途徑采動影響區特高壓直流線路設計對策研究

馮 勇，鄢秀慶，王健鐘

（中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川成都610000）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，為改善我國能源與負荷逆向分布的現狀[1-2]，實現能源的合理調配，更好地統籌發展，我國的電網進入了西電東送、南北互供的大電網階段[3-4]。為減少輸電的損耗，解決長距離、大容量的輸電需求，特高壓直流輸電應運而生[5]。它不僅是一種經濟高效的輸電方式[6]，還能提高走廊利用率，節約寶貴的土地資源，符合國家可持續發展戰略要求。但是，在特高壓直流輸電工程中也存在一些問題，特別是近年來，越來越多的輸電線路需要途經采動影響區[7]，這些線路的基礎和鐵塔發生基礎傾斜開裂或者桿塔變形的可能性更大，甚至造成基礎沉陷或者桿塔傾倒，嚴重影響了輸電線路的安全運行[8]。針對上述情況，為保證輸電線路的正常運行，有必要梳理和研究采動影響區對于輸電線路的影響，并從路徑選擇、勘測方法和深度、桿塔和基礎設計等方面對該區域輸電線路的設計對策進行研究，形成一套具備可實施性的處理措施，進而指導工程設計。

1 采動影響區對輸電線路的影響

表1給出了某工程中采動影響區的分布情況。由表1可知，在線路工程建設過程中，采動影響區很難完全避免，線路與采動影響區的交叉長度可達數十千米。

表1 某工程線路涉礦情況簡表

在我國已建成的采動影響區輸電線路中已有多處鐵塔和基礎發生沉降、傾斜或滑移[9]。以山西省為例，由采動影響區的塌陷造成輸電線路桿塔傾斜、基礎下沉，被迫停運、改線的情況時有發生，由此引發了不少地線斷線、導地線風偏等故障，部分線路甚至被迫停電、移塔、改線。

采動影響區對輸電線路的影響一般可以總結為沉陷和變形。沉陷是因為采礦后會在礦體中留下大量空隙（包括采空面及巷道等），這會架空礦體上部的巖層并使附近的巖體失去原有的平衡狀態進而發生彎曲、斷裂甚至坍塌，導致地面發生明顯的沉降和塌陷[10]。而在地面沉陷發生的同時，地表的變形也就不可避免[11-12]。采動影響區地表的移動和變形主要分為垂直方向、水平方向以及地表平面內的剪應變等[13-14]。在采動影響區，地表的移動和變形往往是復合型的，將破壞輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態[15-16]，在輸電桿塔中將產生附加應力，從而造成輸電桿塔和基礎發生變形，嚴重時將遭到損壞。因此，需在勘察和設計階段加強相關對策研究和制定，避免事故的發生。

2 采動影響區輸電線路勘察措施研究

為加強對采動影響區判別的準確性，在勘察階段，可以從收集資料、勘察方法和穩定性評價3方面開展工作。

2.1 收集資料及協議辦理

項目前期階段，設計人員應收集與路徑有關的相關資料及信息：礦產資源分布及開采情況；礦產資源開發所處的階段；采動影響區的位置及范圍、相關礦產開采計劃；煤（礦）層傾角、采深采厚比等。

項目實施階段，應對前期收集的資料進行復核驗證，并取得相關礦管部門、國土部門的書面意見。設計人員還應詳細復核初設階段已確定的塔位地質條件，在確保塔位安全的條件下配合業主與礦權所有人達成協議并根據協議內容配合業主完成穿越礦產資源的賠付工作。

初設和施工圖階段均應取得相關礦管部門、國土部門的書面意見，并與礦權所有人達成路徑協議。

2.2 勘察方法

采動影響區的勘察方法一般包括地質調查、遙感解譯、工程地質測繪、物探、鉆探及室內土工試驗等，所用工具包括羅盤、皮尺、相機、望遠鏡、遙感影像圖、測距儀、計算機等。具體方法和工具應根據現場地形地質條件和勘測手段的適用條件來選取。

首先，應充分收集礦產及其采掘資料以及壓礦評估、地災評估等報告，并對收集資料的完整性、可靠性進行分析。對于開采位置、方式、塌陷變形和地質條件資料準確可信的塔位，可直接進行穩定性評價；對于資料無法落實或不可信位置的塔位，應充分利用注漿施工鉆孔等進一步查明地質條件，并結合塔位地形地貌、地質條件，采用物探、鉆探進行驗證，再進行最終的穩定性評價。

2.3 穩定性評價方法

穩定性評價是根據不同采動影響區區段的地表變形特點，進行不同災害程度的分區，可分為相對穩定地帶和不穩定地帶。穩定性評價時應綜合考慮采動影響區類型、礦產開采方法、頂板巖性、礦產規模、采厚比等因素進行初步判定。

從采掘方式來看，目前的開采方式一般為露天、房柱式、長臂綜采法。煤礦中多采用的地下長臂綜采法影響范圍大，變形發生快，一般采掘數天內即發生地面變形，開采后3 a可完成95%的沉降量。從頂板巖性來看，頂板多為砂巖、泥巖等軟質巖，部分地區頂板厚度極小，覆蓋層較厚，采空后極易垮塌。從采厚比來看，一般認為采厚比小于30的區域為極不穩定區；而采厚比大于100時，地表變形相對較??；采厚比介于30～100之間，可采取措施通過。另外，還可以采用地表移動變形定量方法來進行評價，它是《巖土工程手冊》推薦采用的一種定量的方法[17]，如表2所示。

表2 地質災害危險性等級劃分表

3 采動影響區輸電線路設計措施研究

在查明采動影響區開采方式、采厚比等條件后，可從路徑（塔位）選擇、桿塔選型、基礎選型等方面開展方案比較工作，降低采動影響區對線路的影響。

3.1 路徑和塔位的選擇

參考以往經驗，在選擇路徑和塔位時，建議按表3中的原則進行判別[18-19]。

表3 路徑和塔位選擇的原則

3.2 桿塔選型及加強設計

3.2.1 桿塔結構形式

特高壓直流線路由于根開大，在采空區塔位選擇時十分困難，采用兩個單回走線可將根開大大縮小，塔位選擇更靈活。同時，由于單極塔消除了斷線及不均勻冰下的扭矩作用，改善了鐵塔受力，降低了基礎作用力及對地基的影響。綜合經濟性、技術可行性和對環境的影響，經過采動影響區的桿塔可因地制宜地采用單極塔型，按兩個單極架設走線，具體情況如圖1所示。

圖1 單極塔示意圖

3.2.2 桿塔加強設計

塔腿出現不均勻沉降是采動影響區輸電鐵塔最主要的危害，為考察不均勻沉降對鐵塔受力的影響，采用有限元軟件模擬分析了采動影響區鐵塔的不均勻沉降。根據模擬分析發現，對鐵塔塔腳處施加一定的位移值，在塔腿主材還未發生破壞的情況下，橫隔面早已超出容許承載力，發生破壞。因此，對采動影響區的桿塔，為了提高其在一定變形條件下的承載能力，應在設計時對塔腿腿部隔面等變形敏感構件進行加強設計，主要措施包括增大隔面主材規格、增加隔面斜材的數量進而提高隔面剛度和穩定性等。

3.3 基礎選型及地基處理

3.3.1 基礎選型

采動影響區的基礎應該在滿足正常設計條件的同時具備抵抗一定程度的地基變形能力，包括垂直沉降、水平偏移和傾斜[20]。在基礎形式選擇時，一般按采厚比進行分類處理：采厚比小于30的地段，一般不建議線路通過，如必須通過，可采取預留礦柱方式；采厚比大于30的地段，應綜合考慮鋼筋混凝土板式基礎、基礎底面設置防護大板和加長地腳螺栓方法，是否需進行注漿處理地基應視煤礦頂板情況、開采方式等因素綜合評價后確定。另外，對于礦層頂板巖層松散的特殊地區，還應做專門的地質穩定性評價。

常見的基礎為中空復合大板基礎和聯合基礎。中空復合大板基礎是在基礎底面設置一個中心開孔的鋼筋混凝土板，并配置一定的鋼筋，以抵抗由于不均勻沉降所產生的彎矩進而保證地基不會由于4個基礎的不均勻沉降造成桿塔破壞，同時又能夠減小基坑開方量。聯合基礎也被稱為筏式基礎，它可以在不均勻沉降時保證基礎根開不發生變化并保證桿塔整體傾斜，不會產生某一條腿單獨沉下去的現象。但是，當發生沉降后，只能進行鐵塔糾偏，基礎不易復位。

采用中空復合大板基礎和聯合基礎可有效抵抗下部土體的不均勻沉降，緩解上部鐵塔的變形，但是也存在基礎開方量巨大的問題。尤其是對于山區線路，經常形成5 m以上的永久性邊坡，存在一定的安全隱患。為了解決上述問題，本文提出一種將復合大板上移的思路，即采用剛度較大的鋼桁架體系代替大板，在鋼桁架下設置不等長假腿適應地形坡度，不等長腿通過球鉸相互連接，主斜材通過可調長法接長。與常規復合大板基礎相比，剛性隔面鋼架不僅具有更強的抗變形能力，還能克服開方量巨大的缺點，并且剛性隔面鋼架可單獨設計，若出現變形損壞，能夠快速更換。具體設計方案對比如下：全開挖方案，開挖方量巨大，且后邊坡大，易產生塔位滑坡隱患；半填半挖方案，開挖方量較大，易產生滑坡和護坡垮塌隱患；剛性隔面鋼架方案，既滿足了鐵塔設計要求，又滿足環境保護的要求。

3.3.2 地基處理

改善不良地基的方法主要有兩種，第一種是淺層高壓噴射注漿。它可以在桿塔基礎下部周圍形成統一整體剛性地基進而對覆蓋層進行加固，加固深度可以通過數值模擬計算得出。第二種是采動影響區壓力灌漿及覆巖離層注漿。它是在基礎鉆孔后，通過鉆孔向基礎或需要加固的采動影響區和巖石松動區灌注水泥漿、流沙、粉煤灰或砂石混合料來改善地基。

3.4 預防及糾偏措施

采動影響區塔基的變形主要包括垂直、水平和傾斜。其中，垂直沉降和水平偏移可在設計階段就進行充分考慮。垂直沉降會減小導線的對地距離造成安全隱患，所以要預留一定的高度；水平位移會影響桿塔的電氣間隙和負荷，所以建議縮減水平檔距10%，以抵御鐵塔橫向水平位移后產生的角度力。對于傾斜變形，首先保證地腳螺栓的強度留有一定儲備，其次，應該使鐵塔與基礎間的連接有一定的調整空間，使鐵塔能進行一定范圍的扶正和復位。所以，應該增加地腳螺栓的外露長度，當基礎發生不均勻沉降時，可以放松地腳螺栓，利用設備提升塔腿，并在塔腳調平后墊鋼板，最終實現鐵塔的扶正。另外，鋼墊板可采用不同厚度的組合，以適應不同的沉降量。圖2為鋼墊板安裝示意圖。

圖2 鋼墊板安裝示意圖

4 結束語

本文分析了采動影響區對特高壓直流輸電線路工程的影響并結合以往特高壓直流工程的建設經驗，分別從勘察和設計兩個方面對途經采動影響區的輸電線路的設計進行了研究并對相關的解決措施和方案進行了總結，主要概括如下。

a）采動影響區地表的移動和變形將破壞輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態，產生附加應力，從而造成輸電桿塔和基礎的變形甚至損壞。

b）在工程勘察階段，首先通過前期的收集資料對采動影響區的情況進行全面詳盡的了解，其次對于情況不明的區域可以采取地質調查、物探等勘察方法進行勘察，最后根據勘察結果對采動影響區進行多方位的穩定性評價。

c）在工程設計階段應從以下5個方面考慮：第一，在路徑和塔位選擇時，宜選擇老采動影響區，避開采厚比較小的區段；第二，因地制宜地采用單極塔，對隔面等受地表變形敏感的桿件局部加強；第三，選擇中空復合大板基礎或采用噴射注漿進行地基改良；第四，本文提出一種將復合大板上移的思路，采用腿長可調式鋼桁架，不僅具有更強的抗變形能力，還能克服大板基礎開方量巨大的缺點，并且在出現變形損壞時，能夠快速更換；第五，在設計階段就對可能發生的變形進行充分的考慮并預設合理的糾偏措施，在變形發生時能進行一定范圍的扶正和復位。