電塔樁基受采動及風荷載共同影響下的變形特征研究

秦忠誠，李曉禾，門懋進，高 彪

(1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590)

近年來，國家對生態環境保護及資源合理利用愈加重視，原煤轉化為電能成為煤炭資源開發利用的途徑之一[1]。輸電線路難免會架設在礦井生產區域范圍內。當工作面回采時，受采動影響上覆巖體發生垮落、斷裂及彎曲下沉，使地表發生移動變形，會對高壓電塔基礎造成影響，威脅到高壓線路的安全運行[2-5]。

國內外學者對采煤工作面上部高壓電塔的安全運行開展了大量研究：趙秀麗等[6]基于概率積分法，分析了采動影響下地表移動變形特征，以判斷輸電塔塔基受采動影響程度；孫凱華[7]結合工程實例，運用數值分析方法對地表移動變形做出預計，并對工作面上方桿塔進行安全性評價，提出了桿塔保護措施；郭文兵等[8]構建高壓電塔地基、基礎與鐵塔結構的協同變形理論，研究了采動影響下高壓電塔變形與破壞規律；劉朝安等[9]分析了重復采動情況下地表桿塔下沉傾斜變化特征，對桿塔安全防護提出了相應措施；麻玉山等[10]研究了輸電鐵塔塔基在不同風荷載作用下的變形特征，計算出不同風荷載下地基邊坡的穩定性系數；YUAN H P等[11]對特高壓大跨度塔基礎協調變形機理進行分析，并開展了優化設計；YUN Z Y等[12]建立了輸電塔在風荷載作用下的力學響應有限元模型，研究了風荷載對輸電塔力學響應的影響；Vladimir Gusev等[13]提出了一種監測架空線路狀況的方法，并對位于采礦活動引起地表位移和變形影響區域的輸電塔位置和架空電力線路狀況變化進行預測評估；Sergiusz Boron[14]分析了開采沉陷對地表電力線路的影響，開展了沉陷對導線應力各因素的影響評估，并進行了實例計算。

以上研究多集中于分析高壓電塔基礎受單一因素影響下的變形特征及預計高壓線塔變形兩方面，針對多因素作用下高壓電塔塔基移動變形特征的研究相對較少。筆者在前人研究的基礎上，根據陜西朱家峁煤礦和地表高壓電塔現狀，對采動和風荷載共同作用下樁基下沉值進行預計：①建立三維模型并進行數值模擬分析；②以現場實際監測結果為標準，對比預計值及模擬值；③分析地表移動變形特征和高壓電塔基礎在多種因素作用下的變形特征。旨在為該礦區開采及地表構筑物保護提供建議，為相關工程背景下電塔樁基移動變形分析提供借鑒。

1 工程概況

陜北地區榆能橫山電廠—榆橫開關站1 000 kV輸電線路穿越朱家峁礦區，其中009號電塔位于回采工作面上方，詳細線路及工作面可能影響線路運行區域如圖1所示。

圖1 輸電線路與工作面相對位置

電塔為酒杯形直流電塔，高度43.9 m，質量約110 t；電塔基礎為人工挖孔樁基，樁基深度17 m，間距20 m；樁基主筋采用HRB400，箍筋采用HPB235。該輸電線路下布置有3302綜采工作面，工作面走向長4 200 m，傾向長240 m，采高平均3 m，所采煤層為近水平煤層，采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法控制頂板。

2 高壓線塔基礎與地表移動變形特征及預計

地下煤炭資源開采引發上覆巖層原巖應力重新分布，當應力變化傳遞到地表后，地表發生下沉、傾斜、水平移動、水平變形及曲率變化。其中,地表下沉、傾斜及水平移動變形對地表高壓電塔影響顯著。地表下沉引起電塔基礎沉降，當塔基位于高潛水位礦區時，出現地下水位面接近甚至超過基礎的狀況，使電塔地基及基礎經水泡軟后強度降低，對電塔穩定性造成影響；地表傾斜導致基礎出現不均勻沉降，導致上部結構發生傾斜，上部結構在自身重力影響下加大了電塔傾覆可能性；地表水平移動會造成輸電線路檔距的增大，導致線路緊繃，若遇到大風雨雪等惡劣天氣，會威脅到線路及電塔安全[15]。

采用剖面函數預計法對樁基地表進行沉降預計，用充分采動下的三角函數法表示的地表下沉曲線如下[16]:

(1)

地表傾斜量i(x)為[16]：

(2)

式中：w(x)為地表任一點處的下沉值，mm；wmax為地表最大下沉值，wmax=qmcosα，mm；x為最大下沉點距離，m；l為半盆地長，即最大下沉點到盆地邊界的距離，m；q為下沉系數；m為煤層開采厚度，m；α為煤層傾角，(°)。

結合地質勘探地層資料，得到計算參數見表1。

表1 計算參數

經預計，采動作用下高壓電塔處地表下沉約為262.02 mm。

3 采動及風荷載共同作用下塔基變形三維模擬

3.1 三維模型建立

研究區域地表等高線如圖2所示。借助Rhino建模軟件繪制地表及地層三維模型，如圖3所示，模型尺寸為800 m×650 m×320 m，初始模型共劃分994 147個單元，195 046個節點。

圖2 地表等高線

圖3 數值模擬網格模型

依據現場實際情況，將監測點布置在4個基礎上，在A樁布設1～9號監測點，在B樁布設11～19號監測點，在C樁布設21～29號監測點，在D樁布設31～39號監測點。監測點位置分布如圖4所示。

圖4 監測點位置分布

3.2 參數選取

數值模擬中力學參數的選取對計算結果起到決定性作用。模型中各地層參數參照工作面鉆孔數據、巖石力學試驗及相關文獻[17]確定，巖體物理力學參數見表2。

表2 高壓電塔下開采模型物理力學參數

3.3 邊界條件及荷載施加

3.3.1 邊界條件

運用FLAC3D通過設置位移與應力邊界模擬巖層及土體原始應力平衡狀態，通過開挖求解模擬真實地表沉陷及高層建筑變形。設定前后左右4個面的法向位移為0；頂面及地表為自由面，只模擬施加重力。

3.3.2 風荷載及重力作用

陜西橫山區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，處于西風帶，以西北風為主。常年風速平均為2.1 m/s，最大風速可達25.3 m/s[18]。由于實際高壓電塔鐵塔桁架結構復雜，電塔框架頂部與底部寬度相差極大，橫擔主軸位于電塔整體中心，因此可將電塔框架簡化為桿件系統，計算風荷載對基礎的受載情況可簡化為如圖5所示的鐵塔二維力學結構體系進行，并將計算出的力按照高度、角度換算至各樁。

FN—樁基受到的豎向力；Ff—樁基受到的側向力；F西北風—風荷載。

圖5 鐵塔二維力學結構體系

根據GB 50665—2019《1 000 kV架空輸電線路設計規范》[19]規定，計算垂直于高壓電塔風荷載標準值：

ωk=βzμzμω0

(3)

式中：ωk為作用在高聳結構z高度處單位投影面積上的風荷載標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數；μz為高度z處的風壓高度變化系數；μ為風荷載體型系數；ω0為基本風壓，kN/m2。

依據GB 50665—2019，計算得到電塔風荷載總量約為2 267.5 kN。高壓電塔質量約110 t，計算塔基所受重力1 078 kN。計算整理得到電塔樁基沿地表x、y、z3個方向的荷載，結果見表3。

表3 高壓電塔樁基荷載

3.3.3 采動作用

根據實際工作面采掘進度，將模型工作面劃分為不同組別。通過分步開挖模擬采動對高壓線塔基礎的影響。

3.4 高壓線塔樁基移動變形特征分析

通過數值模擬提取地表x、y、z3個方向位移，結合地表樁基及地表等高線，繪制多因素共同作用下地表x、y、z方向位移圖，如圖6所示。

(a)x方向位移

由圖6可知，位于開切眼前方及坡體處x方向位移最大，分析原因為坡體受采動影響產生滑移，使x方向位移加大；3302工作面兩側軌道巷及膠帶巷地表側受到采動影響，兩側y方向位移發生相對變形，且變形量也受地表地形的影響；開切眼向前回采過程中，地表開始下沉形成盆地。由于地表黃土溝壑縱橫地形原因，坡體移動變形相較于平地與坡頂變形大，地表位移變化起伏較大，呈現坡體位移大、平面位移小的現象。相對而言，樁基所在地表位置x、y、z方向位移相對周邊位移較小，分析原因是由于在電塔自重等永久荷載及風荷載作用下，壓實了高壓電塔下地基，從而增高了地基強度，因此受到采動影響時，塔基變形量要小于周邊變形量。

為進一步研究共同荷載作用下樁基移動變形，通過數值模擬樁基監測點位數據，整理得到共同荷載作用下樁基移動變形值，見表4。

表4 共同荷載作用下樁基移動變形值

從表4中可得高壓電塔樁基在共同荷載作用下移動變形狀況：A、B、C、D 4個樁基的下沉量分別為441.80、486.25、459.44、456.16 mm，平均下沉值為460.91 mm；x方向水平位移為121.45～142.52 mm；y方向水平位移為217.94～238.00 mm；4個樁基總體位移都為偏x正向、y正向下沉。最大沉降差出現在AB兩樁之間，沉降差為44.45 mm，傾斜值為2.22 mm/m。

通過對比地表下沉預計值與模擬實測值，發現剖面函數法預計值比模擬值低，分析原因在于剖面函數法所采用的數據存在偏差，使預計點位變形值出現較大偏差。由于兩者相差較大，因此需要通過現場實際監測來進行分析。

4 現場實際監測分析

為確保開采過程中輸電線路的正常運行，在地表高壓線塔布置監測點監測樁基變形情況。監測點分別布置在高壓線塔的4個基礎A、B、C、D中心點位上，監測點號為a11、a12、a13、a14，監測采動對高壓線塔的影響程度。觀測工作采用GPS-RTK技術[20]，按照《煤礦測量規程》[21]定期進行觀測；監測間隔時間為每20 d進行一次監測。監測完成后，高壓電塔樁基最終下沉量及傾斜值對比結果見表5。

表5 高壓電塔樁基最終下沉量及傾斜值對比

對比分析實際監測值與模擬值，進一步驗證了模擬值的正確性。通過分析得出：風荷載對樁基有一定影響，由于本文采用的是當地最大風荷載，因此模擬值較實際監測值大；對地表上覆高壓線塔樁基影響最大的是采動作用，當地最大風荷載也會對樁基造成一定影響。根據《建筑地基基礎設計規范》[22]中的規定，電塔地基沉降限值為400 mm，電塔地基允許傾斜限值為6 mm/m，本文中實際測量及模擬中的下沉值都超過了限值，雖然傾斜值未超過限值，但建議加強地表巡視并采取有效防護措施，確保高壓線路的安全運行。

5 結語

根據剖面函數法預計地表下沉值，并借助FLAC3D數值模型構建黃土谷壑地形，模擬采動影響下地表移動變形，通過對比實際測量值與剖面函數法預計值、模擬值，可以得到以下結論：

1)黃土谷壑地形在采動影響下表現為：坡體移動變形比平地及坡頂變形大；地表移動變形受地形影響大。樁基所處位置變形較周邊變形小，其原因是樁基受自身重力及風荷載大的影響，對地基進行了加強，延緩了下沉變形。

2)數值模擬能較好地體現現場實際。借助模擬軟件分析采動及風荷載共同作用下高壓電塔樁基的變形，4個樁基下沉量相差不大，最大沉降差出現在AB兩個基礎之間，傾斜值為2.22 mm/m。

3)風荷載對高壓電塔樁基造成一定變形影響，采動影響對地表樁基造成最大影響。因此，建議在采動期間對地表高壓線塔加強巡視并采取有效防護措施，確保高壓線路的安全運行。