輸電線路采空區(qū)場(chǎng)地三維穩(wěn)定性分析

高 森，古廣林，王克東，黃 鋒

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

輸電線路采空區(qū)場(chǎng)地三維穩(wěn)定性分析

高 森，古廣林，王克東，黃 鋒

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

對(duì)某輸電鐵塔采空區(qū)地表裂縫進(jìn)行了調(diào)查，定性分析了裂縫對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響；通過建立三維地質(zhì)模型，進(jìn)行了兩種工況下采空區(qū)地面變形的有限元分析，并對(duì)兩種工況采空區(qū)的場(chǎng)地穩(wěn)定性進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

輸電線路；采空區(qū)；穩(wěn)定分析；有限元。

1 概述

陜西省煤炭資源豐富，線路工程在該地區(qū)不可避免會(huì)遇到采空區(qū)問題。某750kV輸電線路工程149#～154#塔基位于陜北黃土高原的某煤礦采區(qū)范圍內(nèi)，鐵塔基礎(chǔ)施工、組塔完畢以后，150#鐵塔周圍出現(xiàn)了大量沉降裂縫。

出現(xiàn)地表變形后，設(shè)計(jì)單位赴現(xiàn)場(chǎng)開展了裂縫區(qū)及周邊的采空區(qū)調(diào)查工作和150＃塔的變形監(jiān)測(cè)工作。通過調(diào)查了解，查清了壓覆區(qū)煤礦開采現(xiàn)狀和未來開采計(jì)劃。調(diào)查階段地表裂縫及沉降情況已較嚴(yán)重，地表的高角度張剪裂縫達(dá)十余條，裂縫延伸長度12m～167m不等，最大裂縫落距近0.7m，最大裂縫寬度達(dá)0.5m。通過近一年的現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)工作，掌握了150＃塔基周圍地表變形規(guī)律和變形發(fā)展趨勢(shì)。為了進(jìn)一步研究地表變形對(duì)塔位附近邊坡穩(wěn)定性的影響，開展了線路采空區(qū)場(chǎng)地三維穩(wěn)定性分析研究。

2 工程概況

2.1 地質(zhì)條件

149#～154#鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺(tái)塬上，所在區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，整體為一向北西傾斜的單斜層，地層產(chǎn)狀總體較平緩，傾角2°～9°。區(qū)內(nèi)覆蓋層為第四系黃土層，下伏基巖主要為二疊系粉砂巖、泥巖等。該區(qū)共有9個(gè)煤層，但多為不可采煤層，目前主要開采分布厚度穩(wěn)定的5～2煤層。該煤層埋深222.39m～325.38m，平均埋深291.73m；煤層上覆基巖厚度76.39m～252.43m，平均175.10m。150#鐵塔位于某國營礦務(wù)局開采范圍內(nèi)，塔基附近地勢(shì)平坦，南、北側(cè)稍遠(yuǎn)約30m處為遞降的臺(tái)階狀緩坡，邊坡以土質(zhì)邊坡為主，僅在坡腳附近出露巖質(zhì)邊坡，塔基處采厚比(開采深度與開采厚度之比)約為131。其余各塔基與邊坡也一般保持20m～50m的距離，巖土工程條件與150#塔基相似。

2.2 采空區(qū)現(xiàn)狀及變形特征

經(jīng)調(diào)查，149#屬老采空區(qū)，采空時(shí)間兩年以上，地表變形已基本穩(wěn)定，目前基礎(chǔ)及周圍未見新的地表變形。150#下部煤田開采計(jì)劃2013年至2014年，屬未來采空區(qū)。150#南側(cè)煤層正在采掘之中，計(jì)劃于2010年4月采掘完畢，屬現(xiàn)采空區(qū)。151#計(jì)劃于2012年至2015年開采，屬未來采空區(qū)。152#～154#屬未來采空區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，地表以下煤炭開采是引起地表沉降的主要原因。引起地表變形的采空區(qū)位于150＃塔位東南側(cè)，呈帶狀分布，開采煤層厚度約2.6m，工作面寬度約150m。煤層的開采方式為機(jī)械回采，回采率較高。根據(jù)塔位與采空區(qū)的位置關(guān)系及地表變形特征，可知塔基位于地表移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)。該區(qū)煤層于2009年4月開始開采，開采進(jìn)度一般為2m/d，至2010年2月初工作面已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離150＃塔位。

3 地裂縫對(duì)塔基附近邊坡的影響評(píng)價(jià)

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)有新發(fā)育的沉降裂縫，對(duì)各主要裂縫及新發(fā)育的裂縫進(jìn)行了重新測(cè)繪，其中最大沉降量達(dá)65cm，最大水平張開距離達(dá)74cm。目前地裂縫主要發(fā)育在149#、150#塔基附近，主要是由采空區(qū)塌陷所引起的，但是否對(duì)塔基附近邊坡造成影響，主要看它們的走向、傾角及發(fā)育特點(diǎn)。根據(jù)所調(diào)繪的13條地裂縫的發(fā)育情況分析如下：

(1)地裂縫主要環(huán)繞采空區(qū)發(fā)育，在坡頂部發(fā)育較強(qiáng)，往坡腳處呈逐漸減的趨勢(shì)，坡腳處地裂縫未見發(fā)育，由坡腳向采空中心錯(cuò)距加大?？梢?，坡頂處有沉降，坡底穩(wěn)定；

(2)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除L1、L11、L12地裂縫傾向坡外，屬不利傾向外，其余裂縫均傾向坡內(nèi)，不會(huì)形成整體滑動(dòng)面；

(3)各裂縫傾角為70°～90°，均較陡直，且向下延伸，不會(huì)形成貫通滑移面導(dǎo)致邊坡整體滑動(dòng)。

總之，從場(chǎng)地內(nèi)的地裂縫發(fā)育特點(diǎn)及產(chǎn)狀特征分析，裂縫不會(huì)對(duì)塔基附近邊坡造成明顯影響。

4 三維穩(wěn)定分析

4.1 地質(zhì)模型的概化

根據(jù)資料，將場(chǎng)區(qū)概化為以下3類巖土材料：①黃土、②基巖、③煤層。根據(jù)地形圖，建立場(chǎng)區(qū)的三維計(jì)算模型，并按照采空區(qū)分布現(xiàn)狀和未來開采計(jì)劃建立現(xiàn)有工況和最終工況進(jìn)行分析。

現(xiàn)有工況：截止2010年4月的采空區(qū)分布現(xiàn)狀。

最終工況：在已知開采計(jì)劃的基礎(chǔ)上，沿151#～154#方向逐年開采至沿線煤層開采完畢。

4.2 有限元模型的建立

本次計(jì)算按照三維有限元模型，分析時(shí)采用MIDAS/GTS 2.6中的施工階段分析模塊，分析控制中的收斂條件設(shè)置為位移標(biāo)準(zhǔn)0.001m。

巖土材料中的黃土和基巖采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服條件采用D－P準(zhǔn)則，其形式為：

式中： I1＝σ1+σ2+σ3，其中σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。α和k可通過擬合摩爾庫倫準(zhǔn)則而得。本文D－P準(zhǔn)則選用庫倫六邊形的外接圓，則：

式中：φ和c為材料的摩擦角和粘聚力。

邊界條件為下部邊界為豎直方向的約束，前后左右邊界水平約束。采用六節(jié)點(diǎn)四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。計(jì)算中對(duì)具體模型進(jìn)行了概化，將其視為各向同性材料。分析考慮模型的影響范圍，模型尺寸南北向長3500m，東西向900m，計(jì)算深度900m。模型的X軸正方向?yàn)檎狈较?，Y軸正方向?yàn)檎鞣较颍琙軸正方向?yàn)樨Q直向上方向。模型共計(jì)105738個(gè)單元。共計(jì)21304個(gè)節(jié)點(diǎn)。

4.3 巖土參數(shù)的分析與選用

參考該工程勘察階段的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)資料，并根據(jù)150#塔基變形進(jìn)行反算分析，確定各巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)建議值

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 現(xiàn)有工況計(jì)算結(jié)果分析

現(xiàn)有工況有限元模擬計(jì)算的參數(shù)采用表1的建議值，模擬結(jié)果給出了現(xiàn)有工況下位移分布圖及沿各塔基最不利邊坡方向的剖面位移圖。在各圖上找出各塔位的位移及各塔位最不利剖面位移，模擬結(jié)果列于表2、表3。

表2 現(xiàn)有工況各塔位位移

表3 現(xiàn)有工況各塔位最不利邊坡方向剖面位移

由表2、表3中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，現(xiàn)有工況各塔位情況如下：

(1)149#塔：塔位X、Y、Z方向位移分別為0.2619m、0.0602m、－0.7259m，最不利邊坡剖面沿X、Y方向位移分別為0.564m、－0.172m，Z方向剖面位移地面處變化不大，大致與塔基處相當(dāng)，邊坡沒有貫通性滑移面，不會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

(2) 150#塔：塔位X、Y、Z方向位移分別為－0.4472m、－0.0640m、－0.4894m，150#塔最不利邊坡剖面沿X、Y方向位移分別為－0.55m、－0.114m，Z方向剖面位移地面處變化不大，大致與塔基處相當(dāng)，邊坡沒有貫通性滑移面，不會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

(3) 151#、152#、153#、154#塔：由于各塔離現(xiàn)有采空區(qū)較遠(yuǎn)，計(jì)算表明現(xiàn)有工況對(duì)各塔的影響較小，不會(huì)對(duì)各塔位附近邊坡造成影響。

4.4.2 最終工況計(jì)算結(jié)果分析

模擬結(jié)果給出了最終工況下位移分布圖(圖6)及沿各塔基最不利邊坡方向剖面位移圖(圖7)。在各圖上找出各塔塔位的位移及各塔位最不利剖面位移，模擬結(jié)果列于表4、表5。

表4 最終工況各塔位位移

表5 最終工況各塔位最不利邊坡方向剖面位移

由表4、表5中統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最終工況各塔位情況如下：

(1)149#塔：塔位X、Y、Z方向位移分別為 0.8172m、0.1934m 、－1.0062m ，149#塔最不利邊坡剖面沿X、Y方向位移分別為0.828m、－0.168m ，Z方向剖面位移地面處變化不大，大致與塔基處相當(dāng)，邊坡沒有貫通性滑移面，不會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

(2) 150#塔：塔位X、Y、Z方向位移分別為0.9761m 、0.2858m 、－2.5015m，150#塔最不利邊坡剖面沿X、Y方向位移分別為 0.828m、0.317m，Z方向剖面位移地面處變化不大，大致與塔基處相當(dāng)，邊坡也沒有貫通性滑移面，不會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

(3)151#、152#、153#、154#塔：塔位Z方向剖面位移地面處變化都不大，大致與塔基處相當(dāng)，邊坡也都沒有貫通性滑移面，不會(huì)出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

綜上可見，各塔位沿X、Y、Z方向均有位移，根據(jù)塔基最不利的邊坡方向剖面圖，各塔基沿X、Y、Z方向剖面都沒有貫通性滑移面，邊坡整體穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果的工程地質(zhì)分析，場(chǎng)地內(nèi)的地裂縫是由現(xiàn)采空區(qū)塌陷所引起的。裂縫發(fā)育特點(diǎn)及其產(chǎn)狀特征表明，這些裂縫的出現(xiàn)不會(huì)對(duì)場(chǎng)地塔基附近的邊坡造成不利影響。場(chǎng)地附近沿溝兩側(cè)邊坡未出現(xiàn)滑移及破壞跡象，表明目前是穩(wěn)定的。

(2)利用有限單元法對(duì)149#～154#段場(chǎng)地進(jìn)行了有限元分析，得出各工況塔塔位由于采空產(chǎn)生X、Y、Z方向的位移以及沿最不利邊坡方向位移。結(jié)果表明：塔基附近邊坡不會(huì)形成貫通滑移面，邊坡整體穩(wěn)定；各塔位沿X、Y、Z方向均有位移，但各塔腿間的不均勻沉降不大，可以通過糾偏等措施加以糾正。因此，149#～154#段場(chǎng)地整體穩(wěn)定。

(3)建議定期監(jiān)測(cè)各塔位位移及不均勻沉降，如變形超出要求或不均勻沉降對(duì)基礎(chǔ)造成影響，應(yīng)及時(shí)采取工程措施。

[1]編委會(huì)．工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007．

[2]煤炭工業(yè)部．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2000．

[3]王克東，等．煤炭采空區(qū)輸電線路塔基變形監(jiān)測(cè)及治理[J]．電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2011，(3)．

[4]陳海波，陳富生．采空區(qū)架空送電線路塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]．電力勘測(cè)，2000，(1)．

[5]白新春，馬領(lǐng)康．架空送電線路中采空區(qū)評(píng)價(jià)方法[J]．山西電力，2009，152(S1)．

[6]GB50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范[S]．

Analysis of Three-dimensional Site Stability of Power Transmission Line in Gob

GAO Sen, GU Guang-lin, WANG Ke-dong, HUANG Feng
(Shanxi Electric Power Design Institute, Xi'an 710054, China)

By surveying ground crack in gob, site stability affected by crack have been analysised qualitatively. By building three－dimensional geological model, surface deformation and site stability of gob have been analysised and evaluated in two conditions by using finite element method.

power transmission line; gob; stability analysis; finite element.

P642

B

1671-9913(2014)03-0023-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.005

2013-11-15

高森(1963- )，男，湖南岳陽人，高級(jí)工程師，主要從事電力工程巖土工程勘察、設(shè)計(jì)工作。