挖对多年冻土产生直接的物理扰动,破坏了冻土原始结构,并使下部多年冻土层暴露于大气环境。基础浇筑时释放的水化热打破冻土热平衡状态,加速其退化进程。2)基坑填筑。回填冻结土块难以压实,土体间孔隙为土层融水径流渗入提供通道;暖季冻土块融化后固结排水引发基坑上方区域性积水,积水携带热量向下传导加剧冻土层融深扩展。3)渗流侵蚀。基础与土体之间的热性质差异导致接触面裂隙发育。降雨及径流沿壁侧裂隙通道下渗积聚,持续消融底部多年冻土。4)混凝土导热效应。多年冻土对温度变化具有高度敏感性。由于混凝土是热良导体,气候变暖的温升作用通过基础向地层深部输运热量。
3.2 ERT探测的优势与不确定性
ERT作为一种高效、准确且低成本的地下介质探测技术,在多年冻土空间定位与分布特征识别中具有显著优势
[16]。其非侵入式特性通过测量和解释电阻率数据反演介质分布特征,可最大限度降低对原始地层的扰动。相较于传统地质钻探,ERT能快速获取塔基周围融区范围、多年冻土上下限及连续性等关键参数,为工程运维决策与缓解措施制定提供科学依据。
然而,ERT在冻土探测中的应用仍存在不可忽视的不确定性。1)地质结构复杂性。地下介质非均匀性与未知地质异常体可能导致电阻率分布模型高度非线性,增加反演多解性;2)电极系统局限性。电极数量、布设间距及排列方式直接影响数据采集密度与空间分辨率,制约成像精度;3)反演算法多解性。ERT反演本质上属非线性且多解的逆问题,不同算法和正则化参数设置易出现差异性解释结果。上述不确定性可能导致融化深度与范围解译偏差。因此,ERT结果解译需充分考虑不确定性因素,结合已知的地层信息或通过其他勘探手段的数据进行交叉验证以提高探测结果可靠性。
4 结论
通过对场地内泵站甲线12#、14#与泵站乙线12#、14#塔基进行现场调查与ERT探测,分析输电线塔基工程对多年冻土环境的影响,探明多年冻土融区发育规律,并评估炉灰保护多年冻土的防护效能,得出了如下结论。
1)天然场地与塔基下部土层电阻率呈现显著空间分异特征。塔基工程建设诱发积水垂向渗流,并通过热侵蚀加速融化周围多年冻土,形成深度超过28 m的贯通融区。相比于天然场地,泵站线12#测区发育更显著的融化夹层。融化多年冻土层与风化层为水体渗流提供水力通道,导致塔间下土层孔隙水富集与岩层低阻特性。
2)泵站甲线与乙线14#塔基下部最大融深分别为16、14.5 m,表明炉灰回填减小融深1.5 m。水平方向上,甲线14#融区范围达30 m,为乙线14#(12 m)的2.5倍。炉灰层较好地阻隔了基础周边融区发育,有利于保护多年冻土。
3)塔基工程对多年冻土的扰动呈现多因素耦合机制。ERT可探明塔基周边多年冻土空间分布规律,量化工程热影响范围,并揭示大面积融区成因。但解译ERT结果应结合其他勘探信息(如土温、电导率等多源数据)进行辅助验证,以提高可靠性。
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