于國強，張健，馬永君

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原030001；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

采動影響區(qū)輸電塔基高邊坡穩(wěn)定性研究

于國強1，張健1，馬永君2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原030001；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京100083）

以榆橫—濰坊1 000 kV特高壓交流線路工程為背景，選擇山區(qū)某需開挖高邊坡塔基，對采動影響下輸電塔基高邊坡的穩(wěn)定性展開研究。結(jié)合使用FLAC3D與GEOSTUDIO兩種數(shù)值分析軟件進行綜合分析。首先利用FLAC3D對煤層回采的全過程進行動態(tài)分析，得到高邊坡隨煤層回采的動態(tài)變形過程，獲得最終的狀態(tài)，之后根據(jù)FLAC3D得到的最終狀態(tài)，利用GEOSTUDIO進行高邊坡建模分析，得到煤層回采完成后高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，與相似工程實測數(shù)據(jù)的對比驗證了該方法的可行性，同時選取放坡系數(shù)為1∶0.5和1∶0.3兩種放坡方案進行對比分析，研究發(fā)現(xiàn)：針對該工程1:0.3的放坡系數(shù)較1:0.5的放坡系數(shù)更加安全經(jīng)濟，同時相同延米下應(yīng)該采用不等長的錨桿設(shè)計。該研究成果可對類似工程提供借鑒。

采動影響區(qū)；輸電塔基；高邊坡；穩(wěn)定性

0 引言

煤炭在我國能源消耗體系中居于主體地位，并且在相當(dāng)長的時間內(nèi)，主體地位不會改變[1,2]。煤炭是我國電力系統(tǒng)的主要動力來源，因此很多發(fā)電廠都靠近煤炭生產(chǎn)基地。然而，我國煤炭資源分布不均，整體上西部多東部少，這也就決定了跨區(qū)域輸電的必要性[3]。

架空輸電線路不可避免地要穿越山區(qū)地帶，為此施工輸電塔基經(jīng)常需要在山體上開挖邊坡。地下煤礦資源的大面積開采，形成煤礦采空區(qū)，并進一步發(fā)展引起采空區(qū)上方地表的移動和變形，一方面造成上部輸電鐵塔基礎(chǔ)的損害，另一方面也會危害開挖的高邊坡的穩(wěn)定性，威脅著輸電線路的安全運行。特別是特高壓線路工程，其作為全國聯(lián)網(wǎng)的骨干電網(wǎng)，線路運行要求必須安全可靠，萬無一失。

這種背景下，采動影響區(qū)輸電塔基高邊坡穩(wěn)定性研究成為一個現(xiàn)實問題。

關(guān)于煤層開采對邊坡穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)外已有相關(guān)的學(xué)者做了這方面的研究，包括理論研究、相似模擬、數(shù)值模擬等[4-8]。

數(shù)值模擬相對于其他方法可以很好地考慮實際的地層情況，通過合理的建模及參數(shù)邊界條件，可更好地符合工程的實際工況，實現(xiàn)對工程全過程的動態(tài)模擬計算。因此本文特選擇數(shù)值模擬計算的方法展開研究。

現(xiàn)有關(guān)于煤層開采對邊坡影響的數(shù)值模擬研究很多都是針對露天礦的開采，取得了很好的效果，針對井下煤層回采對上部邊坡影響的研究相對較少，且存在一定的局限性，一方面很多研究沒有考慮煤層實際的回采過程，一次性完成整個回采工作面的開采；另一方面沒有考慮到煤層開采的原理，特別是全部垮落法開采的原理，以致得到的結(jié)果不能很好地與工程實際對應(yīng)。

鑒于該領(lǐng)域目前研究的不足之處，本文以榆橫—濰坊特高壓交流線路工程為背景，選擇山區(qū)某需開挖高邊坡塔基，對采動影響下輸電塔基高邊坡的穩(wěn)定性展開研究。

1 工程背景

本文以榆橫—濰坊特高壓交流線路工程為背景，選擇某需開挖高邊坡的典型塔基展開研究。該段線路沿線多為山地、高山等海拔較高地區(qū)，地形較差，附近采空區(qū)較多，設(shè)計與施工難度大。該塔位采用常規(guī)的整體式防護大板基礎(chǔ)，需要人工切坡，該施工塔基由于邊坡自穩(wěn)能力差，設(shè)計選取1∶0.5的放坡系數(shù)進行放坡，同時采用錨噴支護方式對高邊坡進行加固。根據(jù)設(shè)計，當(dāng)不考慮放坡時，該塔基豎向開挖深度為21 m；如果巖石邊坡按1∶0.5的放坡系數(shù)二級放坡，豎向開挖深度27.6 m，邊坡最大長度31.2 m，塔基施工完成并回填后，邊坡最大長度24.5 m。

塔基處于計采區(qū)范圍，計采區(qū)內(nèi)井田基巖出露比較好，部分溝谷、山梁、山峁為第四系黃土所覆蓋。根據(jù)鉆孔勘探資料，該區(qū)域典型地質(zhì)條件為，巖層由老到新：奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，石炭系上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組，二疊系下統(tǒng)下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組，二疊系上統(tǒng)石千峰組，第四系中上更新統(tǒng)，全新統(tǒng)。

根據(jù)礦區(qū)相關(guān)資料，15號煤層為采取內(nèi)穩(wěn)定可采煤層，故本文選擇開采15號煤層。煤層厚度約6.0 m，其頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為粉砂巖，頂板節(jié)理、裂隙較發(fā)育，不太穩(wěn)定，采用自然垮落法管理頂板；底板為泥巖、局部為鋁土及炭質(zhì)泥巖，老底為粉沙巖，泥巖底板較破碎，強度低，層位不太穩(wěn)定，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象。

2 數(shù)值模擬計算

本文結(jié)合使用FLAC3D與GEOSTUDIO兩種數(shù)值分析軟件進行綜合分析。

FLAC3D在巖土工程領(lǐng)域有其巨大的適用性和優(yōu)越性，相對于其他軟件，計算結(jié)果更為精確。通過合理設(shè)置邊界及內(nèi)部條件，可以很好地模擬放頂煤的開采。首先利用FLAC3D建立三維模型，結(jié)合具體的地質(zhì)勘探資料，考慮高邊坡、塔基、煤層回采等具體的工況，對高邊坡開挖、塔基施工及塔基回填過程進行模擬，得到塔基施工完成后的初始應(yīng)力場，然后基于此進行煤層回采的全過程動態(tài)模擬，得到煤層回采完成后，高邊坡最終的受力及變形狀態(tài)。

FLAC3D關(guān)于邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計算方法為強度折減法，即通過不斷地折減巖土體材料的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，直至模型不能平衡為止，此時的折減系數(shù)定為穩(wěn)定安全系數(shù)。為實現(xiàn)煤層回采過程中高邊坡的全過程動態(tài)模擬，F(xiàn)LAC3D建立的模型考慮了煤層回采及高邊坡等工況，對于放頂煤開采，如果用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計算，得到的結(jié)果不能代表邊坡部位的穩(wěn)定安全系數(shù)。

本文利用GEOSTUDIO軟件，其原理為極限平衡法，根據(jù)FLAC3D得到的最終狀態(tài)進行高邊坡建模分析，得到煤層回采完成后高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

2.1 FLAC3D數(shù)值模擬計算

計算模型如圖1所示?？紤]最不利工況，選取X向為切眼方向（傾向），Y向為煤層開采方向（走向），塔基位于回采工作面中間。煤層開采厚度為6.0 m，煤層埋深450 m。根據(jù)該礦區(qū)開采技術(shù)水平條件，X向切眼長度定為135 m，風(fēng)巷與機巷的寬度定為5 m，兩側(cè)各向外擴展150 m，總長435 m；Y方向煤田開采長度定為700 m，兩側(cè)各向外擴展200 m，總長1 100 m；底部沿煤層開挖底面向下取約10倍采高，模型最高約600 m，基本可以消除邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響。所有邊界均為位移邊界條件，其中模型底部為固定端約束，左右約束X向位移，前后約束Y方向位移。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

模型共計176 648個實體單元，2 304個結(jié)構(gòu)單元，其中：巖土體采用實體單元，噴射混凝土、擋土板采用shell單元；支護樁采用pile單元；防護大板采用liner單元；錨桿采用cable單元。

2.1.1 計算參數(shù)

巖土體材料采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，各巖層假定為理想彈塑性體。根據(jù)地質(zhì)勘探資料及室內(nèi)試驗，研究區(qū)域內(nèi)典型巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。塔基及邊坡設(shè)計資料見表2。噴射混凝土、擋土板、支護樁、防護大板等參數(shù)按設(shè)計方案結(jié)合工程經(jīng)驗選取。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 邊坡及塔基設(shè)計參數(shù)

根據(jù)規(guī)范及設(shè)計工況，桿塔作用在塔基上的最大拔力約3 600 kN，最大壓力約5 200 kN?？紤]最不利工況，拔力作用在靠近坡腳的兩個塔腿上，壓力作用在遠(yuǎn)離坡腳的兩個塔腿上。

2.1.2 計算結(jié)果

為了研究不同的放坡坡度對邊坡穩(wěn)定的影響，本文結(jié)合設(shè)計方案，選擇1∶0.5和1∶0.3兩種放坡系數(shù)進行對比分析。

煤層回采完成后，典型地層變形云圖如圖2所示。

圖2 煤層回采完成后地層典型變形云圖

根據(jù)FLAC3D計算結(jié)果可以得到煤層回采全過程中邊坡位移及應(yīng)力的變化及最終的結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，放坡系數(shù)為1∶0.5時，邊坡坡頂相對于坡腳沿Y軸負(fù)向移動大約25 cm；放坡系數(shù)為1∶0.3時，邊坡坡頂相對于坡底沿Y軸負(fù)向移動大約21 cm。

2.2 SLOPE數(shù)值模擬計算

應(yīng)用FLAC3D強度折減法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)是針對于整體計算模型而言的，而不是高邊坡處的局部穩(wěn)定安全系數(shù)。因此根據(jù)FLAC3D得到的最終狀態(tài)，利用GEOSTUDIO進行高邊坡建模分析，得到煤層回采完成后高邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。

此處同樣對放坡系數(shù)分別為1∶0.5和1∶0.3的邊坡加固方案進行對比分析，以優(yōu)化研究。計算過程中，巖土體參數(shù)選取如下，巖石為中風(fēng)化砂巖，粘聚力取值75 kPa，內(nèi)摩擦角取值28°；邊坡軟弱夾層粘聚力取值3.2 kPa，內(nèi)摩擦角取值18°。

利用GEOSTUDIO計算分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 邊坡最終穩(wěn)定安全系數(shù)對比

根據(jù)SLOPE數(shù)值模擬計算結(jié)果放坡系數(shù)為1∶0.3時得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.396，較放坡系數(shù)為1∶0.5時得到的穩(wěn)定安全系數(shù)1.347要大。分析原因為當(dāng)采用1∶0.3的放坡系數(shù)進行邊坡開挖時，雖然邊坡較1∶0.5的放坡系數(shù)時陡峭，但邊坡開挖高度相對要降低很多，因此整體上要偏于安全；同時采用1∶0.3的放坡系數(shù)，塔基施工時土方開挖及錨桿打設(shè)費用都大為降低，因此根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)化原有1∶0.5放坡系數(shù)為1∶0.3。

通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然1:0.3的放坡系數(shù)較1∶0.5的放坡系數(shù)偏于安全，但其上部錨桿同樣未穿過潛在的滑移面，因此打設(shè)后效果很差，下部錨桿雖穿越潛在的滑移面，但穿越距離過長，造成浪費。因此考慮在錨桿總長度不變的條件下，對單根錨桿的打設(shè)長度進行優(yōu)化。根據(jù)GEOSTUDIO的計算結(jié)果，優(yōu)化后的錨桿長度見表3。

表3 錨桿優(yōu)化設(shè)計長度m

3 相似工程借鑒

為驗證FLAC3D模型計算結(jié)果的可靠性，特選擇相似礦山開采工程作為對照，根據(jù)相似礦區(qū)某回采面的監(jiān)測情況，地層與本工程類似，同樣開采15號煤層，采深300m，工作面煤厚6.2 m，塌陷深度約3.7m。故本文中FLAC3D得到的2.96 m的沉降計算結(jié)果基本在合理范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬計算結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

a)本工程典型的覆巖及采深采厚比條件下，放坡系數(shù)為1∶0.3比放坡系數(shù)為1∶0.5的邊坡放坡坡度更加經(jīng)濟安全。

b)相同延米下，采用不等長的錨桿長度設(shè)計，具有更高的安全系數(shù)及經(jīng)濟效益。

c)需要指出合理的井下煤柱留設(shè)、充填開采、地層深層注漿等仍是控制地層沉降最有效措施。

[1]張靜.采動影響下風(fēng)力發(fā)電機組變形機理及其控制研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2014.

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Study on Stability of High Slope of Transmission Tower in Coal Mining Area

YU Guoqiang1，ZHANG Jian1,MA Yongjun2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi 030001,China；2.China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China）

Based on Yuheng-Weifang 1 000 kV UHA AC Transmission Line Project and with the choice of one tower foundation excavation on the high slope,this paper studied the stability of the high slope of the transmission tower foundation in coal mining affected area.In this paper,numerical analysis software FLAC3D and GEOSTUDIO were adopted for analysis.Firstly,FLAC3D was used to analyze the whole process of seam mining,and the dynamic deformation process of high slope under coal seam mining was obtained.Then, according to the final state on FLAC3D,the stability safety factor of high slope after coal seam mining was obtained by establishing high slope model by using GEOSTUDIO.The feasibility of this method was verified by comparing with the measured data of similar project.At the same time,comparative analysis on the schemes of choosing different sloping coefficient1∶0.5 and 1∶0.3 shows that it is more safe and economic for the project to use the sloping coefficient1∶0.3.At the same time，it is supposed to use bolts with different length when the extension meters are equal.The research results can provide reference for similar projects.

mining affected area;transmission tower foundation;high slope;stability

TM753

A

1671-0320（2017）01-0019-04

2016-08-19，

2016-10-22

于國強（1984），男，遼寧東港人，2014年畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，工程碩士，工程師，從事特高壓電網(wǎng)項目建設(shè)管理工作;張?。?981），男，山西晉城人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電機與電器專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電力工程建設(shè)、高電壓試驗等工作;馬永君（1986），男，河北保定人，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）2013級巖土工程專業(yè)在讀博士，從事城市地下工程、礦山建設(shè)工程等方面研究。