蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路某采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

曹文慶，黃 河，王 禹

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040)

1 概述

蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路工程起自蒲圻電廠二期500kV出線構(gòu)架，止于咸寧500kV變電站，路徑途徑湖北省赤壁市、崇陽(yáng)縣和咸寧市咸安區(qū)，線路長(zhǎng)約73.0km(折合雙回路)，其中單回路長(zhǎng)約4.7km，雙回路長(zhǎng)約70.6km，導(dǎo)線主要采用4×LGJ－400/35鋼芯鋁絞線。線路在G75～G77塔地段下伏游家山煤礦采空區(qū)，而該段周邊又存在多個(gè)礦區(qū)，改線難度較大，對(duì)該地段已有路徑塔基下的采空區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)相當(dāng)必要。

2 采空區(qū)概況及地質(zhì)模型的簡(jiǎn)化

2.1 采空區(qū)概況

赤壁市游家山煤礦采空區(qū)位于蒲圻市區(qū)南東98°方向，直距18km，隸屬赤壁市官塘鎮(zhèn)。礦區(qū)中心坐標(biāo)：3292246，20220945。二疊系下統(tǒng)梁山組為本煤礦采空區(qū)含煤巖系，煤系一般含煤一層，產(chǎn)于煤系的近底部，煤層厚平均1.22m，最大埋深350m，煤層形態(tài)為透鏡狀、雞窩狀。煤種為高硫、高灰無(wú)煙煤。1971年12月湖北省燃化局以鄂革燃化字(72)第005號(hào)意見書批準(zhǔn)煤炭表內(nèi)儲(chǔ)量112b 5.92×108kg；該礦為閉坑礦山，所剩保有量?jī)H6×107kg，且地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)情況復(fù)雜，已無(wú)開采價(jià)值。游家山煤礦與擬建線路地質(zhì)情況見圖1。

圖1 線路與游家山煤礦的相對(duì)關(guān)系及地質(zhì)概略圖

所在采空區(qū)區(qū)域地質(zhì)情況如下：

第四系(Q)：主要為粘性土，黃褐色，紅褐色，稍濕，可塑為主，局部呈硬塑狀。層厚一般為0.5m～10m。

棲霞組(P1q)：深灰、灰黑色?。泻駥訝钐假|(zhì)瘤狀灰?guī)r、瘤狀生物碎屑灰?guī)r、含碳質(zhì)灰泥巖及碳質(zhì)頁(yè)巖夾生物屑灰?guī)r。厚約百米。

梁山組(P1l)：以砂巖為主(或石英砂巖)，夾粉砂巖、泥巖及煤層，一般含煤1－3層，個(gè)別地段可達(dá)4層，與下伏地層呈平行不整合接觸。該層位底部為煤層，是赤壁市煤礦的主要采區(qū)。

游家山煤礦采空區(qū)上覆地層分布主要為梁山組砂巖及棲霞組灰?guī)r，上覆土層一般較薄，第四系覆蓋層主要為可塑狀粘性土，厚度一般為0～7.0m。該采空區(qū)已停采10年以上，G75～G77塔塔位位于該地段的丘頂，基礎(chǔ)入土點(diǎn)高程為199m～236m，采空區(qū)上覆巖土層厚度為202m～321m，采空區(qū)厚度為1.7m～4.1m。

2.2 地質(zhì)模型

根據(jù)塔位附近該采空區(qū)的概況，其中G77的采厚比相對(duì)最小，為安全系數(shù)最小的塔位。根據(jù)其地質(zhì)特征、塔腿基礎(chǔ)型式及塔位荷載情況，以G77塔為例，進(jìn)行地質(zhì)模型的簡(jiǎn)化。G77塔為雙回路直線塔，上覆土層1.5m，下部以中風(fēng)化灰?guī)r及砂巖為主，塔基主要采用QH40型嵌固基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深6.0m，鐵塔基底單位壓力(包括其它荷載)約300kN/m2，采空區(qū)上基底頂板厚202m。簡(jiǎn)化圖見圖2。

圖2 地質(zhì)模型簡(jiǎn)化圖

3 采空區(qū)塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 應(yīng)用采空區(qū)采厚比半定量評(píng)價(jià)

根據(jù)圖2可知，塔基采厚比(H/M)為49，大于30，塔位附近無(wú)明顯地表位移塌陷現(xiàn)象。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中5.5.7條，塔基穩(wěn)定。

3.2 應(yīng)用臨界深度法的定量評(píng)價(jià)

結(jié)合文獻(xiàn)[1]，根據(jù)頂板巖層自然平衡原理驗(yàn)算地基穩(wěn)定性，采空區(qū)頂板地基壓力Q為：

當(dāng)H增大到某一深度，Q=0時(shí)，頂板巖層恰好自然平衡，此時(shí)可以求得采空區(qū)建筑物地基以下巖體臨界深度計(jì)算公式：

(1)、(2)式中γ為巖土體重度，B為巷道寬度，P0為鐵塔基底單位壓力，φ為巖體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)HH<1.5H0時(shí)，頂板基本穩(wěn)定；H>1.5H0時(shí)，頂板穩(wěn)定。

游家山煤礦頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)如下：巷道寬度B取6m；頂板為中風(fēng)化灰?guī)r及砂巖，巖體重度γ取23.0kN/m3；鐵塔基底單位壓力(包括其它荷載)P0約300kN/m2；φ為巖體內(nèi)摩擦角30°。根據(jù)地質(zhì)模型簡(jiǎn)化圖(圖2)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，煤礦采空區(qū)上方鐵塔基底以下巖體臨界深度H0=41.08m。1.5H0=61.62m。塔基滿足H>1.5H0，擬建線路地基穩(wěn)定。

3.3 覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評(píng)價(jià)法

煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂縫，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時(shí)性離層，其巖體結(jié)構(gòu)破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經(jīng)多年的壓實(shí)，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度明顯低于原巖的強(qiáng)度。如果新建構(gòu)筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會(huì)進(jìn)一步引起沉降和變形，甚至造成構(gòu)筑物的破壞。

(1)垮落斷裂帶厚度

垮落斷裂帶的發(fā)育高度，主要與開采煤層的厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關(guān)，參照文獻(xiàn)[2]，按堅(jiān)硬巖，選取計(jì)算公式如下：

垮落帶高度計(jì)算：

取∑M=4.1m，Hk=19m。

斷裂帶高度計(jì)算：

Hli=70m。

(3)、(4)式中∑M為煤層累計(jì)采厚。

由上可知，垮落斷裂帶的最大高度位于頂板以上89m。

(2)基底荷載影響深度

建(構(gòu))筑物的建造使地基巖土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起巖土變形，產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降。建(構(gòu))筑物荷載的影響深度隨建筑荷載的增加而增大。一般地，當(dāng)?shù)鼗薪ㄖ奢d產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)深度處地基層的自重應(yīng)力的20%時(shí)，即可以認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)，但當(dāng)其下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定性因素，如采空區(qū)垮落、斷裂帶時(shí)，則應(yīng)計(jì)算附加應(yīng)力直至地基自重應(yīng)力10%位置處，方可認(rèn)為附加應(yīng)力對(duì)該深度處的地基不產(chǎn)生多大影響。該深度即為建(構(gòu))筑物荷載影響深度(Hp)。

地基中自重應(yīng)力用下式計(jì)算：

式中：γi為分層巖土層重度；Hi為各分層厚度。地基附加應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：K0為附加應(yīng)力系數(shù)；P為基底附加應(yīng)力。

取巖土層容重為23kN/m3，基礎(chǔ)底面直徑為1.8m，K0參照文獻(xiàn)[5]取值，荷載影響深度計(jì)算表見表1。

表1 荷載影響深度計(jì)算

根據(jù)表1，考慮到其他荷載因素影響，荷載影響深度HP取12m。

(3)地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

當(dāng)頂板厚度H滿足下式時(shí)：

塔基荷載不會(huì)使垮落斷裂帶重新移動(dòng)，反之，則會(huì)影響地基的穩(wěn)定性。

因?yàn)椋篐>101m，所以，擬建線路塔基穩(wěn)定。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法對(duì)比

本文通過(guò)采用三種方法對(duì)游家山煤礦老采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分別得出了不同的頂板穩(wěn)定厚度。

文獻(xiàn)[4]中采空區(qū)采厚比半定量評(píng)價(jià)的方法是在大量經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上得出的，一般垮落帶、破裂帶、彎曲帶總厚度約為20倍的采厚比，考慮到其它的影響，30倍采厚比相對(duì)較安全。采厚比小于30的地段地面易產(chǎn)生非連續(xù)變形，煤礦開采后，自下而上會(huì)產(chǎn)生垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。因此線路路徑選擇應(yīng)盡量避開采厚比小于30的地段。應(yīng)用該方法計(jì)算出老采空區(qū)頂板臨界深度：H臨=30m=123m，為三種方法中安全厚度最大值。應(yīng)用該方法評(píng)價(jià)采空區(qū)相對(duì)較安全。

應(yīng)用文獻(xiàn)[1]中臨界深度定量評(píng)價(jià)方法，只考慮了頂板上受荷平衡的情況，未考慮冒落斷裂帶對(duì)頂板穩(wěn)定性的影響。應(yīng)用此法求得H臨>62m即滿足要求。本評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果雖取了1.5的安全系數(shù)，但與其他兩種評(píng)價(jià)結(jié)果相比，所需安全厚度相對(duì)偏小。本計(jì)算方法未考慮空洞高度對(duì)上部頂板穩(wěn)定的影響以及附加荷載對(duì)冒落斷裂帶的影響。當(dāng)上部荷載較大時(shí)或采厚較大的淺層開采區(qū)更顯其應(yīng)用局限性，該方法只適用于小窯頂板上無(wú)大的斷裂變形的采空區(qū)，不適用于大型采空區(qū)、較厚冒落斷裂帶區(qū)及大荷載區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評(píng)價(jià)法，考慮了頂板荷載以及荷載對(duì)冒落斷裂帶的影響，計(jì)算得出頂板厚度大于101m即滿足頂板穩(wěn)定性要求。該定量評(píng)價(jià)法依據(jù)充分，適合在工程建設(shè)中推廣使用。

5 結(jié)論

(1)本文介紹了蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路經(jīng)過(guò)游家山煤礦采空區(qū)的基本情況，并建立了相應(yīng)有代表性的地質(zhì)模型進(jìn)行了穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)，通過(guò)穩(wěn)定性分析得出本采空區(qū)上方擬建線路塔基穩(wěn)定。

(2)通過(guò)對(duì)采空區(qū)應(yīng)用三種方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析得出了不同的頂板穩(wěn)定厚度，并對(duì)三種穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了初步的對(duì)比。通過(guò)對(duì)比得出采空區(qū)采厚比半定量評(píng)價(jià)法相對(duì)較安全；臨界深度定量評(píng)價(jià)方法只適用于小窯上無(wú)大的斷裂變形的采空區(qū)，不適用于大型采空區(qū)、較厚冒落斷裂帶區(qū)及大荷載區(qū)的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評(píng)價(jià)法相對(duì)科學(xué)合理，該方法可在類似采空區(qū)工程中推廣使用。

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

[2]國(guó)家煤炭工業(yè)局．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]陳仲頤，周景星，王洪瑾．土力學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1994．

[4]GB50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S]．

[5]GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．