采空區(qū)塌陷對既有塔基邊坡影響評價及治理

柯 洪

(中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650051)

500 kV漫昆I回和II回輸電線路設(shè)計于20世紀(jì)80年代末，竣工于20世紀(jì)90年代初，距今已安全運(yùn)行20多年。該線路經(jīng)過楚雄三街鎮(zhèn)、樹苴鄉(xiāng)和八角鎮(zhèn)，三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)管轄范圍內(nèi)分布較多三疊系煤層，長期以來當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)和政府開采煤層形成了較多煤礦巷道和采空區(qū)，采空區(qū)塌陷導(dǎo)致上覆巖土體發(fā)生變形、地面沉降和開裂，地裂縫較發(fā)育。500 kV漫昆I回和II回輸電線路路經(jīng)樹苴鄉(xiāng)卡卡咪地段開采有分山牌煤礦，I回137#和II回124#兩個鐵塔受此煤礦影響較大。

1 場地工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

采空區(qū)場地地形為山地，以構(gòu)造作用為主，由強(qiáng)烈的剝蝕切割作用形成中山地貌。采空區(qū)地形分為溝谷、斜坡和山脊。采空區(qū)溝谷最低處海拔高程為1 975 m，山脊頂部最高處海拔高程為2 575 m，相對海拔高程達(dá)600 m。沿溝谷分布較多礦洞洞口。

1.2 地層巖性

場地區(qū)域內(nèi)三疊系上統(tǒng)地層分布較廣，其中三疊系上統(tǒng)羅家大山組上段(T3l3)、白土田組上下段(T3b1、T3b2)、麥初箐組(T3m)和祥云組上段(T3x2)都含煤層。

采空區(qū)地層為第四系坡殘積成因的粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土、塊石土；場地基巖為三疊系上統(tǒng)砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖，中間夾有煤層。

根據(jù)調(diào)查巖層產(chǎn)狀可知，采空區(qū)場地巖層產(chǎn)狀傾向一般為220～284°，傾角為30～51°，巖層平均傾向為249°，平均傾角為38°。煤層傾向一般為230～245°，平均傾向為237.5°，傾角一般為40～60°，平均傾角為50°。

1.3 地震動參數(shù)

根據(jù)云南省地殼區(qū)域穩(wěn)定性評價等綜合確定工程區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，屬于次不穩(wěn)定區(qū)；工程場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.15 g，對應(yīng)的地震基本烈度為VII度。

2 采空區(qū)要素特征

采空區(qū)場地為山地地形，地勢變化較大，具備平硐開采條件，煤礦開采均采用平硐方式。采空區(qū)場地分布三層煤，編號為1#煤層、2#煤層和3#煤層，以2#煤層為主，采空區(qū)主要開采2#煤層。某煤礦開發(fā)公司為了充分開采煤層，在四個不同海拔高程位置開挖礦井，平硐洞口從上到下編號為1#、2#、3#和4#。除了四個大型礦洞外，分布較多私挖亂采的小型洞口，這些洞口一般延伸不長，形成采空區(qū)范圍較小，某煤礦巷道和采空區(qū)分布見圖1。

圖1 某煤礦巷道和采空區(qū)分布圖

1#和2#礦井距離鐵塔較近，開采的煤層為2#煤層。根據(jù)調(diào)查及資料分析，1#平硐以上煤層在2009年因巷道大規(guī)模塌陷停止開采，回采率為30%～40%，開采方式以人工開采為主，采用人工電鉆結(jié)合人工挖取方式，該處煤層厚度約3.0 m；2#平硐掘進(jìn)380 m未發(fā)現(xiàn)煤層；3#和4#礦洞位于I回137#、136#與II回124#、123#四塔位中間正下方，深度約400 m，由于采空面積較小，采深采厚比較大，超過300 m，因此，不足以形成地表塌陷裂縫。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和尋訪調(diào)查可知，采空區(qū)開挖后頂板巖體易垮塌，為垮落巖層，巖性為軟質(zhì)巖，垮落類型為三帶型，覆巖破壞分為垮落帶、斷裂帶和彎曲帶；垮落帶與斷裂帶均延伸至地表，地表為非連續(xù)性變形，地表可見大量錯落狀地裂縫，見圖2。

3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析評價

為了明確采空區(qū)塌陷是否會進(jìn)一步發(fā)展，采空區(qū)范圍內(nèi)布置6個監(jiān)測點(diǎn)，后期被毀壞3個監(jiān)測點(diǎn)，僅保留C2、C4和C6三個監(jiān)測點(diǎn)，通過2013年和2014年兩次監(jiān)測結(jié)果表明采空區(qū)塌陷未進(jìn)一步發(fā)育；同時估算采空區(qū)地表移動延續(xù)時間T，結(jié)果表明采空區(qū)地表變形超過衰退期，地表變形結(jié)束。采空區(qū)現(xiàn)階段屬于地表移動變形衰退期，采空區(qū)覆巖垮落已結(jié)束，但采空區(qū)垮落形成了地表非連續(xù)變形，地裂縫張開度較大，覆蓋層和覆巖較松散，無堅硬巖層分布，后期受雨水、地震等不利因素作用下采空塌陷區(qū)巖土體易進(jìn)一步發(fā)生風(fēng)化、密實(shí)變形等，因此，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB 51044-2014)判斷場地穩(wěn)定性等級為不穩(wěn)定。

圖2 采空區(qū)地裂縫分布與塌陷邊界

4 采空區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析與評價

4.1 邊坡定性分析

I回鐵塔137#和II回鐵塔124#塔位位于正山脊，山脊寬約5.0 m，山脊脊坡稍緩。山脊北側(cè)為陡坡，北側(cè)陡坡未見采煤平硐。山脊南側(cè)為斜坡，坡度25°～32°，局部超過35°，坡面相對平整，植被發(fā)育。南側(cè)斜坡處于采空區(qū)塌陷區(qū)邊緣，形成較多較大地裂縫，塔位正下方地裂縫寬約0.3～0.5 m，垂直錯距約0.2～0.4 m，局部稍遠(yuǎn)處形成長條狀滑裂塌陷坑，長約10.0 m，寬約5.0 m，深約0.5 m。I回137#鐵塔距離正下方裂縫僅為20.0 m，且裂縫上方坡度較陡，坡度達(dá)到35°。裂縫從埡口處直接橫向平行于山脊延伸至II回124#鐵塔正下方，且發(fā)育有一條延向塔位的裂縫，地表裂縫消失處距離鐵塔僅29.1 m。邊界大裂縫下坡側(cè)約50.0 m處，發(fā)育一條長23.0 m、寬0.3 m的地裂縫，見圖3～圖5。

圖3 塔位下方局部地裂縫

圖4 塔位下方局部錯臺地裂縫

圖5 煤層采空區(qū)剖面示意圖

塔位南側(cè)斜坡坡度相對較陡，坡面因采空區(qū)塌陷形成地裂縫破壞了巖土體的完整性，采空區(qū)塌陷邊界以內(nèi)的巖土體受拉裂作用發(fā)生較大位移，巖土體發(fā)生過錯動，使得原本完好的巖土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)降低，力學(xué)性質(zhì)較差。后期在雨水豐富年份，雨水易下滲入破裂狀巖土體內(nèi)，增加巖土體的重度，且雨水的存在進(jìn)一步降低了巖土體粘聚力和內(nèi)摩擦角，大大降低了巖土體力學(xué)性質(zhì)。

南側(cè)斜坡除了受豐富雨水的影響外，必須考慮后期地震對邊坡巖土體穩(wěn)定性的影響，場區(qū)地震設(shè)防烈度為VII，場區(qū)區(qū)域穩(wěn)定性較差。場地在采空區(qū)塌陷之前，巖土工程條件較好，巖土體較穩(wěn)定，抗震穩(wěn)定性較好，但采空區(qū)塌陷之后，塔位下側(cè)沖溝內(nèi)塌陷體在地震作用下會發(fā)生密實(shí)作用，地表易發(fā)生少量變形，導(dǎo)致斜坡巖土體進(jìn)一步受到拉裂，同時斜坡巖土體受地震加速度影響，易進(jìn)一步受到破壞，增加了巖土體下滑力，極易形成滑坡。地裂縫范圍內(nèi)斜坡在不利因素作用下易先發(fā)生滑動，滑動后滑坡后緣形成了臨空面，使得后緣以上塔位附近巖土體失去支撐，平衡穩(wěn)定性受到破壞，巖土體失穩(wěn)，影響塔位安全穩(wěn)定。

綜上所述，塔位南側(cè)地裂縫斜坡后期受充沛雨水、地震等不利因素作用下，斜坡巖土體易發(fā)生滑動，威脅鐵塔安全穩(wěn)定性。

4.2 邊坡定量分析

4.2.1 巖土參數(shù)

邊坡主要進(jìn)行二維極限平衡穩(wěn)定性分析，計算工具采用“理正邊坡穩(wěn)定性分析程序”。邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)，主要依據(jù)現(xiàn)場對邊坡體的工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)試驗參數(shù)、反演參數(shù)及工程經(jīng)驗綜合確定，詳見表1。

表1 邊坡巖土參數(shù)

4.2.2 邊坡模型

考慮鐵塔下方出現(xiàn)貫通裂縫，縫寬20～60 cm，裂縫的深度較大，延伸較長。結(jié)合現(xiàn)場勘察資料，選取典型剖面，建立三種模型：

(1)現(xiàn)狀模型。將裂縫考慮為0.5 m寬的軟弱夾層，結(jié)合坑探、鉆探及物探資料確定裂縫分布方向，見圖6。

圖6 典型剖面計算模型圖

(2)滑動后模型。即裂縫所在的邊坡部分發(fā)生滑動，對裂縫上坡側(cè)邊坡建立模型，用以評價鐵塔的穩(wěn)定性，見圖7。

圖7 典型剖面滑動后計算模型圖

(3)灌漿加固模型。對裂縫進(jìn)行加固處理，處理后完整的坡面穩(wěn)定性，見圖8。

圖8 典型剖面注漿加固計算模型圖

4.2.3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

利用上述模型與巖土體參數(shù)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算，所得邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)結(jié)果見表 2。

表2 邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果知，現(xiàn)場出現(xiàn)裂縫區(qū)域均為潛在不穩(wěn)定區(qū)域，在暴雨或地震等極端工況下有滑動的可能，通過驗算裂縫貫通區(qū)滑動后剩余坡體的穩(wěn)定性，結(jié)果表明在各種工況下均為不穩(wěn)定，威脅輸電線路鐵塔的穩(wěn)定?？紤]到500 kV漫昆Ⅰ回137#鐵塔和II回124#鐵塔在該邊坡變形區(qū)域內(nèi)；故需要對該邊坡進(jìn)行加固處理，以保證鐵塔的安全。

5 采空區(qū)邊坡的治理措施

采空區(qū)形成的邊坡裂縫范圍較大，且裂縫深度較深，治理邊坡投資較大，為了節(jié)約治理成本，采用保護(hù)塔位巖土體穩(wěn)定性的治理措施，因此，在塔位不穩(wěn)定邊坡側(cè)采用抗滑樁治理措施。為了保證滑坡滑動后不影響到塔位穩(wěn)定性，采用環(huán)狀保護(hù)塔位的方式，I回137#塔位共采用11根抗滑樁，II回124#塔位共采用8根抗滑樁。由于目前滑坡滑動面深度較深，后緣形成較大臨空面，根據(jù)臨空面的自然休止角確定后緣次生滑坡的滑面，深度可達(dá)16 m，根據(jù)理正邊坡穩(wěn)定性分析程序計算確定出平均樁長為25 m，樁間距為5 m，樁截面尺寸為1.2 m×1.8 m，治理方案見圖9。

圖9 抗滑樁平面布置圖

由于采空區(qū)場地穩(wěn)定性較差，塌陷體較松散，后期在雨水和地震等不利因素作用下塌陷體易發(fā)生進(jìn)一步密實(shí)沉降。塔位下斜坡拉裂縫的發(fā)展趨勢主要受斜坡下沖溝沉降變形影響，且沖溝塌陷體極其破碎松散，若沖溝塌陷體處于完整狀態(tài)，保持沖溝密實(shí)沉降變小，斜坡拉裂縫不易進(jìn)一步發(fā)展，有利于邊坡保持穩(wěn)定，因此，建議在斜坡下沖溝內(nèi)采用注漿加固，注漿深度控制在20 m范圍內(nèi)。

為了防止雨水滲入斜坡巖土體，對斜坡穩(wěn)定性不利，建議對已有裂縫進(jìn)行封填處理，采用黏土封填裂縫。

6 結(jié)語

根據(jù)采空區(qū)巖土工程勘測可知，采空區(qū)塌陷已處于衰退期，地表因塌陷的變形已結(jié)束，塔基未處于塌陷范圍內(nèi)，但塔位位于塌陷邊緣山體頂部，地裂縫距離山脊頂部較近，經(jīng)過現(xiàn)場勘測和數(shù)值計算分析，判定邊坡穩(wěn)定性較差，邊坡易發(fā)生滑動，影響塔位穩(wěn)定性。由于治理整個邊坡投資較大，經(jīng)過專家組評審分析確定采用保護(hù)塔位穩(wěn)定性的方式處理邊坡，因此，在塔位東南側(cè)設(shè)置抗滑樁支護(hù)措施，防止下側(cè)邊坡失穩(wěn)影響塔位處巖土體穩(wěn)定性。同時，在斜坡和溝底采用注漿加固措施，進(jìn)一步加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，為防止雨水灌入裂縫，影響邊坡穩(wěn)定性，需封填裂縫。

[1]柯洪.500 kV漫昆Ⅰ、Ⅱ回線法古苴段塔位地質(zhì)勘測項目巖土工程勘測報告[R].昆明：中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計院有限公司，2016.

[2]GB 51044－2014，煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]張魯渝，鄭穎人.簡化Bishop法的擴(kuò)展及其應(yīng)用[C]//中國土木工程學(xué)會第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集編委會.中國土木工程協(xié)會第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會議論文集.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4]鄭穎人.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.