輸電線路采空區場地三維穩定性分析

高 森，古廣林，王克東，黃 鋒

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

輸電線路采空區場地三維穩定性分析

高 森，古廣林，王克東，黃 鋒

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

對某輸電鐵塔采空區地表裂縫進行了調查，定性分析了裂縫對場地穩定性的影響；通過建立三維地質模型，進行了兩種工況下采空區地面變形的有限元分析，并對兩種工況采空區的場地穩定性進行了分析評價。

輸電線路；采空區；穩定分析；有限元。

1 概述

陜西省煤炭資源豐富，線路工程在該地區不可避免會遇到采空區問題。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范圍內，鐵塔基礎施工、組塔完畢以后，150#鐵塔周圍出現了大量沉降裂縫。

出現地表變形后，設計單位赴現場開展了裂縫區及周邊的采空區調查工作和150＃塔的變形監測工作。通過調查了解，查清了壓覆區煤礦開采現狀和未來開采計劃。調查階段地表裂縫及沉降情況已較嚴重，地表的高角度張剪裂縫達十余條，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0.5m。通過近一年的現場變形監測工作，掌握了150＃塔基周圍地表變形規律和變形發展趨勢。為了進一步研究地表變形對塔位附近邊坡穩定性的影響，開展了線路采空區場地三維穩定性分析研究。

2 工程概況

2.1 地質條件

149#～154#鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺塬上，所在區地質構造簡單，整體為一向北西傾斜的單斜層，地層產狀總體較平緩，傾角2°～9°。區內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。該區共有9個煤層，但多為不可采煤層，目前主要開采分布厚度穩定的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局開采范圍內，塔基附近地勢平坦，南、北側稍遠約30m處為遞降的臺階狀緩坡，邊坡以土質邊坡為主，僅在坡腳附近出露巖質邊坡，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 采空區現狀及變形特征

經調查，149#屬老采空區，采空時間兩年以上，地表變形已基本穩定，目前基礎及周圍未見新的地表變形。150#下部煤田開采計劃2013年至2014年，屬未來采空區。150#南側煤層正在采掘之中，計劃于2010年4月采掘完畢，屬現采空區。151#計劃于2012年至2015年開采，屬未來采空區。152#～154#屬未來采空區。

根據現場調查，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位于150＃塔位東南側，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械回采，回采率較高。根據塔位與采空區的位置關系及地表變形特征，可知塔基位于地表移動盆地的外邊緣區。該區煤層于2009年4月開始開采，開采進度一般為2m/d，至2010年2月初工作面已經逐漸遠離150＃塔位。

3 地裂縫對塔基附近邊坡的影響評價

根據監測資料及現場踏勘，發現有新發育的沉降裂縫，對各主要裂縫及新發育的裂縫進行了重新測繪，其中最大沉降量達65cm，最大水平張開距離達74cm。目前地裂縫主要發育在149#、150#塔基附近，主要是由采空區塌陷所引起的，但是否對塔基附近邊坡造成影響，主要看它們的走向、傾角及發育特點。根據所調繪的13條地裂縫的發育情況分析如下：

(1)地裂縫主要環繞采空區發育，在坡頂部發育較強，往坡腳處呈逐漸減的趨勢，坡腳處地裂縫未見發育，由坡腳向采空中心錯距加大。可見，坡頂處有沉降，坡底穩定；

(2)調查發現，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，不會形成整體滑動面；

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

總之，從場地內的地裂縫發育特點及產狀特征分析，裂縫不會對塔基附近邊坡造成明顯影響。

4 三維穩定分析

4.1 地質模型的概化

根據資料，將場區概化為以下3類巖土材料：①黃土、②基巖、③煤層。根據地形圖，建立場區的三維計算模型，并按照采空區分布現狀和未來開采計劃建立現有工況和最終工況進行分析。

現有工況：截止2010年4月的采空區分布現狀。

最終工況：在已知開采計劃的基礎上，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

本次計算按照三維有限元模型，分析時采用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置為位移標準0.001m。

巖土材料中的黃土和基巖采用彈塑性本構模型，屈服條件采用D－P準則，其形式為：

式中： I1＝σ1+σ2+σ3，其中σ1、σ2、σ3為主應力。α和k可通過擬合摩爾庫倫準則而得。本文D－P準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。采用六節點四面體單元劃分網格。計算中對具體模型進行了概化，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，計算深度900m。模型的X軸正方向為正北方向，Y軸正方向為正西方向，Z軸正方向為豎直向上方向。模型共計105738個單元。共計21304個節點。

4.3 巖土參數的分析與選用

參考該工程勘察階段的室內實驗資料，并根據150#塔基變形進行反算分析，確定各巖土層的主要物理力學參數，見表1。

表1 各巖土層主要物理力學指標建議值

4.4 計算結果分析

4.4.1 現有工況計算結果分析

現有工況有限元模擬計算的參數采用表1的建議值，模擬結果給出了現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，模擬結果列于表2、表3。

表2 現有工況各塔位位移

表3 現有工況各塔位最不利邊坡方向剖面位移

由表2、表3中統計結果，現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，邊坡沒有貫通性滑移面，不會出現邊坡失穩。

(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，邊坡沒有貫通性滑移面，不會出現邊坡失穩。

(3) 151#、152#、153#、154#塔：由于各塔離現有采空區較遠，計算表明現有工況對各塔的影響較小，不會對各塔位附近邊坡造成影響。

4.4.2 最終工況計算結果分析

模擬結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中統計結果，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，邊坡沒有貫通性滑移面，不會出現邊坡失穩。

(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，邊坡也沒有貫通性滑移面，不會出現邊坡失穩。

(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，邊坡也都沒有貫通性滑移面，不會出現邊坡失穩。

綜上可見，各塔位沿X、Y、Z方向均有位移，根據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，邊坡整體穩定。

5 結語

(1)根據對現場調查結果的工程地質分析，場地內的地裂縫是由現采空區塌陷所引起的。裂縫發育特點及其產狀特征表明，這些裂縫的出現不會對場地塔基附近的邊坡造成不利影響。場地附近沿溝兩側邊坡未出現滑移及破壞跡象，表明目前是穩定的。

(2)利用有限單元法對149#～154#段場地進行了有限元分析，得出各工況塔塔位由于采空產生X、Y、Z方向的位移以及沿最不利邊坡方向位移。結果表明：塔基附近邊坡不會形成貫通滑移面，邊坡整體穩定；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#段場地整體穩定。

(3)建議定期監測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基礎造成影響，應及時采取工程措施。

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

[2]煤炭工業部．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M]．北京：煤炭工業出版社，2000．

[3]王克東，等．煤炭采空區輸電線路塔基變形監測及治理[J]．電力勘測設計，2011，(3)．

[4]陳海波，陳富生．采空區架空送電線路塔基穩定性評價[J]．電力勘測，2000，(1)．

[5]白新春，馬領康．架空送電線路中采空區評價方法[J]．山西電力，2009，152(S1)．

[6]GB50021－2001，巖土工程勘察規范[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，高級工程師，主要從事電力工程巖土工程勘察、設計工作。