输电线路采空区场地三维稳定性分析

高 森，古广林，王克东，黄 锋

(陕西省电力设计院，陕西 西安 710054)

输电线路采空区场地三维稳定性分析

高 森，古广林，王克东，黄 锋

(陕西省电力设计院，陕西 西安 710054)

对某输电铁塔采空区地表裂缝进行了调查，定性分析了裂缝对场地稳定性的影响；通过建立三维地质模型，进行了两种工况下采空区地面变形的有限元分析，并对两种工况采空区的场地稳定性进行了分析评价。

输电线路；采空区；稳定分析；有限元。

1 概述

陕西省煤炭资源丰富，线路工程在该地区不可避免会遇到采空区问题。某750kV输电线路工程149#～154#塔基位于陕北黄土高原的某煤矿采区范围内，铁塔基础施工、组塔完毕以后，150#铁塔周围出现了大量沉降裂缝。

出现地表变形后，设计单位赴现场开展了裂缝区及周边的采空区调查工作和150＃塔的变形监测工作。通过调查了解，查清了压覆区煤矿开采现状和未来开采计划。调查阶段地表裂缝及沉降情况已较严重，地表的高角度张剪裂缝达十余条，裂缝延伸长度12m～167m不等，最大裂缝落距近0.7m，最大裂缝宽度达0.5m。通过近一年的现场变形监测工作，掌握了150＃塔基周围地表变形规律和变形发展趋势。为了进一步研究地表变形对塔位附近边坡稳定性的影响，开展了线路采空区场地三维稳定性分析研究。

2 工程概况

2.1 地质条件

149#～154#铁塔位于陕北黄土高原的黄土台塬上，所在区地质构造简单，整体为一向北西倾斜的单斜层，地层产状总体较平缓，倾角2°～9°。区内覆盖层为第四系黄土层，下伏基岩主要为二叠系粉砂岩、泥岩等。该区共有9个煤层，但多为不可采煤层，目前主要开采分布厚度稳定的5～2煤层。该煤层埋深222.39m～325.38m，平均埋深291.73m；煤层上覆基岩厚度76.39m～252.43m，平均175.10m。150#铁塔位于某国营矿务局开采范围内，塔基附近地势平坦，南、北侧稍远约30m处为递降的台阶状缓坡，边坡以土质边坡为主，仅在坡脚附近出露岩质边坡，塔基处采厚比(开采深度与开采厚度之比)约为131。其余各塔基与边坡也一般保持20m～50m的距离，岩土工程条件与150#塔基相似。

2.2 采空区现状及变形特征

经调查，149#属老采空区，采空时间两年以上，地表变形已基本稳定，目前基础及周围未见新的地表变形。150#下部煤田开采计划2013年至2014年，属未来采空区。150#南侧煤层正在采掘之中，计划于2010年4月采掘完毕，属现采空区。151#计划于2012年至2015年开采，属未来采空区。152#～154#属未来采空区。

根据现场调查，地表以下煤炭开采是引起地表沉降的主要原因。引起地表变形的采空区位于150＃塔位东南侧，呈带状分布，开采煤层厚度约2.6m，工作面宽度约150m。煤层的开采方式为机械回采，回采率较高。根据塔位与采空区的位置关系及地表变形特征，可知塔基位于地表移动盆地的外边缘区。该区煤层于2009年4月开始开采，开采进度一般为2m/d，至2010年2月初工作面已经逐渐远离150＃塔位。

3 地裂缝对塔基附近边坡的影响评价

根据监测资料及现场踏勘，发现有新发育的沉降裂缝，对各主要裂缝及新发育的裂缝进行了重新测绘，其中最大沉降量达65cm，最大水平张开距离达74cm。目前地裂缝主要发育在149#、150#塔基附近，主要是由采空区塌陷所引起的，但是否对塔基附近边坡造成影响，主要看它们的走向、倾角及发育特点。根据所调绘的13条地裂缝的发育情况分析如下：

(1)地裂缝主要环绕采空区发育，在坡顶部发育较强，往坡脚处呈逐渐减的趋势，坡脚处地裂缝未见发育，由坡脚向采空中心错距加大。可见，坡顶处有沉降，坡底稳定；

(2)调查发现，除L1、L11、L12地裂缝倾向坡外，属不利倾向外，其余裂缝均倾向坡内，不会形成整体滑动面；

(3)各裂缝倾角为70°～90°，均较陡直，且向下延伸，不会形成贯通滑移面导致边坡整体滑动。

总之，从场地内的地裂缝发育特点及产状特征分析，裂缝不会对塔基附近边坡造成明显影响。

4 三维稳定分析

4.1 地质模型的概化

根据资料，将场区概化为以下3类岩土材料：①黄土、②基岩、③煤层。根据地形图，建立场区的三维计算模型，并按照采空区分布现状和未来开采计划建立现有工况和最终工况进行分析。

现有工况：截止2010年4月的采空区分布现状。

最终工况：在已知开采计划的基础上，沿151#～154#方向逐年开采至沿线煤层开采完毕。

4.2 有限元模型的建立

本次计算按照三维有限元模型，分析时采用MIDAS/GTS 2.6中的施工阶段分析模块，分析控制中的收敛条件设置为位移标准0.001m。

岩土材料中的黄土和基岩采用弹塑性本构模型，屈服条件采用D－P准则，其形式为：

式中： I1＝σ1+σ2+σ3，其中σ1、σ2、σ3为主应力。α和k可通过拟合摩尔库伦准则而得。本文D－P准则选用库伦六边形的外接圆，则：

式中：φ和c为材料的摩擦角和粘聚力。

边界条件为下部边界为竖直方向的约束，前后左右边界水平约束。采用六节点四面体单元划分网格。计算中对具体模型进行了概化，将其视为各向同性材料。分析考虑模型的影响范围，模型尺寸南北向长3500m，东西向900m，计算深度900m。模型的X轴正方向为正北方向，Y轴正方向为正西方向，Z轴正方向为竖直向上方向。模型共计105738个单元。共计21304个节点。

4.3 岩土参数的分析与选用

参考该工程勘察阶段的室内实验资料，并根据150#塔基变形进行反算分析，确定各岩土层的主要物理力学参数，见表1。

表1 各岩土层主要物理力学指标建议值

4.4 计算结果分析

4.4.1 现有工况计算结果分析

现有工况有限元模拟计算的参数采用表1的建议值，模拟结果给出了现有工况下位移分布图及沿各塔基最不利边坡方向的剖面位移图。在各图上找出各塔位的位移及各塔位最不利剖面位移，模拟结果列于表2、表3。

表2 现有工况各塔位位移

表3 现有工况各塔位最不利边坡方向剖面位移

由表2、表3中统计结果，现有工况各塔位情况如下：

(1)149#塔：塔位X、Y、Z方向位移分别为0.2619m、0.0602m、－0.7259m，最不利边坡剖面沿X、Y方向位移分别为0.564m、－0.172m，Z方向剖面位移地面处变化不大，大致与塔基处相当，边坡没有贯通性滑移面，不会出现边坡失稳。

(2) 150#塔：塔位X、Y、Z方向位移分别为－0.4472m、－0.0640m、－0.4894m，150#塔最不利边坡剖面沿X、Y方向位移分别为－0.55m、－0.114m，Z方向剖面位移地面处变化不大，大致与塔基处相当，边坡没有贯通性滑移面，不会出现边坡失稳。

(3) 151#、152#、153#、154#塔：由于各塔离现有采空区较远，计算表明现有工况对各塔的影响较小，不会对各塔位附近边坡造成影响。

4.4.2 最终工况计算结果分析

模拟结果给出了最终工况下位移分布图(图6)及沿各塔基最不利边坡方向剖面位移图(图7)。在各图上找出各塔塔位的位移及各塔位最不利剖面位移，模拟结果列于表4、表5。

表4 最终工况各塔位位移

表5 最终工况各塔位最不利边坡方向剖面位移

由表4、表5中统计结果，最终工况各塔位情况如下：

(1)149#塔：塔位X、Y、Z方向位移分别为 0.8172m、0.1934m 、－1.0062m ，149#塔最不利边坡剖面沿X、Y方向位移分别为0.828m、－0.168m ，Z方向剖面位移地面处变化不大，大致与塔基处相当，边坡没有贯通性滑移面，不会出现边坡失稳。

(2) 150#塔：塔位X、Y、Z方向位移分别为0.9761m 、0.2858m 、－2.5015m，150#塔最不利边坡剖面沿X、Y方向位移分别为 0.828m、0.317m，Z方向剖面位移地面处变化不大，大致与塔基处相当，边坡也没有贯通性滑移面，不会出现边坡失稳。

(3)151#、152#、153#、154#塔：塔位Z方向剖面位移地面处变化都不大，大致与塔基处相当，边坡也都没有贯通性滑移面，不会出现边坡失稳。

综上可见，各塔位沿X、Y、Z方向均有位移，根据塔基最不利的边坡方向剖面图，各塔基沿X、Y、Z方向剖面都没有贯通性滑移面，边坡整体稳定。

5 结语

(1)根据对现场调查结果的工程地质分析，场地内的地裂缝是由现采空区塌陷所引起的。裂缝发育特点及其产状特征表明，这些裂缝的出现不会对场地塔基附近的边坡造成不利影响。场地附近沿沟两侧边坡未出现滑移及破坏迹象，表明目前是稳定的。

(2)利用有限单元法对149#～154#段场地进行了有限元分析，得出各工况塔塔位由于采空产生X、Y、Z方向的位移以及沿最不利边坡方向位移。结果表明：塔基附近边坡不会形成贯通滑移面，边坡整体稳定；各塔位沿X、Y、Z方向均有位移，但各塔腿间的不均匀沉降不大，可以通过纠偏等措施加以纠正。因此，149#～154#段场地整体稳定。

(3)建议定期监测各塔位位移及不均匀沉降，如变形超出要求或不均匀沉降对基础造成影响，应及时采取工程措施。

[1]编委会．工程地质手册(第四版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[2]煤炭工业部．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]．北京：煤炭工业出版社，2000．

[3]王克东，等．煤炭采空区输电线路塔基变形监测及治理[J]．电力勘测设计，2011，(3)．

[4]陈海波，陈富生．采空区架空送电线路塔基稳定性评价[J]．电力勘测，2000，(1)．

[5]白新春，马领康．架空送电线路中采空区评价方法[J]．山西电力，2009，152(S1)．

[6]GB50021－2001，岩土工程勘察规范[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，湖南岳阳人，高级工程师，主要从事电力工程岩土工程勘察、设计工作。