采空区塌陷对既有塔基边坡影响评价及治理

柯 洪

(中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南 昆明 650051)

500 kV漫昆I回和II回输电线路设计于20世纪80年代末，竣工于20世纪90年代初，距今已安全运行20多年。该线路经过楚雄三街镇、树苴乡和八角镇，三个乡镇管辖范围内分布较多三叠系煤层，长期以来当地老乡和政府开采煤层形成了较多煤矿巷道和采空区，采空区塌陷导致上覆岩土体发生变形、地面沉降和开裂，地裂缝较发育。500 kV漫昆I回和II回输电线路路经树苴乡卡卡咪地段开采有分山牌煤矿，I回137#和II回124#两个铁塔受此煤矿影响较大。

1 场地工程地质概况

1.1 地形地貌

采空区场地地形为山地，以构造作用为主，由强烈的剥蚀切割作用形成中山地貌。采空区地形分为沟谷、斜坡和山脊。采空区沟谷最低处海拔高程为1 975 m，山脊顶部最高处海拔高程为2 575 m，相对海拔高程达600 m。沿沟谷分布较多矿洞洞口。

1.2 地层岩性

场地区域内三叠系上统地层分布较广，其中三叠系上统罗家大山组上段(T3l3)、白土田组上下段(T3b1、T3b2)、麦初箐组(T3m)和祥云组上段(T3x2)都含煤层。

采空区地层为第四系坡残积成因的粉质黏土、含碎石粉质黏土、块石土；场地基岩为三叠系上统砂岩、泥质砂岩和泥岩，中间夹有煤层。

根据调查岩层产状可知，采空区场地岩层产状倾向一般为220～284°，倾角为30～51°，岩层平均倾向为249°，平均倾角为38°。煤层倾向一般为230～245°，平均倾向为237.5°，倾角一般为40～60°，平均倾角为50°。

1.3 地震动参数

根据云南省地壳区域稳定性评价等综合确定工程区区域构造稳定性较差，属于次不稳定区；工程场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.15 g，对应的地震基本烈度为VII度。

2 采空区要素特征

采空区场地为山地地形，地势变化较大，具备平硐开采条件，煤矿开采均采用平硐方式。采空区场地分布三层煤，编号为1#煤层、2#煤层和3#煤层，以2#煤层为主，采空区主要开采2#煤层。某煤矿开发公司为了充分开采煤层，在四个不同海拔高程位置开挖矿井，平硐洞口从上到下编号为1#、2#、3#和4#。除了四个大型矿洞外，分布较多私挖乱采的小型洞口，这些洞口一般延伸不长，形成采空区范围较小，某煤矿巷道和采空区分布见图1。

图1 某煤矿巷道和采空区分布图

1#和2#矿井距离铁塔较近，开采的煤层为2#煤层。根据调查及资料分析，1#平硐以上煤层在2009年因巷道大规模塌陷停止开采，回采率为30%～40%，开采方式以人工开采为主，采用人工电钻结合人工挖取方式，该处煤层厚度约3.0 m；2#平硐掘进380 m未发现煤层；3#和4#矿洞位于I回137#、136#与II回124#、123#四塔位中间正下方，深度约400 m，由于采空面积较小，采深采厚比较大，超过300 m，因此，不足以形成地表塌陷裂缝。

根据现场地质调查和寻访调查可知，采空区开挖后顶板岩体易垮塌，为垮落岩层，岩性为软质岩，垮落类型为三带型，覆岩破坏分为垮落带、断裂带和弯曲带；垮落带与断裂带均延伸至地表，地表为非连续性变形，地表可见大量错落状地裂缝，见图2。

3 采空区稳定性分析评价

为了明确采空区塌陷是否会进一步发展，采空区范围内布置6个监测点，后期被毁坏3个监测点，仅保留C2、C4和C6三个监测点，通过2013年和2014年两次监测结果表明采空区塌陷未进一步发育；同时估算采空区地表移动延续时间T，结果表明采空区地表变形超过衰退期，地表变形结束。采空区现阶段属于地表移动变形衰退期，采空区覆岩垮落已结束，但采空区垮落形成了地表非连续变形，地裂缝张开度较大，覆盖层和覆岩较松散，无坚硬岩层分布，后期受雨水、地震等不利因素作用下采空塌陷区岩土体易进一步发生风化、密实变形等，因此，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB 51044-2014)判断场地稳定性等级为不稳定。

图2 采空区地裂缝分布与塌陷边界

4 采空区边坡稳定性分析与评价

4.1 边坡定性分析

I回铁塔137#和II回铁塔124#塔位位于正山脊，山脊宽约5.0 m，山脊脊坡稍缓。山脊北侧为陡坡，北侧陡坡未见采煤平硐。山脊南侧为斜坡，坡度25°～32°，局部超过35°，坡面相对平整，植被发育。南侧斜坡处于采空区塌陷区边缘，形成较多较大地裂缝，塔位正下方地裂缝宽约0.3～0.5 m，垂直错距约0.2～0.4 m，局部稍远处形成长条状滑裂塌陷坑，长约10.0 m，宽约5.0 m，深约0.5 m。I回137#铁塔距离正下方裂缝仅为20.0 m，且裂缝上方坡度较陡，坡度达到35°。裂缝从垭口处直接横向平行于山脊延伸至II回124#铁塔正下方，且发育有一条延向塔位的裂缝，地表裂缝消失处距离铁塔仅29.1 m。边界大裂缝下坡侧约50.0 m处，发育一条长23.0 m、宽0.3 m的地裂缝，见图3～图5。

图3 塔位下方局部地裂缝

图4 塔位下方局部错台地裂缝

图5 煤层采空区剖面示意图

塔位南侧斜坡坡度相对较陡，坡面因采空区塌陷形成地裂缝破坏了岩土体的完整性，采空区塌陷边界以内的岩土体受拉裂作用发生较大位移，岩土体发生过错动，使得原本完好的岩土体力学性质指标降低，力学性质较差。后期在雨水丰富年份，雨水易下渗入破裂状岩土体内，增加岩土体的重度，且雨水的存在进一步降低了岩土体粘聚力和内摩擦角，大大降低了岩土体力学性质。

南侧斜坡除了受丰富雨水的影响外，必须考虑后期地震对边坡岩土体稳定性的影响，场区地震设防烈度为VII，场区区域稳定性较差。场地在采空区塌陷之前，岩土工程条件较好，岩土体较稳定，抗震稳定性较好，但采空区塌陷之后，塔位下侧冲沟内塌陷体在地震作用下会发生密实作用，地表易发生少量变形，导致斜坡岩土体进一步受到拉裂，同时斜坡岩土体受地震加速度影响，易进一步受到破坏，增加了岩土体下滑力，极易形成滑坡。地裂缝范围内斜坡在不利因素作用下易先发生滑动，滑动后滑坡后缘形成了临空面，使得后缘以上塔位附近岩土体失去支撑，平衡稳定性受到破坏，岩土体失稳，影响塔位安全稳定。

综上所述，塔位南侧地裂缝斜坡后期受充沛雨水、地震等不利因素作用下，斜坡岩土体易发生滑动，威胁铁塔安全稳定性。

4.2 边坡定量分析

4.2.1 岩土参数

边坡主要进行二维极限平衡稳定性分析，计算工具采用“理正边坡稳定性分析程序”。边坡岩土体的力学参数，主要依据现场对边坡体的工程地质调查、室内试验参数、反演参数及工程经验综合确定，详见表1。

表1 边坡岩土参数

4.2.2 边坡模型

考虑铁塔下方出现贯通裂缝，缝宽20～60 cm，裂缝的深度较大，延伸较长。结合现场勘察资料，选取典型剖面，建立三种模型：

(1)现状模型。将裂缝考虑为0.5 m宽的软弱夹层，结合坑探、钻探及物探资料确定裂缝分布方向，见图6。

图6 典型剖面计算模型图

(2)滑动后模型。即裂缝所在的边坡部分发生滑动，对裂缝上坡侧边坡建立模型，用以评价铁塔的稳定性，见图7。

图7 典型剖面滑动后计算模型图

(3)灌浆加固模型。对裂缝进行加固处理，处理后完整的坡面稳定性，见图8。

图8 典型剖面注浆加固计算模型图

4.2.3 稳定性分析结果

利用上述模型与岩土体参数对边坡进行稳定性计算，所得边坡稳定性安全系数结果见表 2。

表2 边坡稳定性安全系数计算结果

根据稳定分析结果知，现场出现裂缝区域均为潜在不稳定区域，在暴雨或地震等极端工况下有滑动的可能，通过验算裂缝贯通区滑动后剩余坡体的稳定性，结果表明在各种工况下均为不稳定，威胁输电线路铁塔的稳定。考虑到500 kV漫昆Ⅰ回137#铁塔和II回124#铁塔在该边坡变形区域内；故需要对该边坡进行加固处理，以保证铁塔的安全。

5 采空区边坡的治理措施

采空区形成的边坡裂缝范围较大，且裂缝深度较深，治理边坡投资较大，为了节约治理成本，采用保护塔位岩土体稳定性的治理措施，因此，在塔位不稳定边坡侧采用抗滑桩治理措施。为了保证滑坡滑动后不影响到塔位稳定性，采用环状保护塔位的方式，I回137#塔位共采用11根抗滑桩，II回124#塔位共采用8根抗滑桩。由于目前滑坡滑动面深度较深，后缘形成较大临空面，根据临空面的自然休止角确定后缘次生滑坡的滑面，深度可达16 m，根据理正边坡稳定性分析程序计算确定出平均桩长为25 m，桩间距为5 m，桩截面尺寸为1.2 m×1.8 m，治理方案见图9。

图9 抗滑桩平面布置图

由于采空区场地稳定性较差，塌陷体较松散，后期在雨水和地震等不利因素作用下塌陷体易发生进一步密实沉降。塔位下斜坡拉裂缝的发展趋势主要受斜坡下冲沟沉降变形影响，且冲沟塌陷体极其破碎松散，若冲沟塌陷体处于完整状态，保持冲沟密实沉降变小，斜坡拉裂缝不易进一步发展，有利于边坡保持稳定，因此，建议在斜坡下冲沟内采用注浆加固，注浆深度控制在20 m范围内。

为了防止雨水渗入斜坡岩土体，对斜坡稳定性不利，建议对已有裂缝进行封填处理，采用黏土封填裂缝。

6 结语

根据采空区岩土工程勘测可知，采空区塌陷已处于衰退期，地表因塌陷的变形已结束，塔基未处于塌陷范围内，但塔位位于塌陷边缘山体顶部，地裂缝距离山脊顶部较近，经过现场勘测和数值计算分析，判定边坡稳定性较差，边坡易发生滑动，影响塔位稳定性。由于治理整个边坡投资较大，经过专家组评审分析确定采用保护塔位稳定性的方式处理边坡，因此，在塔位东南侧设置抗滑桩支护措施，防止下侧边坡失稳影响塔位处岩土体稳定性。同时，在斜坡和沟底采用注浆加固措施，进一步加强边坡稳定性，为防止雨水灌入裂缝，影响边坡稳定性，需封填裂缝。

[1]柯洪.500 kV漫昆Ⅰ、Ⅱ回线法古苴段塔位地质勘测项目岩土工程勘测报告[R].昆明：中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，2016.

[2]GB 51044－2014，煤矿采空区岩土工程勘察规范[S].

[3]张鲁渝，郑颖人.简化Bishop法的扩展及其应用[C]//中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集编委会.中国土木工程协会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京：清华大学出版社，2003.

[4]郑颖人.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.