廣東巖溶塌陷區輸電線路塔基穩定性評估方法及數值模擬研究

鄭金杯，劉高，沈虹，樊友平，滑帥，蔣代興

(1.廣東電網公司佛山市供電局，廣東省佛山市 528000;2.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072;3.中國地質大學工程學院，武漢市 430074)

0 引言

巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動力或人為因素作用下產生的突發性地面變形破壞，其結果多形成圓錐形塌陷坑［1］。巖溶地面塌陷是地面變形破壞的主要類型，塌陷大多發生于碳酸鹽巖分布區，是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互作用的結果，其中人類活動是加劇或促進這種環境災害發生的重要因素之一［2］。近年來，隨著巖溶區電網建設的飛速發展，由此而引發的巖溶塌陷對輸電線路塔基穩定性的影響問題日益突出，嚴重妨礙著巖溶區輸電線路的建設與運營［3］。

1 廣東巖溶塌陷特征

廣東巖溶區主要零星分布在粵北陽山、英德、翁源、始興、仁化地區，粵西的陽春、云浮云城區，粵東東源、五華、興寧、新豐地區和珠江三角洲的深圳龍崗區及廣州花都區等，面積達15314.8 km2。

巖溶塌陷主要發生于石炭、泥盆和二疊系灰巖分布的覆蓋型巖溶盆地內，主要集中分布在廣花巖溶盆地、五華雙頭鎮、深圳坑梓、云浮云城區、乳源、恩平平石鎮和陽春等地。塌陷坑平面形態多呈圓形、橢圓形、長條形和不規則形等;剖面形態大致可分為豎井狀、蝶狀、漏斗狀及壇狀［4］。抽排地下水引起的巖溶塌陷是廣東省地面塌陷的主要類型，可占到全部塌陷總數的70%，數量多，規模大。

2 巖溶塌陷成因和機制

2.1 成因

巖溶塌陷作為一種自然災害，是在內因和外因的共同作用下形成的［5］。內因包括水文地質條件、覆蓋層特征、巖溶發育程度、地質構造等。外因是巖溶地面塌陷的誘發因素［6］，它往往成為巖溶塌陷的導火線，包括降雨作用、地表水作用、河水位變動、水庫蓄水、抽取地下水、振動作用、荷載作用等。

2.2 機制

形成塌陷的機制很多，如潛蝕、真空吸蝕、壓強差效應、垂直滲壓效應、自重效應、浮力效應、振動效應等，主要有2種塌陷機制。

(1)潛蝕論［7］是1898年俄國學者巴浦洛夫提出的，在國內外地質界長期被接受并加以應用。在覆蓋型巖溶區，下伏存在溶蝕空洞，地下水經覆蓋層向空洞滲流(或地下水位下降時，水力梯度增大)。在一定的水壓力作用下，地下水對土體或空隙中的充填物進行沖蝕、掏空。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞，隨著土洞的不斷擴大，最終引發洞頂塌落。當土層較厚或有一定深度時，可以形成塌落拱而維持上伏土層的整體穩定。當土堆較薄時，土洞不能形成平衡。據太沙基(1933年)公式［7］，臨界水力梯度為

式中:Iρ為臨界水力梯度;γs為土顆粒密度;n為土體孔隙度。

據達西公式和動能公式［8］，地下水側向流時的動能為

式中:FH為地下水動能;M為水的質量;K為滲透系數;I為水力梯度;n為巖土體的孔隙度;u為滲流速度。

(2)真空吸蝕論［7］是我國徐衛國等于1979年提出的，國內也普遍接受這一論點。巖溶網絡的封閉空腔(溶洞或土洞)中，當地下水位大幅度下降到空腔蓋層底面下時，地下水由承壓轉為無壓，空腔上部便形成低氣壓狀態的真空，產生抽吸力，吸蝕頂板的土顆粒。同時在內外壓作用下，覆蓋層表面出現一種“沖壓”作用，從而加速土體破壞。

前面2種塌陷機制在很多巖溶塌陷中都得到了認證，但都不能解釋巖溶地面同步塌陷及連續性塌陷現象。巖溶塌陷的形成往往不是在單獨一種機制作用下形成的，而是由某一因素、某一機制占主導作用，其他因素共同作用下形成的。

經過實地考察和參考以往的研究可知，廣東地區大部分巖溶地面塌陷的成因機制均為潛蝕型。

3 塔基穩定性評估方法

巖溶塌陷區塔基穩定與否對輸電線路的鋪設和正常運營至關重要，因此，需要對巖溶塌陷區輸電線路塔基穩定性進行評估，并據此確定立塔方案，實際操作中可按下列步驟開展工作。

3.1 工程地質調查

查明巖溶塌陷的位置、高程、成因、形態、規模、頂板土層與下伏基巖巖溶特征，洞內堆積物和狀態、形成時間;查明巖溶塌陷與地層巖性、結構、厚度及不同巖性組合的關系，劃分出變形類型及土洞發育程度區段;調查巖溶塌陷所處的地質構造部位、地層產狀及洼地分布、標高和規模;調查地表水動態、巖溶水類型、位置、標高、連通條件及其與地表水體的關系，了解巖溶水環境、動力條件、落水與涌水狀況;圈定可能發生巖溶塌陷的地段，選定輸電線路走向和塔位。

3.2 鉆探或物探手段

對于巖溶化巖體塔位，應采用逐樁鉆孔勘探或結合物探，判定其特征;對極強巖溶化巖體、強危險路段輔以地面物探和孔間CT層析成像技術(或孔中物探、管波探測、孔中電視等)，判定其空間展布基本形態、規模大小、發育程度、填充物分布、洞穴頂板厚度和完整性。

3.3 穩定狀態評判

可溶性碳酸鹽巖按巖溶化程度分級，有極強巖溶化巖體、強巖溶化巖體、巖溶化巖體和弱巖溶化巖體。塔基穩定性評價在建立此分級的基礎上，應分塔位將覆蓋層、巖溶化基巖、接觸帶、巖溶地下水及周圍環境作為統一系統，確定統一評價標準，通過危險度分析評判確定穩定狀態，劃分為不穩定、較不穩定、基本穩定、穩定等狀態。

3.4 處置措施

(1)繞避及跨越措施。對于初步勘察發現的特大溶洞區(溶洞高度≥30 m，跨度＞100 m)，輸電線路不能通過和跨越時需采用路線繞避的方案。基礎處出現規模較大的溶洞(溶洞高度≥10 m，跨度＜50 m)時，宜采取適當調整塔位或改變跨徑等方案。

(2)基礎調整措施。基巖面較淺，但溶洞埋藏較深時，可選用明挖擴大基礎;當覆蓋層較厚、巖溶發育、溶洞底面很深且洞內填充土密實穩定、具有足夠強度時，可選用樁基為摩擦樁，樁底可以穿過或不穿過溶洞，主要靠樁側土摩阻力來抵抗樁頂垂直力;當巖溶發育、有多層溶洞且每層溶洞的頂板厚度不均、樁穿過多層溶洞、樁底置于基巖或有足夠厚度的溶洞頂板上時，可選用樁基為端承樁;同一墩、臺基礎范圍內溶深高差懸殊、各樁受力不均勻時，不應同時采用摩擦樁和端承樁，也不宜采用不同直徑、不同材料的樁;同一基礎范圍內因巖溶深度高差懸殊，造成長短樁基礎在荷載作用下，各樁受力不均勻時，應加強驗算。

(3)地基處理措施。在樁底溶洞頂板層厚度不滿足要求但必須穿越時，樁基穿過溶洞可采用充填封閉法、鋼護筒施工法等進行處理。對于小溶洞(高度≤3 m)，采用充填封閉法填充溶洞，充填物根據地質鉆孔揭示的溶洞情況確定，如果溶洞內無充填物，則充填碎石或干沙;如果有充填物，且呈松散或軟塑狀，則充填水泥漿、水泥砂漿或水玻璃。填充后固結到一定強度時，按正常施工方法施工鉆孔灌注樁。通常在小溶洞無過水需要時，采用粘土、片石回填法施工即可;對于中溶洞和大溶洞一般采用鋼護筒施工法。對巖溶區橋基的處置，必須根據不同地質情況(主要包括溶洞與土洞、溶洞與土洞頂板厚度、洞內充填與未充填、覆蓋層厚度、巖層完整性、巖溶地下水等幾種情況)分別制定處置方案，還可采用鋼管樁或群樁基礎、后壓漿填充溶洞法、預壓漿固結法、旋噴樁護壁法等。在巖溶地下水流經路段，為防止鉆孔過程中土體坍塌及大面積降低地下水位后造成周邊構筑物的沉降，需設置旋噴樁支護止水帷幕。

4 塌陷區輸電塔數值模擬

本文采用三維有限元計算程序Abaqus進行模擬計算。

4.1 幾何模型及參數

為了消除邊界效應，設置長20 m、寬4 m、深16 m的模型進行研究。輸電塔樁基礎采用的樁徑是0.6 m，樁長為9 m，見圖1;地基土與輸電塔整體模型見圖2。

計算中采用的地層參數:密度為2×103kg/m3，彈性模量為10 MPa，泊松比為0.2，內摩擦角為10°，粘聚力為20 kPa;抗滑樁與承臺力學參數:密度為2.4×103kg/m3，彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.2，樁長9 m;輸電塔力學參數:密度為8.58×103kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

4.2 模擬過程

輸電塔溶洞塌陷模擬主要是對輸電榙樁基礎下出現溶洞后，模擬地基土層、樁以及輸電塔失穩的規律特征。地基土體為單一土層，塑性破壞遵循摩爾－庫侖法則。由于溶洞的出現是在地下水的侵蝕過程中逐漸形成的，本次模擬中將通過2步來形成溶洞:第1步是在自重力作用下，輸電塔、樁及地基土相互作用過程中產生沉降，通過軟件達到迭代平衡;第2步是通過開挖孔洞形成溶洞，并在上部建筑物和土體自重力作用下，產生沉降，在這一步中，位移較大，產生不收斂，迭代中斷。模型中開挖土體部分與地基土體之間用軟件的Tie命令將2部分連接起來，并且將開挖土體的上部邊界設置到距離樁端以上2 m的區域。

4.3 模擬結果

從模擬結果看，在開挖形成溶洞之前，土體及輸電塔在自重力作用下均產生垂直方向的位移。在同一水平位置的土體產生的位移量基本一致，在靠近樁基礎的部分位移量稍大。開挖形成溶洞之后，在溶洞側壁和溶洞上方的土體產生較大位移，遠離溶洞的地方位移量逐漸減小。模型位移見圖3。

可以看出，位移量最大的區域是溶洞以上的地基土部分、樁及承臺和輸電塔。溶洞兩側壁土體直接被擠向空穴中，產生了較大變形，部分土體出現了塑性破壞。另外塔頂部分有向后傾倒的趨勢，在溶洞上方的地基土有向溶洞匯聚的趨勢，這一結果和現實情況較為吻合。

5 結語

廣東省巖溶塌陷可分為自然塌陷和抽排水塌陷，自然塌陷主要在旱澇交替強烈的年份發生較多，受地下水動態作用演變特征的控制;抽排水塌陷多形成于隱伏巖溶區，主要是人工抽取地下水及采礦抽排地下水引起。巖溶塌陷區塔基穩定與否對輸電線路的鋪設和正常運營至關重要，因此，需要對巖溶塌陷區輸電線路塔基穩定性進行評估，并據此確定立塔方案。采取三維數值模擬分析軟件Abaqus對巖溶塌陷區輸電塔穩定性進行了數值模擬計算。

實踐表明，數值模擬手段能夠比較好地評價巖溶塌陷區輸電塔的穩定性，在類似的工程中可以推廣。

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