某輸電線路危險塔位穩定性分析

陳 震 陳勁蕾 柴 燕

(江漢大學，湖北 武漢 430056)

1 概述

礦產資源開發及其他人類工程活動會產生泥石流、地面塌陷、地裂縫、滑坡和崩塌等地質災害。針對某地區220 kV及以上輸電線路部分危險桿塔地段進行地質災害危險性情況調查，通過計算對危險桿塔段進行穩定性分析及評價是輸電線路選線和桿塔定位的必備環節。本文根據計算結果、結合實際情況，依據相關規范提出了合理的處理措施和方案。

2 危險性的桿塔段概況

2.1 氣象水文條件

該地區內年平均降水量為1 382.9 mm，最高氣溫30 ℃，最低氣溫-5 ℃，冰凍期為每年12月、元月，年平均蒸發量為1 083.6 mm。調查區有一河流，其最大流量68.1 m3/s，最小流量1.119 m3/s，河水主要受大氣降水控制。

2.2 工程地質條件

區內線路屬于越嶺電力線路，桿段塔基所處地貌以低中山、高中山剝蝕地貌為主，呈山間溝谷地形。植被以雜樹林、灌木叢為主，在緩坡和地勢低洼地帶有部分耕地。該區巖性主要為二疊系上統龍潭煤組(P3l)、三疊系飛仙關組(T1f)泥質粉砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖，屬中硬覆巖類型。

該桿塔位于接近坡頂的山坡上，坡向180°、坡度25°，附近為單斜構造，產狀190∠66°，西側250 m左右發育逆斷層，走向S37～40°W，傾向SE，傾角54°～46°，水平斷距20 m～90 m，垂直斷距20 m～60 m。

2.3 人類活動對地質環境的影響

區內存在大量煤層，人類工程活動主要為煤礦開采和與之配套的道路修建。由于開采歷史較久，地面線路塔基受老硐、小煤窯的分布不均衡的影響。

礦區煤層露頭及煤層淺部地帶小煤窯開采歷史悠久，開采深度一般為30 m～60 m，已造成片段的采空區。煤層傾角43°～50°，平均傾角為47°，屬陡傾斜煤層。松散層厚度為0 m～20 m，平均厚度為10 m，為弱含水層。

采空區影響范圍及高程情況見圖1。

3 危險性桿塔段穩定性分析

3.1 桿塔穩定性分析依據

3.1.1煤礦安全開采深度

根據文獻[1]，煤礦安全開采深度按式(1)計算[1,2]：

Hδ=Mn·K

(1)

式中：Hδ——安全開采深度，m；

Mn——煤層采高或綜合作用厚度,m；

K——安全系數。

220 kV輸電線路地面設施保護級別為Ⅱ級，地面設施的安全系數取K=150。

3.1.2地表移動及變形預計

依據文獻[2]，概率積分法與經驗公式法在預測桿塔所處位置地表水平移動量及下沉和傾斜變形量中有較好的適用性，相應的計算公式見式(2)～式(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：W(x)——任意一點的下沉量,m；

U(x)——任意一點的水平位移,m；

ε(x)——任意一點的水平變形，mm/m；

T(x)——任意一點的傾斜，mm/m；

r——主要影響半徑,m；

h——土層平均厚度,m；

H——平均開采深度,m；

b——水平移動系數，b=0.3×(1+0.008 6α)；

α——煤層傾角，(°)；

η——下層系數，取0.7。

3.1.3建筑物損壞等級

根據文獻[2]，采空區建筑物損壞等級分為輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、嚴重損壞四級[2]，其對應的水平變形和傾斜值見表1。

表1 建筑物損壞等級表

3.2 危險性桿塔段穩定性計算

該桿塔坐落于三疊系飛仙關組地層之上，該地層為含煤地層直接頂板。調查期間未發現崩塌、滑坡、地面沉陷等地質災害現象。該區域小煤窯開采歷史悠久，存在小范圍采空區，附近有地表開裂現象，長約1 m～2 m，寬5 cm～15 cm不等，但已被農業耕作覆蓋。塔基基座見裂縫兩條，寬度約4 cm～5 cm。

在確定地表影響范圍時，由于基礎脆弱同時考慮到輸電線路的重要性，以最大范圍進行圈定。通過圖解法結合開采影響半徑，取其下山邊界角β0=44°[2]。

綜合作用厚度計算見表2。由式(1)可知，煤礦現狀平均開采深度為212 m，未來平均開采深度為234 m，遠小于安全開采深度2 505 m，其開采深厚比為86，遠小于地面設施保護級別屬Ⅱ級時的安全系數K=150。

表2 煤礦煤層開采綜合作用厚度計算表

該桿塔位于現有采空區內，用概率積分法[2]計算現狀采空條件下桿塔所處位置可能產生的變形結果見表3。

表3 變形計算結果

4 危險桿塔段防治措施建議

該桿塔位于現狀采空區影響范圍之內，煤礦開采引發和加劇地表開裂、地面沉陷地質災害的可能性大，現狀條件下，塔位穩定性差，隨著煤礦的進一步開采，采空區影響范圍將進一步加大，加劇地質災害的可能性大，塔位、桿塔遭受地質災害的可能性大、危險大、危害性大。鑒于以上桿塔段均處于煤礦未來開采地面下陷影響范圍之內，塔基的穩定性沒有保障，存在嚴重的安全隱患，建議將該桿塔改線到距離未來采空影響范圍200 m以外的區域。

5 結語

依據調查區地質災害的調查結果，結合線路路徑經過區域的實際情況，該輸電線路所遭受的主要地質災害類型為地表開裂及地面塌陷，及其所引發的崩塌及滑坡等地質災害，從而可能會導致線路工程局部出現塔基倒塌，線路斷電等以至于影響周邊地區的電力供應問題。因而，需要對輸電線路塔位的穩定性進行分析和評價的基礎上提出相應的防治措施。