馮 勇，鄢秀慶，王健鐘

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川成都610000）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為改善我國(guó)能源與負(fù)荷逆向分布的現(xiàn)狀[1-2]，實(shí)現(xiàn)能源的合理調(diào)配，更好地統(tǒng)籌發(fā)展，我國(guó)的電網(wǎng)進(jìn)入了西電東送、南北互供的大電網(wǎng)階段[3-4]。為減少輸電的損耗，解決長(zhǎng)距離、大容量的輸電需求，特高壓直流輸電應(yīng)運(yùn)而生[5]。它不僅是一種經(jīng)濟(jì)高效的輸電方式[6]，還能提高走廊利用率，節(jié)約寶貴的土地資源，符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。但是，在特高壓直流輸電工程中也存在一些問(wèn)題，特別是近年來(lái)，越來(lái)越多的輸電線(xiàn)路需要途經(jīng)采動(dòng)影響區(qū)[7]，這些線(xiàn)路的基礎(chǔ)和鐵塔發(fā)生基礎(chǔ)傾斜開(kāi)裂或者桿塔變形的可能性更大，甚至造成基礎(chǔ)沉陷或者桿塔傾倒，嚴(yán)重影響了輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行[8]。針對(duì)上述情況，為保證輸電線(xiàn)路的正常運(yùn)行，有必要梳理和研究采動(dòng)影響區(qū)對(duì)于輸電線(xiàn)路的影響，并從路徑選擇、勘測(cè)方法和深度、桿塔和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等方面對(duì)該區(qū)域輸電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)對(duì)策進(jìn)行研究，形成一套具備可實(shí)施性的處理措施，進(jìn)而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

1 采動(dòng)影響區(qū)對(duì)輸電線(xiàn)路的影響

表1給出了某工程中采動(dòng)影響區(qū)的分布情況。由表1可知，在線(xiàn)路工程建設(shè)過(guò)程中，采動(dòng)影響區(qū)很難完全避免，線(xiàn)路與采動(dòng)影響區(qū)的交叉長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十千米。

表1 某工程線(xiàn)路涉礦情況簡(jiǎn)表

在我國(guó)已建成的采動(dòng)影響區(qū)輸電線(xiàn)路中已有多處鐵塔和基礎(chǔ)發(fā)生沉降、傾斜或滑移[9]。以山西省為例，由采動(dòng)影響區(qū)的塌陷造成輸電線(xiàn)路桿塔傾斜、基礎(chǔ)下沉，被迫停運(yùn)、改線(xiàn)的情況時(shí)有發(fā)生，由此引發(fā)了不少地線(xiàn)斷線(xiàn)、導(dǎo)地線(xiàn)風(fēng)偏等故障，部分線(xiàn)路甚至被迫停電、移塔、改線(xiàn)。

采動(dòng)影響區(qū)對(duì)輸電線(xiàn)路的影響一般可以總結(jié)為沉陷和變形。沉陷是因?yàn)椴傻V后會(huì)在礦體中留下大量空隙（包括采空面及巷道等），這會(huì)架空礦體上部的巖層并使附近的巖體失去原有的平衡狀態(tài)進(jìn)而發(fā)生彎曲、斷裂甚至坍塌，導(dǎo)致地面發(fā)生明顯的沉降和塌陷[10]。而在地面沉陷發(fā)生的同時(shí)，地表的變形也就不可避免[11-12]。采動(dòng)影響區(qū)地表的移動(dòng)和變形主要分為垂直方向、水平方向以及地表平面內(nèi)的剪應(yīng)變等[13-14]。在采動(dòng)影響區(qū)，地表的移動(dòng)和變形往往是復(fù)合型的，將破壞輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態(tài)[15-16]，在輸電桿塔中將產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而造成輸電桿塔和基礎(chǔ)發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)將遭到損壞。因此，需在勘察和設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)相關(guān)對(duì)策研究和制定，避免事故的發(fā)生。

2 采動(dòng)影響區(qū)輸電線(xiàn)路勘察措施研究

為加強(qiáng)對(duì)采動(dòng)影響區(qū)判別的準(zhǔn)確性，在勘察階段，可以從收集資料、勘察方法和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3方面開(kāi)展工作。

2.1 收集資料及協(xié)議辦理

項(xiàng)目前期階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)收集與路徑有關(guān)的相關(guān)資料及信息：礦產(chǎn)資源分布及開(kāi)采情況；礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)所處的階段；采動(dòng)影響區(qū)的位置及范圍、相關(guān)礦產(chǎn)開(kāi)采計(jì)劃；煤（礦）層傾角、采深采厚比等。

項(xiàng)目實(shí)施階段，應(yīng)對(duì)前期收集的資料進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，并取得相關(guān)礦管部門(mén)、國(guó)土部門(mén)的書(shū)面意見(jiàn)。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)詳細(xì)復(fù)核初設(shè)階段已確定的塔位地質(zhì)條件，在確保塔位安全的條件下配合業(yè)主與礦權(quán)所有人達(dá)成協(xié)議并根據(jù)協(xié)議內(nèi)容配合業(yè)主完成穿越礦產(chǎn)資源的賠付工作。

初設(shè)和施工圖階段均應(yīng)取得相關(guān)礦管部門(mén)、國(guó)土部門(mén)的書(shū)面意見(jiàn)，并與礦權(quán)所有人達(dá)成路徑協(xié)議。

2.2 勘察方法

采動(dòng)影響區(qū)的勘察方法一般包括地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯、工程地質(zhì)測(cè)繪、物探、鉆探及室內(nèi)土工試驗(yàn)等，所用工具包括羅盤(pán)、皮尺、相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、遙感影像圖、測(cè)距儀、計(jì)算機(jī)等。具體方法和工具應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件和勘測(cè)手段的適用條件來(lái)選取。

首先，應(yīng)充分收集礦產(chǎn)及其采掘資料以及壓礦評(píng)估、地災(zāi)評(píng)估等報(bào)告，并對(duì)收集資料的完整性、可靠性進(jìn)行分析。對(duì)于開(kāi)采位置、方式、塌陷變形和地質(zhì)條件資料準(zhǔn)確可信的塔位，可直接進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)；對(duì)于資料無(wú)法落實(shí)或不可信位置的塔位，應(yīng)充分利用注漿施工鉆孔等進(jìn)一步查明地質(zhì)條件，并結(jié)合塔位地形地貌、地質(zhì)條件，采用物探、鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，再進(jìn)行最終的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2.3 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是根據(jù)不同采動(dòng)影響區(qū)區(qū)段的地表變形特點(diǎn)，進(jìn)行不同災(zāi)害程度的分區(qū)，可分為相對(duì)穩(wěn)定地帶和不穩(wěn)定地帶。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)綜合考慮采動(dòng)影響區(qū)類(lèi)型、礦產(chǎn)開(kāi)采方法、頂板巖性、礦產(chǎn)規(guī)模、采厚比等因素進(jìn)行初步判定。

從采掘方式來(lái)看，目前的開(kāi)采方式一般為露天、房柱式、長(zhǎng)臂綜采法。煤礦中多采用的地下長(zhǎng)臂綜采法影響范圍大，變形發(fā)生快，一般采掘數(shù)天內(nèi)即發(fā)生地面變形，開(kāi)采后3 a可完成95%的沉降量。從頂板巖性來(lái)看，頂板多為砂巖、泥巖等軟質(zhì)巖，部分地區(qū)頂板厚度極小，覆蓋層較厚，采空后極易垮塌。從采厚比來(lái)看，一般認(rèn)為采厚比小于30的區(qū)域?yàn)闃O不穩(wěn)定區(qū)；而采厚比大于100時(shí)，地表變形相對(duì)較小；采厚比介于30～100之間，可采取措施通過(guò)。另外，還可以采用地表移動(dòng)變形定量方法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，它是《巖土工程手冊(cè)》推薦采用的一種定量的方法[17]，如表2所示。

表2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分表

3 采動(dòng)影響區(qū)輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)措施研究

在查明采動(dòng)影響區(qū)開(kāi)采方式、采厚比等條件后，可從路徑（塔位）選擇、桿塔選型、基礎(chǔ)選型等方面開(kāi)展方案比較工作，降低采動(dòng)影響區(qū)對(duì)線(xiàn)路的影響。

3.1 路徑和塔位的選擇

參考以往經(jīng)驗(yàn)，在選擇路徑和塔位時(shí)，建議按表3中的原則進(jìn)行判別[18-19]。

表3 路徑和塔位選擇的原則

3.2 桿塔選型及加強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.2.1 桿塔結(jié)構(gòu)形式

特高壓直流線(xiàn)路由于根開(kāi)大，在采空區(qū)塔位選擇時(shí)十分困難，采用兩個(gè)單回走線(xiàn)可將根開(kāi)大大縮小，塔位選擇更靈活。同時(shí)，由于單極塔消除了斷線(xiàn)及不均勻冰下的扭矩作用，改善了鐵塔受力，降低了基礎(chǔ)作用力及對(duì)地基的影響。綜合經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性和對(duì)環(huán)境的影響，經(jīng)過(guò)采動(dòng)影響區(qū)的桿塔可因地制宜地采用單極塔型，按兩個(gè)單極架設(shè)走線(xiàn)，具體情況如圖1所示。

圖1 單極塔示意圖

3.2.2 桿塔加強(qiáng)設(shè)計(jì)

塔腿出現(xiàn)不均勻沉降是采動(dòng)影響區(qū)輸電鐵塔最主要的危害，為考察不均勻沉降對(duì)鐵塔受力的影響，采用有限元軟件模擬分析了采動(dòng)影響區(qū)鐵塔的不均勻沉降。根據(jù)模擬分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)鐵塔塔腳處施加一定的位移值，在塔腿主材還未發(fā)生破壞的情況下，橫隔面早已超出容許承載力，發(fā)生破壞。因此，對(duì)采動(dòng)影響區(qū)的桿塔，為了提高其在一定變形條件下的承載能力，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)塔腿腿部隔面等變形敏感構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，主要措施包括增大隔面主材規(guī)格、增加隔面斜材的數(shù)量進(jìn)而提高隔面剛度和穩(wěn)定性等。

3.3 基礎(chǔ)選型及地基處理

3.3.1 基礎(chǔ)選型

采動(dòng)影響區(qū)的基礎(chǔ)應(yīng)該在滿(mǎn)足正常設(shè)計(jì)條件的同時(shí)具備抵抗一定程度的地基變形能力，包括垂直沉降、水平偏移和傾斜[20]。在基礎(chǔ)形式選擇時(shí)，一般按采厚比進(jìn)行分類(lèi)處理：采厚比小于30的地段，一般不建議線(xiàn)路通過(guò)，如必須通過(guò)，可采取預(yù)留礦柱方式；采厚比大于30的地段，應(yīng)綜合考慮鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)、基礎(chǔ)底面設(shè)置防護(hù)大板和加長(zhǎng)地腳螺栓方法，是否需進(jìn)行注漿處理地基應(yīng)視煤礦頂板情況、開(kāi)采方式等因素綜合評(píng)價(jià)后確定。另外，對(duì)于礦層頂板巖層松散的特殊地區(qū)，還應(yīng)做專(zhuān)門(mén)的地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

常見(jiàn)的基礎(chǔ)為中空復(fù)合大板基礎(chǔ)和聯(lián)合基礎(chǔ)。中空復(fù)合大板基礎(chǔ)是在基礎(chǔ)底面設(shè)置一個(gè)中心開(kāi)孔的鋼筋混凝土板，并配置一定的鋼筋，以抵抗由于不均勻沉降所產(chǎn)生的彎矩進(jìn)而保證地基不會(huì)由于4個(gè)基礎(chǔ)的不均勻沉降造成桿塔破壞，同時(shí)又能夠減小基坑開(kāi)方量。聯(lián)合基礎(chǔ)也被稱(chēng)為筏式基礎(chǔ)，它可以在不均勻沉降時(shí)保證基礎(chǔ)根開(kāi)不發(fā)生變化并保證桿塔整體傾斜，不會(huì)產(chǎn)生某一條腿單獨(dú)沉下去的現(xiàn)象。但是，當(dāng)發(fā)生沉降后，只能進(jìn)行鐵塔糾偏，基礎(chǔ)不易復(fù)位。

采用中空復(fù)合大板基礎(chǔ)和聯(lián)合基礎(chǔ)可有效抵抗下部土體的不均勻沉降，緩解上部鐵塔的變形，但是也存在基礎(chǔ)開(kāi)方量巨大的問(wèn)題。尤其是對(duì)于山區(qū)線(xiàn)路，經(jīng)常形成5 m以上的永久性邊坡，存在一定的安全隱患。為了解決上述問(wèn)題，本文提出一種將復(fù)合大板上移的思路，即采用剛度較大的鋼桁架體系代替大板，在鋼桁架下設(shè)置不等長(zhǎng)假腿適應(yīng)地形坡度，不等長(zhǎng)腿通過(guò)球鉸相互連接，主斜材通過(guò)可調(diào)長(zhǎng)法接長(zhǎng)。與常規(guī)復(fù)合大板基礎(chǔ)相比，剛性隔面鋼架不僅具有更強(qiáng)的抗變形能力，還能克服開(kāi)方量巨大的缺點(diǎn)，并且剛性隔面鋼架可單獨(dú)設(shè)計(jì)，若出現(xiàn)變形損壞，能夠快速更換。具體設(shè)計(jì)方案對(duì)比如下：全開(kāi)挖方案，開(kāi)挖方量巨大，且后邊坡大，易產(chǎn)生塔位滑坡隱患；半填半挖方案，開(kāi)挖方量較大，易產(chǎn)生滑坡和護(hù)坡垮塌隱患；剛性隔面鋼架方案，既滿(mǎn)足了鐵塔設(shè)計(jì)要求，又滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的要求。

3.3.2 地基處理

改善不良地基的方法主要有兩種，第一種是淺層高壓噴射注漿。它可以在桿塔基礎(chǔ)下部周?chē)纬山y(tǒng)一整體剛性地基進(jìn)而對(duì)覆蓋層進(jìn)行加固，加固深度可以通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出。第二種是采動(dòng)影響區(qū)壓力灌漿及覆巖離層注漿。它是在基礎(chǔ)鉆孔后，通過(guò)鉆孔向基礎(chǔ)或需要加固的采動(dòng)影響區(qū)和巖石松動(dòng)區(qū)灌注水泥漿、流沙、粉煤灰或砂石混合料來(lái)改善地基。

3.4 預(yù)防及糾偏措施

采動(dòng)影響區(qū)塔基的變形主要包括垂直、水平和傾斜。其中，垂直沉降和水平偏移可在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行充分考慮。垂直沉降會(huì)減小導(dǎo)線(xiàn)的對(duì)地距離造成安全隱患，所以要預(yù)留一定的高度；水平位移會(huì)影響桿塔的電氣間隙和負(fù)荷，所以建議縮減水平檔距10%，以抵御鐵塔橫向水平位移后產(chǎn)生的角度力。對(duì)于傾斜變形，首先保證地腳螺栓的強(qiáng)度留有一定儲(chǔ)備，其次，應(yīng)該使鐵塔與基礎(chǔ)間的連接有一定的調(diào)整空間，使鐵塔能進(jìn)行一定范圍的扶正和復(fù)位。所以，應(yīng)該增加地腳螺栓的外露長(zhǎng)度，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，可以放松地腳螺栓，利用設(shè)備提升塔腿，并在塔腳調(diào)平后墊鋼板，最終實(shí)現(xiàn)鐵塔的扶正。另外，鋼墊板可采用不同厚度的組合，以適應(yīng)不同的沉降量。圖2為鋼墊板安裝示意圖。

圖2 鋼墊板安裝示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了采動(dòng)影響區(qū)對(duì)特高壓直流輸電線(xiàn)路工程的影響并結(jié)合以往特高壓直流工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，分別從勘察和設(shè)計(jì)兩個(gè)方面對(duì)途經(jīng)采動(dòng)影響區(qū)的輸電線(xiàn)路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究并對(duì)相關(guān)的解決措施和方案進(jìn)行了總結(jié)，主要概括如下。

a）采動(dòng)影響區(qū)地表的移動(dòng)和變形將破壞輸電桿塔與地基之間的初始平衡狀態(tài)，產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而造成輸電桿塔和基礎(chǔ)的變形甚至損壞。

b）在工程勘察階段，首先通過(guò)前期的收集資料對(duì)采動(dòng)影響區(qū)的情況進(jìn)行全面詳盡的了解，其次對(duì)于情況不明的區(qū)域可以采取地質(zhì)調(diào)查、物探等勘察方法進(jìn)行勘察，最后根據(jù)勘察結(jié)果對(duì)采動(dòng)影響區(qū)進(jìn)行多方位的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

c）在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)從以下5個(gè)方面考慮：第一，在路徑和塔位選擇時(shí)，宜選擇老采動(dòng)影響區(qū)，避開(kāi)采厚比較小的區(qū)段；第二，因地制宜地采用單極塔，對(duì)隔面等受地表變形敏感的桿件局部加強(qiáng)；第三，選擇中空復(fù)合大板基礎(chǔ)或采用噴射注漿進(jìn)行地基改良；第四，本文提出一種將復(fù)合大板上移的思路，采用腿長(zhǎng)可調(diào)式鋼桁架，不僅具有更強(qiáng)的抗變形能力，還能克服大板基礎(chǔ)開(kāi)方量巨大的缺點(diǎn)，并且在出現(xiàn)變形損壞時(shí)，能夠快速更換；第五，在設(shè)計(jì)階段就對(duì)可能發(fā)生的變形進(jìn)行充分的考慮并預(yù)設(shè)合理的糾偏措施，在變形發(fā)生時(shí)能進(jìn)行一定范圍的扶正和復(fù)位。