電塔樁基受采動及風(fēng)荷載共同影響下的變形特征研究

秦忠誠，李曉禾，門懋進(jìn)，高 彪

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

近年來，國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)及資源合理利用愈加重視，原煤轉(zhuǎn)化為電能成為煤炭資源開發(fā)利用的途徑之一[1]。輸電線路難免會架設(shè)在礦井生產(chǎn)區(qū)域范圍內(nèi)。當(dāng)工作面回采時，受采動影響上覆巖體發(fā)生垮落、斷裂及彎曲下沉，使地表發(fā)生移動變形，會對高壓電塔基礎(chǔ)造成影響，威脅到高壓線路的安全運(yùn)行[2-5]。

國內(nèi)外學(xué)者對采煤工作面上部高壓電塔的安全運(yùn)行開展了大量研究：趙秀麗等[6]基于概率積分法，分析了采動影響下地表移動變形特征，以判斷輸電塔塔基受采動影響程度；孫凱華[7]結(jié)合工程實例，運(yùn)用數(shù)值分析方法對地表移動變形做出預(yù)計，并對工作面上方桿塔進(jìn)行安全性評價，提出了桿塔保護(hù)措施；郭文兵等[8]構(gòu)建高壓電塔地基、基礎(chǔ)與鐵塔結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形理論，研究了采動影響下高壓電塔變形與破壞規(guī)律；劉朝安等[9]分析了重復(fù)采動情況下地表桿塔下沉傾斜變化特征，對桿塔安全防護(hù)提出了相應(yīng)措施；麻玉山等[10]研究了輸電鐵塔塔基在不同風(fēng)荷載作用下的變形特征，計算出不同風(fēng)荷載下地基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；YUAN H P等[11]對特高壓大跨度塔基礎(chǔ)協(xié)調(diào)變形機(jī)理進(jìn)行分析，并開展了優(yōu)化設(shè)計；YUN Z Y等[12]建立了輸電塔在風(fēng)荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)有限元模型，研究了風(fēng)荷載對輸電塔力學(xué)響應(yīng)的影響；Vladimir Gusev等[13]提出了一種監(jiān)測架空線路狀況的方法，并對位于采礦活動引起地表位移和變形影響區(qū)域的輸電塔位置和架空電力線路狀況變化進(jìn)行預(yù)測評估；Sergiusz Boron[14]分析了開采沉陷對地表電力線路的影響，開展了沉陷對導(dǎo)線應(yīng)力各因素的影響評估，并進(jìn)行了實例計算。

以上研究多集中于分析高壓電塔基礎(chǔ)受單一因素影響下的變形特征及預(yù)計高壓線塔變形兩方面，針對多因素作用下高壓電塔塔基移動變形特征的研究相對較少。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)陜西朱家峁煤礦和地表高壓電塔現(xiàn)狀，對采動和風(fēng)荷載共同作用下樁基下沉值進(jìn)行預(yù)計：①建立三維模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析；②以現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，對比預(yù)計值及模擬值；③分析地表移動變形特征和高壓電塔基礎(chǔ)在多種因素作用下的變形特征。旨在為該礦區(qū)開采及地表構(gòu)筑物保護(hù)提供建議，為相關(guān)工程背景下電塔樁基移動變形分析提供借鑒。

1 工程概況

陜北地區(qū)榆能橫山電廠—榆橫開關(guān)站1 000 kV輸電線路穿越朱家峁礦區(qū)，其中009號電塔位于回采工作面上方，詳細(xì)線路及工作面可能影響線路運(yùn)行區(qū)域如圖1所示。

圖1 輸電線路與工作面相對位置

電塔為酒杯形直流電塔，高度43.9 m，質(zhì)量約110 t；電塔基礎(chǔ)為人工挖孔樁基，樁基深度17 m，間距20 m；樁基主筋采用HRB400，箍筋采用HPB235。該輸電線路下布置有3302綜采工作面，工作面走向長4 200 m，傾向長240 m，采高平均3 m，所采煤層為近水平煤層，采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 高壓線塔基礎(chǔ)與地表移動變形特征及預(yù)計

地下煤炭資源開采引發(fā)上覆巖層原巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)應(yīng)力變化傳遞到地表后，地表發(fā)生下沉、傾斜、水平移動、水平變形及曲率變化。其中,地表下沉、傾斜及水平移動變形對地表高壓電塔影響顯著。地表下沉引起電塔基礎(chǔ)沉降，當(dāng)塔基位于高潛水位礦區(qū)時，出現(xiàn)地下水位面接近甚至超過基礎(chǔ)的狀況，使電塔地基及基礎(chǔ)經(jīng)水泡軟后強(qiáng)度降低，對電塔穩(wěn)定性造成影響；地表傾斜導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，上部結(jié)構(gòu)在自身重力影響下加大了電塔傾覆可能性；地表水平移動會造成輸電線路檔距的增大，導(dǎo)致線路緊繃，若遇到大風(fēng)雨雪等惡劣天氣，會威脅到線路及電塔安全[15]。

采用剖面函數(shù)預(yù)計法對樁基地表進(jìn)行沉降預(yù)計，用充分采動下的三角函數(shù)法表示的地表下沉曲線如下[16]:

(1)

地表傾斜量i(x)為[16]：

(2)

式中：w(x)為地表任一點處的下沉值，mm；wmax為地表最大下沉值，wmax=qmcosα，mm；x為最大下沉點距離，m；l為半盆地長，即最大下沉點到盆地邊界的距離，m；q為下沉系數(shù)；m為煤層開采厚度，m；α為煤層傾角，(°)。

結(jié)合地質(zhì)勘探地層資料，得到計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

經(jīng)預(yù)計，采動作用下高壓電塔處地表下沉約為262.02 mm。

3 采動及風(fēng)荷載共同作用下塔基變形三維模擬

3.1 三維模型建立

研究區(qū)域地表等高線如圖2所示。借助Rhino建模軟件繪制地表及地層三維模型，如圖3所示，模型尺寸為800 m×650 m×320 m，初始模型共劃分994 147個單元，195 046個節(jié)點。

圖2 地表等高線

圖3 數(shù)值模擬網(wǎng)格模型

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，將監(jiān)測點布置在4個基礎(chǔ)上，在A樁布設(shè)1～9號監(jiān)測點，在B樁布設(shè)11～19號監(jiān)測點，在C樁布設(shè)21～29號監(jiān)測點，在D樁布設(shè)31～39號監(jiān)測點。監(jiān)測點位置分布如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點位置分布

3.2 參數(shù)選取

數(shù)值模擬中力學(xué)參數(shù)的選取對計算結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。模型中各地層參數(shù)參照工作面鉆孔數(shù)據(jù)、巖石力學(xué)試驗及相關(guān)文獻(xiàn)[17]確定，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 高壓電塔下開采模型物理力學(xué)參數(shù)

3.3 邊界條件及荷載施加

3.3.1 邊界條件

運(yùn)用FLAC3D通過設(shè)置位移與應(yīng)力邊界模擬巖層及土體原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，通過開挖求解模擬真實地表沉陷及高層建筑變形。設(shè)定前后左右4個面的法向位移為0；頂面及地表為自由面，只模擬施加重力。

3.3.2 風(fēng)荷載及重力作用

陜西橫山區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，處于西風(fēng)帶，以西北風(fēng)為主。常年風(fēng)速平均為2.1 m/s，最大風(fēng)速可達(dá)25.3 m/s[18]。由于實際高壓電塔鐵塔桁架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電塔框架頂部與底部寬度相差極大，橫擔(dān)主軸位于電塔整體中心，因此可將電塔框架簡化為桿件系統(tǒng)，計算風(fēng)荷載對基礎(chǔ)的受載情況可簡化為如圖5所示的鐵塔二維力學(xué)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行，并將計算出的力按照高度、角度換算至各樁。

FN—樁基受到的豎向力；Ff—樁基受到的側(cè)向力；F西北風(fēng)—風(fēng)荷載。

圖5 鐵塔二維力學(xué)結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)GB 50665—2019《1 000 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[19]規(guī)定，計算垂直于高壓電塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

ωk=βzμzμω0

(3)

式中：ωk為作用在高聳結(jié)構(gòu)z高度處單位投影面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù)；μz為高度z處的風(fēng)壓高度變化系數(shù)；μ為風(fēng)荷載體型系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，kN/m2。

依據(jù)GB 50665—2019，計算得到電塔風(fēng)荷載總量約為2 267.5 kN。高壓電塔質(zhì)量約110 t，計算塔基所受重力1 078 kN。計算整理得到電塔樁基沿地表x、y、z3個方向的荷載，結(jié)果見表3。

表3 高壓電塔樁基荷載

3.3.3 采動作用

根據(jù)實際工作面采掘進(jìn)度，將模型工作面劃分為不同組別。通過分步開挖模擬采動對高壓線塔基礎(chǔ)的影響。

3.4 高壓線塔樁基移動變形特征分析

通過數(shù)值模擬提取地表x、y、z3個方向位移，結(jié)合地表樁基及地表等高線，繪制多因素共同作用下地表x、y、z方向位移圖，如圖6所示。

(a)x方向位移

由圖6可知，位于開切眼前方及坡體處x方向位移最大，分析原因為坡體受采動影響產(chǎn)生滑移，使x方向位移加大；3302工作面兩側(cè)軌道巷及膠帶巷地表側(cè)受到采動影響，兩側(cè)y方向位移發(fā)生相對變形，且變形量也受地表地形的影響；開切眼向前回采過程中，地表開始下沉形成盆地。由于地表黃土溝壑縱橫地形原因，坡體移動變形相較于平地與坡頂變形大，地表位移變化起伏較大，呈現(xiàn)坡體位移大、平面位移小的現(xiàn)象。相對而言，樁基所在地表位置x、y、z方向位移相對周邊位移較小，分析原因是由于在電塔自重等永久荷載及風(fēng)荷載作用下，壓實了高壓電塔下地基，從而增高了地基強(qiáng)度，因此受到采動影響時，塔基變形量要小于周邊變形量。

為進(jìn)一步研究共同荷載作用下樁基移動變形，通過數(shù)值模擬樁基監(jiān)測點位數(shù)據(jù)，整理得到共同荷載作用下樁基移動變形值，見表4。

表4 共同荷載作用下樁基移動變形值

從表4中可得高壓電塔樁基在共同荷載作用下移動變形狀況：A、B、C、D 4個樁基的下沉量分別為441.80、486.25、459.44、456.16 mm，平均下沉值為460.91 mm；x方向水平位移為121.45～142.52 mm；y方向水平位移為217.94～238.00 mm；4個樁基總體位移都為偏x正向、y正向下沉。最大沉降差出現(xiàn)在AB兩樁之間，沉降差為44.45 mm，傾斜值為2.22 mm/m。

通過對比地表下沉預(yù)計值與模擬實測值，發(fā)現(xiàn)剖面函數(shù)法預(yù)計值比模擬值低，分析原因在于剖面函數(shù)法所采用的數(shù)據(jù)存在偏差，使預(yù)計點位變形值出現(xiàn)較大偏差。由于兩者相差較大，因此需要通過現(xiàn)場實際監(jiān)測來進(jìn)行分析。

4 現(xiàn)場實際監(jiān)測分析

為確保開采過程中輸電線路的正常運(yùn)行，在地表高壓線塔布置監(jiān)測點監(jiān)測樁基變形情況。監(jiān)測點分別布置在高壓線塔的4個基礎(chǔ)A、B、C、D中心點位上，監(jiān)測點號為a11、a12、a13、a14，監(jiān)測采動對高壓線塔的影響程度。觀測工作采用GPS-RTK技術(shù)[20]，按照《煤礦測量規(guī)程》[21]定期進(jìn)行觀測；監(jiān)測間隔時間為每20 d進(jìn)行一次監(jiān)測。監(jiān)測完成后，高壓電塔樁基最終下沉量及傾斜值對比結(jié)果見表5。

表5 高壓電塔樁基最終下沉量及傾斜值對比

對比分析實際監(jiān)測值與模擬值，進(jìn)一步驗證了模擬值的正確性。通過分析得出：風(fēng)荷載對樁基有一定影響，由于本文采用的是當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)荷載，因此模擬值較實際監(jiān)測值大；對地表上覆高壓線塔樁基影響最大的是采動作用，當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)荷載也會對樁基造成一定影響。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[22]中的規(guī)定，電塔地基沉降限值為400 mm，電塔地基允許傾斜限值為6 mm/m，本文中實際測量及模擬中的下沉值都超過了限值，雖然傾斜值未超過限值，但建議加強(qiáng)地表巡視并采取有效防護(hù)措施，確保高壓線路的安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

根據(jù)剖面函數(shù)法預(yù)計地表下沉值，并借助FLAC3D數(shù)值模型構(gòu)建黃土谷壑地形，模擬采動影響下地表移動變形，通過對比實際測量值與剖面函數(shù)法預(yù)計值、模擬值，可以得到以下結(jié)論：

1)黃土谷壑地形在采動影響下表現(xiàn)為：坡體移動變形比平地及坡頂變形大；地表移動變形受地形影響大。樁基所處位置變形較周邊變形小，其原因是樁基受自身重力及風(fēng)荷載大的影響，對地基進(jìn)行了加強(qiáng)，延緩了下沉變形。

2)數(shù)值模擬能較好地體現(xiàn)現(xiàn)場實際。借助模擬軟件分析采動及風(fēng)荷載共同作用下高壓電塔樁基的變形，4個樁基下沉量相差不大，最大沉降差出現(xiàn)在AB兩個基礎(chǔ)之間，傾斜值為2.22 mm/m。

3)風(fēng)荷載對高壓電塔樁基造成一定變形影響，采動影響對地表樁基造成最大影響。因此，建議在采動期間對地表高壓線塔加強(qiáng)巡視并采取有效防護(hù)措施，確保高壓線路的安全運(yùn)行。