廣東巖溶塌陷區(qū)輸電線路塔基穩(wěn)定性評(píng)估方法及數(shù)值模擬研究

鄭金杯，劉高，沈虹，樊友平，滑帥，蔣代興

(1.廣東電網(wǎng)公司佛山市供電局，廣東省佛山市 528000;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072;3.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，武漢市 430074)

0 引言

巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動(dòng)力或人為因素作用下產(chǎn)生的突發(fā)性地面變形破壞，其結(jié)果多形成圓錐形塌陷坑［1］。巖溶地面塌陷是地面變形破壞的主要類型，塌陷大多發(fā)生于碳酸鹽巖分布區(qū)，是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互作用的結(jié)果，其中人類活動(dòng)是加劇或促進(jìn)這種環(huán)境災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一［2］。近年來，隨著巖溶區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展，由此而引發(fā)的巖溶塌陷對(duì)輸電線路塔基穩(wěn)定性的影響問題日益突出，嚴(yán)重妨礙著巖溶區(qū)輸電線路的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)［3］。

1 廣東巖溶塌陷特征

廣東巖溶區(qū)主要零星分布在粵北陽山、英德、翁源、始興、仁化地區(qū)，粵西的陽春、云浮云城區(qū)，粵東東源、五華、興寧、新豐地區(qū)和珠江三角洲的深圳龍崗區(qū)及廣州花都區(qū)等，面積達(dá)15314.8 km2。

巖溶塌陷主要發(fā)生于石炭、泥盆和二疊系灰?guī)r分布的覆蓋型巖溶盆地內(nèi)，主要集中分布在廣花巖溶盆地、五華雙頭鎮(zhèn)、深圳坑梓、云浮云城區(qū)、乳源、恩平平石鎮(zhèn)和陽春等地。塌陷坑平面形態(tài)多呈圓形、橢圓形、長(zhǎng)條形和不規(guī)則形等;剖面形態(tài)大致可分為豎井狀、蝶狀、漏斗狀及壇狀［4］。抽排地下水引起的巖溶塌陷是廣東省地面塌陷的主要類型，可占到全部塌陷總數(shù)的70%，數(shù)量多，規(guī)模大。

2 巖溶塌陷成因和機(jī)制

2.1 成因

巖溶塌陷作為一種自然災(zāi)害，是在內(nèi)因和外因的共同作用下形成的［5］。內(nèi)因包括水文地質(zhì)條件、覆蓋層特征、巖溶發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造等。外因是巖溶地面塌陷的誘發(fā)因素［6］，它往往成為巖溶塌陷的導(dǎo)火線，包括降雨作用、地表水作用、河水位變動(dòng)、水庫蓄水、抽取地下水、振動(dòng)作用、荷載作用等。

2.2 機(jī)制

形成塌陷的機(jī)制很多，如潛蝕、真空吸蝕、壓強(qiáng)差效應(yīng)、垂直滲壓效應(yīng)、自重效應(yīng)、浮力效應(yīng)、振動(dòng)效應(yīng)等，主要有2種塌陷機(jī)制。

(1)潛蝕論［7］是1898年俄國學(xué)者巴浦洛夫提出的，在國內(nèi)外地質(zhì)界長(zhǎng)期被接受并加以應(yīng)用。在覆蓋型巖溶區(qū)，下伏存在溶蝕空洞，地下水經(jīng)覆蓋層向空洞滲流(或地下水位下降時(shí)，水力梯度增大)。在一定的水壓力作用下，地下水對(duì)土體或空隙中的充填物進(jìn)行沖蝕、掏空。從而在洞體頂板處的土體開始形成土洞，隨著土洞的不斷擴(kuò)大，最終引發(fā)洞頂塌落。當(dāng)土層較厚或有一定深度時(shí)，可以形成塌落拱而維持上伏土層的整體穩(wěn)定。當(dāng)土堆較薄時(shí)，土洞不能形成平衡。據(jù)太沙基(1933年)公式［7］，臨界水力梯度為

式中:Iρ為臨界水力梯度;γs為土顆粒密度;n為土體孔隙度。

據(jù)達(dá)西公式和動(dòng)能公式［8］，地下水側(cè)向流時(shí)的動(dòng)能為

式中:FH為地下水動(dòng)能;M為水的質(zhì)量;K為滲透系數(shù);I為水力梯度;n為巖土體的孔隙度;u為滲流速度。

(2)真空吸蝕論［7］是我國徐衛(wèi)國等于1979年提出的，國內(nèi)也普遍接受這一論點(diǎn)。巖溶網(wǎng)絡(luò)的封閉空腔(溶洞或土洞)中，當(dāng)?shù)叵滤淮蠓认陆档娇涨簧w層底面下時(shí)，地下水由承壓轉(zhuǎn)為無壓，空腔上部便形成低氣壓狀態(tài)的真空，產(chǎn)生抽吸力，吸蝕頂板的土顆粒。同時(shí)在內(nèi)外壓作用下，覆蓋層表面出現(xiàn)一種“沖壓”作用，從而加速土體破壞。

前面2種塌陷機(jī)制在很多巖溶塌陷中都得到了認(rèn)證，但都不能解釋巖溶地面同步塌陷及連續(xù)性塌陷現(xiàn)象。巖溶塌陷的形成往往不是在單獨(dú)一種機(jī)制作用下形成的，而是由某一因素、某一機(jī)制占主導(dǎo)作用，其他因素共同作用下形成的。

經(jīng)過實(shí)地考察和參考以往的研究可知，廣東地區(qū)大部分巖溶地面塌陷的成因機(jī)制均為潛蝕型。

3 塔基穩(wěn)定性評(píng)估方法

巖溶塌陷區(qū)塔基穩(wěn)定與否對(duì)輸電線路的鋪設(shè)和正常運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，因此，需要對(duì)巖溶塌陷區(qū)輸電線路塔基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此確定立塔方案，實(shí)際操作中可按下列步驟開展工作。

3.1 工程地質(zhì)調(diào)查

查明巖溶塌陷的位置、高程、成因、形態(tài)、規(guī)模、頂板土層與下伏基巖巖溶特征，洞內(nèi)堆積物和狀態(tài)、形成時(shí)間;查明巖溶塌陷與地層巖性、結(jié)構(gòu)、厚度及不同巖性組合的關(guān)系，劃分出變形類型及土洞發(fā)育程度區(qū)段;調(diào)查巖溶塌陷所處的地質(zhì)構(gòu)造部位、地層產(chǎn)狀及洼地分布、標(biāo)高和規(guī)模;調(diào)查地表水動(dòng)態(tài)、巖溶水類型、位置、標(biāo)高、連通條件及其與地表水體的關(guān)系，了解巖溶水環(huán)境、動(dòng)力條件、落水與涌水狀況;圈定可能發(fā)生巖溶塌陷的地段，選定輸電線路走向和塔位。

3.2 鉆探或物探手段

對(duì)于巖溶化巖體塔位，應(yīng)采用逐樁鉆孔勘探或結(jié)合物探，判定其特征;對(duì)極強(qiáng)巖溶化巖體、強(qiáng)危險(xiǎn)路段輔以地面物探和孔間CT層析成像技術(shù)(或孔中物探、管波探測(cè)、孔中電視等)，判定其空間展布基本形態(tài)、規(guī)模大小、發(fā)育程度、填充物分布、洞穴頂板厚度和完整性。

3.3 穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)判

可溶性碳酸鹽巖按巖溶化程度分級(jí)，有極強(qiáng)巖溶化巖體、強(qiáng)巖溶化巖體、巖溶化巖體和弱巖溶化巖體。塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)在建立此分級(jí)的基礎(chǔ)上，應(yīng)分塔位將覆蓋層、巖溶化基巖、接觸帶、巖溶地下水及周圍環(huán)境作為統(tǒng)一系統(tǒng)，確定統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過危險(xiǎn)度分析評(píng)判確定穩(wěn)定狀態(tài)，劃分為不穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、穩(wěn)定等狀態(tài)。

3.4 處置措施

(1)繞避及跨越措施。對(duì)于初步勘察發(fā)現(xiàn)的特大溶洞區(qū)(溶洞高度≥30 m，跨度＞100 m)，輸電線路不能通過和跨越時(shí)需采用路線繞避的方案。基礎(chǔ)處出現(xiàn)規(guī)模較大的溶洞(溶洞高度≥10 m，跨度＜50 m)時(shí)，宜采取適當(dāng)調(diào)整塔位或改變跨徑等方案。

(2)基礎(chǔ)調(diào)整措施。基巖面較淺，但溶洞埋藏較深時(shí)，可選用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ);當(dāng)覆蓋層較厚、巖溶發(fā)育、溶洞底面很深且洞內(nèi)填充土密實(shí)穩(wěn)定、具有足夠強(qiáng)度時(shí)，可選用樁基為摩擦樁，樁底可以穿過或不穿過溶洞，主要靠樁側(cè)土摩阻力來抵抗樁頂垂直力;當(dāng)巖溶發(fā)育、有多層溶洞且每層溶洞的頂板厚度不均、樁穿過多層溶洞、樁底置于基巖或有足夠厚度的溶洞頂板上時(shí)，可選用樁基為端承樁;同一墩、臺(tái)基礎(chǔ)范圍內(nèi)溶深高差懸殊、各樁受力不均勻時(shí)，不應(yīng)同時(shí)采用摩擦樁和端承樁，也不宜采用不同直徑、不同材料的樁;同一基礎(chǔ)范圍內(nèi)因巖溶深度高差懸殊，造成長(zhǎng)短樁基礎(chǔ)在荷載作用下，各樁受力不均勻時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)算。

(3)地基處理措施。在樁底溶洞頂板層厚度不滿足要求但必須穿越時(shí)，樁基穿過溶洞可采用充填封閉法、鋼護(hù)筒施工法等進(jìn)行處理。對(duì)于小溶洞(高度≤3 m)，采用充填封閉法填充溶洞，充填物根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示的溶洞情況確定，如果溶洞內(nèi)無充填物，則充填碎石或干沙;如果有充填物，且呈松散或軟塑狀，則充填水泥漿、水泥砂漿或水玻璃。填充后固結(jié)到一定強(qiáng)度時(shí)，按正常施工方法施工鉆孔灌注樁。通常在小溶洞無過水需要時(shí)，采用粘土、片石回填法施工即可;對(duì)于中溶洞和大溶洞一般采用鋼護(hù)筒施工法。對(duì)巖溶區(qū)橋基的處置，必須根據(jù)不同地質(zhì)情況(主要包括溶洞與土洞、溶洞與土洞頂板厚度、洞內(nèi)充填與未充填、覆蓋層厚度、巖層完整性、巖溶地下水等幾種情況)分別制定處置方案，還可采用鋼管樁或群樁基礎(chǔ)、后壓漿填充溶洞法、預(yù)壓漿固結(jié)法、旋噴樁護(hù)壁法等。在巖溶地下水流經(jīng)路段，為防止鉆孔過程中土體坍塌及大面積降低地下水位后造成周邊構(gòu)筑物的沉降，需設(shè)置旋噴樁支護(hù)止水帷幕。

4 塌陷區(qū)輸電塔數(shù)值模擬

本文采用三維有限元計(jì)算程序Abaqus進(jìn)行模擬計(jì)算。

4.1 幾何模型及參數(shù)

為了消除邊界效應(yīng)，設(shè)置長(zhǎng)20 m、寬4 m、深16 m的模型進(jìn)行研究。輸電塔樁基礎(chǔ)采用的樁徑是0.6 m，樁長(zhǎng)為9 m，見圖1;地基土與輸電塔整體模型見圖2。

計(jì)算中采用的地層參數(shù):密度為2×103kg/m3，彈性模量為10 MPa，泊松比為0.2，內(nèi)摩擦角為10°，粘聚力為20 kPa;抗滑樁與承臺(tái)力學(xué)參數(shù):密度為2.4×103kg/m3，彈性模量為 30 GPa，泊松比為 0.2，樁長(zhǎng)9 m;輸電塔力學(xué)參數(shù):密度為8.58×103kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。

4.2 模擬過程

輸電塔溶洞塌陷模擬主要是對(duì)輸電榙樁基礎(chǔ)下出現(xiàn)溶洞后，模擬地基土層、樁以及輸電塔失穩(wěn)的規(guī)律特征。地基土體為單一土層，塑性破壞遵循摩爾－庫侖法則。由于溶洞的出現(xiàn)是在地下水的侵蝕過程中逐漸形成的，本次模擬中將通過2步來形成溶洞:第1步是在自重力作用下，輸電塔、樁及地基土相互作用過程中產(chǎn)生沉降，通過軟件達(dá)到迭代平衡;第2步是通過開挖孔洞形成溶洞，并在上部建筑物和土體自重力作用下，產(chǎn)生沉降，在這一步中，位移較大，產(chǎn)生不收斂，迭代中斷。模型中開挖土體部分與地基土體之間用軟件的Tie命令將2部分連接起來，并且將開挖土體的上部邊界設(shè)置到距離樁端以上2 m的區(qū)域。

4.3 模擬結(jié)果

從模擬結(jié)果看，在開挖形成溶洞之前，土體及輸電塔在自重力作用下均產(chǎn)生垂直方向的位移。在同一水平位置的土體產(chǎn)生的位移量基本一致，在靠近樁基礎(chǔ)的部分位移量稍大。開挖形成溶洞之后，在溶洞側(cè)壁和溶洞上方的土體產(chǎn)生較大位移，遠(yuǎn)離溶洞的地方位移量逐漸減小。模型位移見圖3。

可以看出，位移量最大的區(qū)域是溶洞以上的地基土部分、樁及承臺(tái)和輸電塔。溶洞兩側(cè)壁土體直接被擠向空穴中，產(chǎn)生了較大變形，部分土體出現(xiàn)了塑性破壞。另外塔頂部分有向后傾倒的趨勢(shì)，在溶洞上方的地基土有向溶洞匯聚的趨勢(shì)，這一結(jié)果和現(xiàn)實(shí)情況較為吻合。

5 結(jié)語

廣東省巖溶塌陷可分為自然塌陷和抽排水塌陷，自然塌陷主要在旱澇交替強(qiáng)烈的年份發(fā)生較多，受地下水動(dòng)態(tài)作用演變特征的控制;抽排水塌陷多形成于隱伏巖溶區(qū)，主要是人工抽取地下水及采礦抽排地下水引起。巖溶塌陷區(qū)塔基穩(wěn)定與否對(duì)輸電線路的鋪設(shè)和正常運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要，因此，需要對(duì)巖溶塌陷區(qū)輸電線路塔基穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并據(jù)此確定立塔方案。采取三維數(shù)值模擬分析軟件Abaqus對(duì)巖溶塌陷區(qū)輸電塔穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

實(shí)踐表明，數(shù)值模擬手段能夠比較好地評(píng)價(jià)巖溶塌陷區(qū)輸電塔的穩(wěn)定性，在類似的工程中可以推廣。

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