采空區塌陷對既有塔基邊坡影響評價及治理

柯 洪

(中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南 昆明 650051)

500 kV漫昆I回和II回輸電線路設計于20世紀80年代末，竣工于20世紀90年代初，距今已安全運行20多年。該線路經過楚雄三街鎮、樹苴鄉和八角鎮，三個鄉鎮管轄范圍內分布較多三疊系煤層，長期以來當地老鄉和政府開采煤層形成了較多煤礦巷道和采空區，采空區塌陷導致上覆巖土體發生變形、地面沉降和開裂，地裂縫較發育。500 kV漫昆I回和II回輸電線路路經樹苴鄉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 場地工程地質概況

1.1 地形地貌

采空區場地地形為山地，以構造作用為主，由強烈的剝蝕切割作用形成中山地貌。采空區地形分為溝谷、斜坡和山脊。采空區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600 m。沿溝谷分布較多礦洞洞口。

1.2 地層巖性

場地區域內三疊系上統地層分布較廣，其中三疊系上統羅家大山組上段(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。

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

根據調查巖層產狀可知，采空區場地巖層產狀傾向一般為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

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

2 采空區要素特征

采空區場地為山地地形，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，采空區主要開采2#煤層。某煤礦開發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，形成采空區范圍較小，某煤礦巷道和采空區分布見圖1。

圖1 某煤礦巷道和采空區分布圖

1#和2#礦井距離鐵塔較近，開采的煤層為2#煤層。根據調查及資料分析，1#平硐以上煤層在2009年因巷道大規模塌陷停止開采，回采率為30%～40%，開采方式以人工開采為主，采用人工電鉆結合人工挖取方式，該處煤層厚度約3.0 m；2#平硐掘進380 m未發現煤層；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。

根據現場地質調查和尋訪調查可知，采空區開挖后頂板巖體易垮塌，為垮落巖層，巖性為軟質巖，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，地表為非連續性變形，地表可見大量錯落狀地裂縫，見圖2。

3 采空區穩定性分析評價

為了明確采空區塌陷是否會進一步發展，采空區范圍內布置6個監測點，后期被毀壞3個監測點，僅保留C2、C4和C6三個監測點，通過2013年和2014年兩次監測結果表明采空區塌陷未進一步發育；同時估算采空區地表移動延續時間T，結果表明采空區地表變形超過衰退期，地表變形結束。采空區現階段屬于地表移動變形衰退期，采空區覆巖垮落已結束，但采空區垮落形成了地表非連續變形，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巖土體易進一步發生風化、密實變形等，因此，根據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》(GB 51044-2014)判斷場地穩定性等級為不穩定。

圖2 采空區地裂縫分布與塌陷邊界

4 采空區邊坡穩定性分析與評價

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。山脊北側為陡坡，北側陡坡未見采煤平硐。山脊南側為斜坡，坡度25°～32°，局部超過35°，坡面相對平整，植被發育。南側斜坡處于采空區塌陷區邊緣，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。邊界大裂縫下坡側約50.0 m處，發育一條長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 煤層采空區剖面示意圖

塔位南側斜坡坡度相對較陡，坡面因采空區塌陷形成地裂縫破壞了巖土體的完整性，采空區塌陷邊界以內的巖土體受拉裂作用發生較大位移，巖土體發生過錯動，使得原本完好的巖土體力學性質指標降低，力學性質較差。后期在雨水豐富年份，雨水易下滲入破裂狀巖土體內，增加巖土體的重度，且雨水的存在進一步降低了巖土體粘聚力和內摩擦角，大大降低了巖土體力學性質。

南側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定性的影響，場區地震設防烈度為VII，場區區域穩定性較差。場地在采空區塌陷之前，巖土工程條件較好，巖土體較穩定，抗震穩定性較好，但采空區塌陷之后，塔位下側沖溝內塌陷體在地震作用下會發生密實作用，地表易發生少量變形，導致斜坡巖土體進一步受到拉裂，同時斜坡巖土體受地震加速度影響，易進一步受到破壞，增加了巖土體下滑力，極易形成滑坡。地裂縫范圍內斜坡在不利因素作用下易先發生滑動，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，平衡穩定性受到破壞，巖土體失穩，影響塔位安全穩定。

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

4.2 邊坡定量分析

4.2.1 巖土參數

邊坡主要進行二維極限平衡穩定性分析，計算工具采用“理正邊坡穩定性分析程序”。邊坡巖土體的力學參數，主要依據現場對邊坡體的工程地質調查、室內試驗參數、反演參數及工程經驗綜合確定，詳見表1。

表1 邊坡巖土參數

4.2.2 邊坡模型

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

(1)現狀模型。將裂縫考慮為0.5 m寬的軟弱夾層，結合坑探、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生滑動，對裂縫上坡側邊坡建立模型，用以評價鐵塔的穩定性，見圖7。

圖7 典型剖面滑動后計算模型圖

(3)灌漿加固模型。對裂縫進行加固處理，處理后完整的坡面穩定性，見圖8。

圖8 典型剖面注漿加固計算模型圖

4.2.3 穩定性分析結果

利用上述模型與巖土體參數對邊坡進行穩定性計算，所得邊坡穩定性安全系數結果見表 2。

表2 邊坡穩定性安全系數計算結果

根據穩定分析結果知，現場出現裂縫區域均為潛在不穩定區域，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滑動后剩余坡體的穩定性，結果表明在各種工況下均為不穩定，威脅輸電線路鐵塔的穩定?？紤]到500 kV漫昆Ⅰ回137#鐵塔和II回124#鐵塔在該邊坡變形區域內；故需要對該邊坡進行加固處理，以保證鐵塔的安全。

5 采空區邊坡的治理措施

采空區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，為了節約治理成本，采用保護塔位巖土體穩定性的治理措施，因此，在塔位不穩定邊坡側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定性，采用環狀保護塔位的方式，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，根據臨空面的自然休止角確定后緣次生滑坡的滑面，深度可達16 m，根據理正邊坡穩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

由于采空區場地穩定性較差，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生進一步密實沉降。塔位下斜坡拉裂縫的發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，保持沖溝密實沉降變小，斜坡拉裂縫不易進一步發展，有利于邊坡保持穩定，因此，建議在斜坡下沖溝內采用注漿加固，注漿深度控制在20 m范圍內。

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

6 結語

根據采空區巖土工程勘測可知，采空區塌陷已處于衰退期，地表因塌陷的變形已結束，塔基未處于塌陷范圍內，但塔位位于塌陷邊緣山體頂部，地裂縫距離山脊頂部較近，經過現場勘測和數值計算分析，判定邊坡穩定性較差，邊坡易發生滑動，影響塔位穩定性。由于治理整個邊坡投資較大，經過專家組評審分析確定采用保護塔位穩定性的方式處理邊坡，因此，在塔位東南側設置抗滑樁支護措施，防止下側邊坡失穩影響塔位處巖土體穩定性。同時，在斜坡和溝底采用注漿加固措施，進一步加強邊坡穩定性，為防止雨水灌入裂縫，影響邊坡穩定性，需封填裂縫。

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

[2]GB 51044－2014，煤礦采空區巖土工程勘察規范[S].

[3]張魯渝，鄭穎人.簡化Bishop法的擴展及其應用[C]//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集編委會.中國土木工程協會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集.北京：清華大學出版社，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.