广东岩溶塌陷区输电线路塔基稳定性评估方法及数值模拟研究

郑金杯，刘高，沈虹，樊友平，滑帅，蒋代兴

(1.广东电网公司佛山市供电局，广东省佛山市 528000;2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072;3.中国地质大学工程学院，武汉市 430074)

0 引言

岩溶地面塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体，在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏，其结果多形成圆锥形塌陷坑［1］。岩溶地面塌陷是地面变形破坏的主要类型，塌陷大多发生于碳酸盐岩分布区，是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互作用的结果，其中人类活动是加剧或促进这种环境灾害发生的重要因素之一［2］。近年来，随着岩溶区电网建设的飞速发展，由此而引发的岩溶塌陷对输电线路塔基稳定性的影响问题日益突出，严重妨碍着岩溶区输电线路的建设与运营［3］。

1 广东岩溶塌陷特征

广东岩溶区主要零星分布在粤北阳山、英德、翁源、始兴、仁化地区，粤西的阳春、云浮云城区，粤东东源、五华、兴宁、新丰地区和珠江三角洲的深圳龙岗区及广州花都区等，面积达15314.8 km2。

岩溶塌陷主要发生于石炭、泥盆和二叠系灰岩分布的覆盖型岩溶盆地内，主要集中分布在广花岩溶盆地、五华双头镇、深圳坑梓、云浮云城区、乳源、恩平平石镇和阳春等地。塌陷坑平面形态多呈圆形、椭圆形、长条形和不规则形等;剖面形态大致可分为竖井状、蝶状、漏斗状及坛状［4］。抽排地下水引起的岩溶塌陷是广东省地面塌陷的主要类型，可占到全部塌陷总数的70%，数量多，规模大。

2 岩溶塌陷成因和机制

2.1 成因

岩溶塌陷作为一种自然灾害，是在内因和外因的共同作用下形成的［5］。内因包括水文地质条件、覆盖层特征、岩溶发育程度、地质构造等。外因是岩溶地面塌陷的诱发因素［6］，它往往成为岩溶塌陷的导火线，包括降雨作用、地表水作用、河水位变动、水库蓄水、抽取地下水、振动作用、荷载作用等。

2.2 机制

形成塌陷的机制很多，如潜蚀、真空吸蚀、压强差效应、垂直渗压效应、自重效应、浮力效应、振动效应等，主要有2种塌陷机制。

(1)潜蚀论［7］是1898年俄国学者巴浦洛夫提出的，在国内外地质界长期被接受并加以应用。在覆盖型岩溶区，下伏存在溶蚀空洞，地下水经覆盖层向空洞渗流(或地下水位下降时，水力梯度增大)。在一定的水压力作用下，地下水对土体或空隙中的充填物进行冲蚀、掏空。从而在洞体顶板处的土体开始形成土洞，随着土洞的不断扩大，最终引发洞顶塌落。当土层较厚或有一定深度时，可以形成塌落拱而维持上伏土层的整体稳定。当土堆较薄时，土洞不能形成平衡。据太沙基(1933年)公式［7］，临界水力梯度为

式中:Iρ为临界水力梯度;γs为土颗粒密度;n为土体孔隙度。

据达西公式和动能公式［8］，地下水侧向流时的动能为

式中:FH为地下水动能;M为水的质量;K为渗透系数;I为水力梯度;n为岩土体的孔隙度;u为渗流速度。

(2)真空吸蚀论［7］是我国徐卫国等于1979年提出的，国内也普遍接受这一论点。岩溶网络的封闭空腔(溶洞或土洞)中，当地下水位大幅度下降到空腔盖层底面下时，地下水由承压转为无压，空腔上部便形成低气压状态的真空，产生抽吸力，吸蚀顶板的土颗粒。同时在内外压作用下，覆盖层表面出现一种“冲压”作用，从而加速土体破坏。

前面2种塌陷机制在很多岩溶塌陷中都得到了认证，但都不能解释岩溶地面同步塌陷及连续性塌陷现象。岩溶塌陷的形成往往不是在单独一种机制作用下形成的，而是由某一因素、某一机制占主导作用，其他因素共同作用下形成的。

经过实地考察和参考以往的研究可知，广东地区大部分岩溶地面塌陷的成因机制均为潜蚀型。

3 塔基稳定性评估方法

岩溶塌陷区塔基稳定与否对输电线路的铺设和正常运营至关重要，因此，需要对岩溶塌陷区输电线路塔基稳定性进行评估，并据此确定立塔方案，实际操作中可按下列步骤开展工作。

3.1 工程地质调查

查明岩溶塌陷的位置、高程、成因、形态、规模、顶板土层与下伏基岩岩溶特征，洞内堆积物和状态、形成时间;查明岩溶塌陷与地层岩性、结构、厚度及不同岩性组合的关系，划分出变形类型及土洞发育程度区段;调查岩溶塌陷所处的地质构造部位、地层产状及洼地分布、标高和规模;调查地表水动态、岩溶水类型、位置、标高、连通条件及其与地表水体的关系，了解岩溶水环境、动力条件、落水与涌水状况;圈定可能发生岩溶塌陷的地段，选定输电线路走向和塔位。

3.2 钻探或物探手段

对于岩溶化岩体塔位，应采用逐桩钻孔勘探或结合物探，判定其特征;对极强岩溶化岩体、强危险路段辅以地面物探和孔间CT层析成像技术(或孔中物探、管波探测、孔中电视等)，判定其空间展布基本形态、规模大小、发育程度、填充物分布、洞穴顶板厚度和完整性。

3.3 稳定状态评判

可溶性碳酸盐岩按岩溶化程度分级，有极强岩溶化岩体、强岩溶化岩体、岩溶化岩体和弱岩溶化岩体。塔基稳定性评价在建立此分级的基础上，应分塔位将覆盖层、岩溶化基岩、接触带、岩溶地下水及周围环境作为统一系统，确定统一评价标准，通过危险度分析评判确定稳定状态，划分为不稳定、较不稳定、基本稳定、稳定等状态。

3.4 处置措施

(1)绕避及跨越措施。对于初步勘察发现的特大溶洞区(溶洞高度≥30 m，跨度＞100 m)，输电线路不能通过和跨越时需采用路线绕避的方案。基础处出现规模较大的溶洞(溶洞高度≥10 m，跨度＜50 m)时，宜采取适当调整塔位或改变跨径等方案。

(2)基础调整措施。基岩面较浅，但溶洞埋藏较深时，可选用明挖扩大基础;当覆盖层较厚、岩溶发育、溶洞底面很深且洞内填充土密实稳定、具有足够强度时，可选用桩基为摩擦桩，桩底可以穿过或不穿过溶洞，主要靠桩侧土摩阻力来抵抗桩顶垂直力;当岩溶发育、有多层溶洞且每层溶洞的顶板厚度不均、桩穿过多层溶洞、桩底置于基岩或有足够厚度的溶洞顶板上时，可选用桩基为端承桩;同一墩、台基础范围内溶深高差悬殊、各桩受力不均匀时，不应同时采用摩擦桩和端承桩，也不宜采用不同直径、不同材料的桩;同一基础范围内因岩溶深度高差悬殊，造成长短桩基础在荷载作用下，各桩受力不均匀时，应加强验算。

(3)地基处理措施。在桩底溶洞顶板层厚度不满足要求但必须穿越时，桩基穿过溶洞可采用充填封闭法、钢护筒施工法等进行处理。对于小溶洞(高度≤3 m)，采用充填封闭法填充溶洞，充填物根据地质钻孔揭示的溶洞情况确定，如果溶洞内无充填物，则充填碎石或干沙;如果有充填物，且呈松散或软塑状，则充填水泥浆、水泥砂浆或水玻璃。填充后固结到一定强度时，按正常施工方法施工钻孔灌注桩。通常在小溶洞无过水需要时，采用粘土、片石回填法施工即可;对于中溶洞和大溶洞一般采用钢护筒施工法。对岩溶区桥基的处置，必须根据不同地质情况(主要包括溶洞与土洞、溶洞与土洞顶板厚度、洞内充填与未充填、覆盖层厚度、岩层完整性、岩溶地下水等几种情况)分别制定处置方案，还可采用钢管桩或群桩基础、后压浆填充溶洞法、预压浆固结法、旋喷桩护壁法等。在岩溶地下水流经路段，为防止钻孔过程中土体坍塌及大面积降低地下水位后造成周边构筑物的沉降，需设置旋喷桩支护止水帷幕。

4 塌陷区输电塔数值模拟

本文采用三维有限元计算程序Abaqus进行模拟计算。

4.1 几何模型及参数

为了消除边界效应，设置长20 m、宽4 m、深16 m的模型进行研究。输电塔桩基础采用的桩径是0.6 m，桩长为9 m，见图1;地基土与输电塔整体模型见图2。

计算中采用的地层参数:密度为2×103kg/m3，弹性模量为10 MPa，泊松比为0.2，内摩擦角为10°，粘聚力为20 kPa;抗滑桩与承台力学参数:密度为2.4×103kg/m3，弹性模量为 30 GPa，泊松比为 0.2，桩长9 m;输电塔力学参数:密度为8.58×103kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。

4.2 模拟过程

输电塔溶洞塌陷模拟主要是对输电榙桩基础下出现溶洞后，模拟地基土层、桩以及输电塔失稳的规律特征。地基土体为单一土层，塑性破坏遵循摩尔－库仑法则。由于溶洞的出现是在地下水的侵蚀过程中逐渐形成的，本次模拟中将通过2步来形成溶洞:第1步是在自重力作用下，输电塔、桩及地基土相互作用过程中产生沉降，通过软件达到迭代平衡;第2步是通过开挖孔洞形成溶洞，并在上部建筑物和土体自重力作用下，产生沉降，在这一步中，位移较大，产生不收敛，迭代中断。模型中开挖土体部分与地基土体之间用软件的Tie命令将2部分连接起来，并且将开挖土体的上部边界设置到距离桩端以上2 m的区域。

4.3 模拟结果

从模拟结果看，在开挖形成溶洞之前，土体及输电塔在自重力作用下均产生垂直方向的位移。在同一水平位置的土体产生的位移量基本一致，在靠近桩基础的部分位移量稍大。开挖形成溶洞之后，在溶洞侧壁和溶洞上方的土体产生较大位移，远离溶洞的地方位移量逐渐减小。模型位移见图3。

可以看出，位移量最大的区域是溶洞以上的地基土部分、桩及承台和输电塔。溶洞两侧壁土体直接被挤向空穴中，产生了较大变形，部分土体出现了塑性破坏。另外塔顶部分有向后倾倒的趋势，在溶洞上方的地基土有向溶洞汇聚的趋势，这一结果和现实情况较为吻合。

5 结语

广东省岩溶塌陷可分为自然塌陷和抽排水塌陷，自然塌陷主要在旱涝交替强烈的年份发生较多，受地下水动态作用演变特征的控制;抽排水塌陷多形成于隐伏岩溶区，主要是人工抽取地下水及采矿抽排地下水引起。岩溶塌陷区塔基稳定与否对输电线路的铺设和正常运营至关重要，因此，需要对岩溶塌陷区输电线路塔基稳定性进行评估，并据此确定立塔方案。采取三维数值模拟分析软件Abaqus对岩溶塌陷区输电塔稳定性进行了数值模拟计算。

实践表明，数值模拟手段能够比较好地评价岩溶塌陷区输电塔的稳定性，在类似的工程中可以推广。

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