某輸電線路危險(xiǎn)塔位穩(wěn)定性分析

陳 震 陳勁蕾 柴 燕

(江漢大學(xué)，湖北 武漢 430056)

1 概述

礦產(chǎn)資源開發(fā)及其他人類工程活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生泥石流、地面塌陷、地裂縫、滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)某地區(qū)220 kV及以上輸電線路部分危險(xiǎn)桿塔地段進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性情況調(diào)查，通過計(jì)算對(duì)危險(xiǎn)桿塔段進(jìn)行穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)是輸電線路選線和桿塔定位的必備環(huán)節(jié)。本文根據(jù)計(jì)算結(jié)果、結(jié)合實(shí)際情況，依據(jù)相關(guān)規(guī)范提出了合理的處理措施和方案。

2 危險(xiǎn)性的桿塔段概況

2.1 氣象水文條件

該地區(qū)內(nèi)年平均降水量為1 382.9 mm，最高氣溫30 ℃，最低氣溫-5 ℃，冰凍期為每年12月、元月，年平均蒸發(fā)量為1 083.6 mm。調(diào)查區(qū)有一河流，其最大流量68.1 m3/s，最小流量1.119 m3/s，河水主要受大氣降水控制。

2.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)線路屬于越嶺電力線路，桿段塔基所處地貌以低中山、高中山剝蝕地貌為主，呈山間溝谷地形。植被以雜樹林、灌木叢為主，在緩坡和地勢(shì)低洼地帶有部分耕地。該區(qū)巖性主要為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)睹航M(P3l)、三疊系飛仙關(guān)組(T1f)泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，屬中硬覆巖類型。

該桿塔位于接近坡頂?shù)纳狡律?，坡?80°、坡度25°，附近為單斜構(gòu)造，產(chǎn)狀190∠66°，西側(cè)250 m左右發(fā)育逆斷層，走向S37～40°W，傾向SE，傾角54°～46°，水平斷距20 m～90 m，垂直斷距20 m～60 m。

2.3 人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響

區(qū)內(nèi)存在大量煤層，人類工程活動(dòng)主要為煤礦開采和與之配套的道路修建。由于開采歷史較久，地面線路塔基受老硐、小煤窯的分布不均衡的影響。

礦區(qū)煤層露頭及煤層淺部地帶小煤窯開采歷史悠久，開采深度一般為30 m～60 m，已造成片段的采空區(qū)。煤層傾角43°～50°，平均傾角為47°，屬陡傾斜煤層。松散層厚度為0 m～20 m，平均厚度為10 m，為弱含水層。

采空區(qū)影響范圍及高程情況見圖1。

3 危險(xiǎn)性桿塔段穩(wěn)定性分析

3.1 桿塔穩(wěn)定性分析依據(jù)

3.1.1煤礦安全開采深度

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，煤礦安全開采深度按式(1)計(jì)算[1,2]：

Hδ=Mn·K

(1)

式中：Hδ——安全開采深度，m；

Mn——煤層采高或綜合作用厚度,m；

K——安全系數(shù)。

220 kV輸電線路地面設(shè)施保護(hù)級(jí)別為Ⅱ級(jí)，地面設(shè)施的安全系數(shù)取K=150。

3.1.2地表移動(dòng)及變形預(yù)計(jì)

依據(jù)文獻(xiàn)[2]，概率積分法與經(jīng)驗(yàn)公式法在預(yù)測(cè)桿塔所處位置地表水平移動(dòng)量及下沉和傾斜變形量中有較好的適用性，相應(yīng)的計(jì)算公式見式(2)～式(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：W(x)——任意一點(diǎn)的下沉量,m；

U(x)——任意一點(diǎn)的水平位移,m；

ε(x)——任意一點(diǎn)的水平變形，mm/m；

T(x)——任意一點(diǎn)的傾斜，mm/m；

r——主要影響半徑,m；

h——土層平均厚度,m；

H——平均開采深度,m；

b——水平移動(dòng)系數(shù)，b=0.3×(1+0.008 6α)；

α——煤層傾角，(°)；

η——下層系數(shù)，取0.7。

3.1.3建筑物損壞等級(jí)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，采空區(qū)建筑物損壞等級(jí)分為輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、嚴(yán)重?fù)p壞四級(jí)[2]，其對(duì)應(yīng)的水平變形和傾斜值見表1。

表1 建筑物損壞等級(jí)表

3.2 危險(xiǎn)性桿塔段穩(wěn)定性計(jì)算

該桿塔坐落于三疊系飛仙關(guān)組地層之上，該地層為含煤地層直接頂板。調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、地面沉陷等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。該區(qū)域小煤窯開采歷史悠久，存在小范圍采空區(qū)，附近有地表開裂現(xiàn)象，長(zhǎng)約1 m～2 m，寬5 cm～15 cm不等，但已被農(nóng)業(yè)耕作覆蓋。塔基基座見裂縫兩條，寬度約4 cm～5 cm。

在確定地表影響范圍時(shí)，由于基礎(chǔ)脆弱同時(shí)考慮到輸電線路的重要性，以最大范圍進(jìn)行圈定。通過圖解法結(jié)合開采影響半徑，取其下山邊界角β0=44°[2]。

綜合作用厚度計(jì)算見表2。由式(1)可知，煤礦現(xiàn)狀平均開采深度為212 m，未來平均開采深度為234 m，遠(yuǎn)小于安全開采深度2 505 m，其開采深厚比為86，遠(yuǎn)小于地面設(shè)施保護(hù)級(jí)別屬Ⅱ級(jí)時(shí)的安全系數(shù)K=150。

表2 煤礦煤層開采綜合作用厚度計(jì)算表

該桿塔位于現(xiàn)有采空區(qū)內(nèi)，用概率積分法[2]計(jì)算現(xiàn)狀采空條件下桿塔所處位置可能產(chǎn)生的變形結(jié)果見表3。

表3 變形計(jì)算結(jié)果

4 危險(xiǎn)桿塔段防治措施建議

該桿塔位于現(xiàn)狀采空區(qū)影響范圍之內(nèi)，煤礦開采引發(fā)和加劇地表開裂、地面沉陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性大，現(xiàn)狀條件下，塔位穩(wěn)定性差，隨著煤礦的進(jìn)一步開采，采空區(qū)影響范圍將進(jìn)一步加大，加劇地質(zhì)災(zāi)害的可能性大，塔位、桿塔遭受地質(zhì)災(zāi)害的可能性大、危險(xiǎn)大、危害性大。鑒于以上桿塔段均處于煤礦未來開采地面下陷影響范圍之內(nèi)，塔基的穩(wěn)定性沒有保障，存在嚴(yán)重的安全隱患，建議將該桿塔改線到距離未來采空影響范圍200 m以外的區(qū)域。

5 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查結(jié)果，結(jié)合線路路徑經(jīng)過區(qū)域的實(shí)際情況，該輸電線路所遭受的主要地質(zhì)災(zāi)害類型為地表開裂及地面塌陷，及其所引發(fā)的崩塌及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，從而可能會(huì)導(dǎo)致線路工程局部出現(xiàn)塔基倒塌，線路斷電等以至于影響周邊地區(qū)的電力供應(yīng)問題。因而，需要對(duì)輸電線路塔位的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治措施。