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摘 要：随着经济的快速发展，电力需求也在快速增长，高压输电在我国电力的建设当中起着举足轻重的作用。多年冻土与季节性冻土作为一种特殊的地质体，具有特殊的工程地质特性，在工程建设中，必须考虑冻土这一特殊地基，避免出现冻胀、融沉及融沉滑塌等危机工程安全的地质现象。尤其在岛状冻土区域，由于多年冻土的不连续性，高压输电线路杆塔的独立性，给勘察工作带来了很多问题。在该文中根据本人从事高压输电线路冻土区勘察工作经验，总结东北岛状冻土区高压输电线路勘察方法。主要对高密度电法进行分析。
关键词：冻土 勘察方法 高密度电法
中图分类号：TU195 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0132-02
随着经济的快速发展，电力需求也在快速增长，高压输电在我国电力的建设当中起着举足轻重的作用。高压输电能满足电能远距离、高效率、低损耗、低成本输送的基本要求，所以成为能源输送的主要方式。由于高压输电线路的建设，穿过多年冻土区是无可避免的。
多年冻土与季节性冻土作为一种特殊的地质体，具有特殊的工程地质特性，在工程建设中，必须考虑冻土这一特殊地基，避免出现冻胀、融沉及融沉滑塌等危机工程安全的地质现象。尤其在岛状冻土区域，由于多年冻土的不连续性，高压输电线路杆塔的独立性，给勘察工作带来了很多问题。
1 岛状冻土区分布规律
东北冻土区为欧亚大陆冻土区的南部地带，冻土分布具有明显的纬度地带性规律，自北而南，分布的面积减少。该区有宽阔的岛状冻土区（南北宽200～400 km），其热状态很不稳定，对外界环境因素改变极为敏感。东北冻土区的自然地理南界变化在北纬46°36"～49°24"，是以年均温0℃等值线为轴线摆动于0℃和±1℃等值线之间的一条线。受温度和环境影响，东北地区多呈现岛状冻土。因此确定杆塔下方是否存在永冻土成为勘察要点。
2 冻土区勘察方法
2.1 地质雷达
目前常用的双天线探地雷达勘测方法主要有两种，即剖面法和宽角法。最常见的为剖面法。在纵剖面、横剖面的勘测中均可使用剖面法进行雷达勘测。在纵剖面的勘测中，使用连续记录方式，在杆塔基础面附近连续进行勘测。探地雷达剖面的布设在多年冻土地区工程地质勘测中，考虑到勘测的目的主要是了解多年冻土的分布情况，杆塔基础为独立基础，因此一般剖面的起始点、终结点应布设到没有受到破坏的天然场地中。对部分疑难地段可进行加密勘测。
地雷达分辨率高，能够有效解决地下0～5m范围内多年冻土是否存在及上限埋深情况。由于冻土的介电常数与融土有较大的差异以及地下冰在不同冻土类型中的独特分布， 造成反射波在相位特征、振幅大小、反射波和反射波组形态特征都与一般融土地区有很大的不同，这些对多年冻土上界的确定提供了有益的基础。在资料处理中，通过对雷达波形、雷达波形图、雷达影像图的综合分析，确定是否存在多年冻土，及多年冻土的上限。
由于地质雷达实施方便快捷，因此在高压输电线路勘察时，作为前期确定是否存在冻土、多年冻土的上限及季节性冻土的下限的勘察方法应该作为首先。
2.2 瞬变电磁法
利用不接地回线向地下发射脉冲式一次电磁场，用线圈观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，从而来解决有关地质问题的时间域电磁法（脉冲场源）。
在多年冻土区的地层中，理论上会至少出现两个这样的界面，分别对应冻土的两个重要特征参数：（1）多年冻土上限，即活动层与多年冻土层的电性差异界面；（2）多年冻土下限，即多年冻土层与下伏融土/岩间的电性差异界面。在这两个界面附近，随着水的相态转换，电阻率随温度/深度的变化率会发生明显变化，这就为应用电法技术探测提取多年冻土特征提供了充分的地球物理依据。
数据解释过程中，还需要充分收集和分析区域的地质资料，包括沉积类型、岩性、电性等，以及与多年冻土发育密切相关的气候、海拔、植被、土壤等基础地理信息，加深对区域内多年冻土发育规律性的认识。这些资料和知识的运用，对于多年冻土下限的准确提取具有重要的意义。
2.3 高密度电法
目前对电法探测技术的应用，大部分研究应用为冻土厚度达20 m以上、温度在-5℃～-2℃的地区，国内研究主要集中在青藏高原和漠河地区，对于冻土温度在-1℃～0℃的小兴安岭岛状多年冻土地区，电法应用极少，且对探测结果解释存在较大的偏差。该文依托高压线路新建工程选定研究区，运用高密度电阻率法进行了塔位基础附近岛状冻土勘察，并结合地质钻探资料，对高密度电法应用效果进行综合分析。
3 应用TEM 探测多年冻土下限实例
3.1 试验区概况
地形条件为较复杂的山岳地形。孤立的山峰和丘陵较少，大多数彼此连接，构成成排的山系。大兴安岭余脉波及境内大部地区。整个地势由东北向西南逐渐倾斜，从北向南依次有达赖岭、加疙瘩岭和松树岭、南部地表起伏和缓，是北部草原边缘，宜农宜牧。海拔最高点1421 m，最低点580 m。
3.2 试验区现场情况
多年冻土区地层结构自上而下分为：
（1）粉质粘土：黑色，黄褐色，冻结，融后软塑～可塑，局部可见4～5mm块状冰及层状冰，局部夹有厚度不等的冰层。平均总含水量为34.8%左右，融沉等级为Ⅲ～Ⅳ级，融沉类别为融沉～强融沉。（2）含土冰层：厚度为0.6～5.0 m，为融陷土。（3）圆砾：黄褐色，冻结，为多年冻土，成分为火成岩碎屑，砾石磨圆度一般，Dmax=60 mm，孔隙充填砂类土及粉粘类土。平均总含水量为14.4%左右，融沉等级为Ⅱ～Ⅲ级，融沉类别为弱融沉～融沉，平均融沉系数为5.0，为多冰冻土～富冰冻土。（4）粉质粘土（含砾）：黄褐色，冻结，为多年冻土，砾石呈棱角状，成分为母岩风化破碎产物，Dmax=40 mm，局部含碎石，孔隙充填粘性土，局部粘性土含量较高。总含水量为27.1%左右，融沉等级为Ⅳ级，融沉类别为强融沉，平均融沉系数为12.0，为饱冰冻土。（5）角砾：红褐色，黄褐色，冻结，为多年冻土，砾石呈棱角状，成分为玄武岩风化破碎产物，Dmax=60 mm，局部含碎石，孔隙充填粘性土，局部粘性土含量较高。总含水量为15.3%，融沉等级为Ⅱ～Ⅲ级，融沉类别为弱融沉～融沉，平均融沉系数为6.0，为多冰冻土～富冰冻土。（6）粘土：灰色，灰绿色，冻结，融后软塑，局部可见4～5 mm块状冰及层状冰，局部夹有厚度不等的冰层，局部含砾。平均总含水量为28.1%左右，融沉等级为Ⅲ～Ⅳ级，融沉类别为融沉～强融沉，平均融沉系数为15.0，为富冰冻土～饱冰冻土。
3.3 高密度电阻率法的应用
高密度电阻率法是传统电阻率法与数据自动反演相结合的方法，它是建立在岩土体的导电性差异的基础上。高密度电阻率法适用于测试浅层电阻率，野外测量时电极布置完成，数据采集由程序控制自动进行，布置完电极后，可以进行多种电极装置的测量，从而获得丰富的地电断面信息。运用2DRES二维高密度电法反演软件对测得的数据进行最小二乘法反演。该次以塔位中心为剖面中点进行测试；采用温纳法测试，列举四个剖面为不同的四个塔位的测试数据（见图1）。
四个剖面均为实测数据进行5次反演运算后结果。与钻探数据对比结论如下：
1#剖面：主要底层结构为圆砾层，充填砂类土，上部冻层深度为5 m左右，下部未冻结，测试结果为上部冻层电阻率2000Ω·m以上，下部圆砾层电阻率为450Ω·m以下。未发现永久冻土塔位，上部为季节性冻土。考虑是由于上部砂类土保温较差因此未能形成永久冻土。2#剖面：主要底层结构为圆砾层，充填粘性土，上部圆砾层未冻结，5 m以下冻结，测试结果为上部冻层电阻率300Ω·m以下，下部圆砾层电阻率为800Ω·m以上。上部圆砾层含粘粒含量较多，保温性能较好，表面植被较发育，导致下部为形成永久冻土。3#剖面：主要底层结构为圆砾层，充填砂类土，该层在钻探时未发现冻层，测试结果为上部电阻率主要为250Ω·m以下，下部电阻率逐渐升高。4#剖面：主要底层结构为圆砾层，充填砂类土，该层在钻探时未发现冻层，测试结果为上部电阻率主要为250Ω·m以下。剖面图显示在该剖面右侧存在冻层，在现场进行钻探试验，试验孔在剖面32 m位置，钻探深度5 m，显示为冻层。该剖面测试到岛状冻土的边界。
4 结语
（1）根据测试结构分析，多年冻土是否存在应与地层结构有关，在气候条件一定的前提下，上层地层中如果粘粒含量越大，则下部冻深越深。（2）不同地层在冻结后土壤电阻率不同，粘性土层冻结后电阻率低于圆砾层冻结后电阻率。因此在用电法测试冻层时，应先做钻孔对比试验，确定该区域内各地层冻结后的电阻率。（3）高密度电阻率法探测所得多年冻土层的厚度、位置与钻探结果基本一致，两者的上、下限位置相差在0.5 m以内，由此可得：高密度电阻率探测技术作为一种快速、经济、可靠的现场测试方法，用来确定岛状多年冻土层的位置、厚度效果明显。
参考文献
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[2]俞祁浩，程国栋.物探技术在我国多年冻土勘测中的应用[J].冰川冻土，2002（1）：102-108.
[3]范昭平，张丽华，路勋.探地雷达在多年冻土区公路工程勘察中的应用[J].工程勘察，2010（3）：91-94.
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