于國(guó)強(qiáng)，張健，馬永君

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

采動(dòng)影響區(qū)輸電塔基高邊坡穩(wěn)定性研究

于國(guó)強(qiáng)1，張健1，馬永君2

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西太原030001；2.中國(guó)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(kāi)挖高邊坡塔基，對(duì)采動(dòng)影響下輸電塔基高邊坡的穩(wěn)定性展開(kāi)研究。結(jié)合使用FLAC3D與GEOSTUDIO兩種數(shù)值分析軟件進(jìn)行綜合分析。首先利用FLAC3D對(duì)煤層回采的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得到高邊坡隨煤層回采的動(dòng)態(tài)變形過(guò)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(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)選取放坡系數(shù)為1∶0.5和1∶0.3兩種放坡方案進(jìn)行對(duì)比分析，研究發(fā)現(xiàn)：針對(duì)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(jì)，同時(shí)相同延米下應(yīng)該采用不等長(zhǎng)的錨桿設(shè)計(jì)。該研究成果可對(duì)類似工程提供借鑒。

采動(dòng)影響區(qū)；輸電塔基；高邊坡；穩(wěn)定性

0 引言

煤炭在我國(guó)能源消耗體系中居于主體地位，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，主體地位不會(huì)改變[1,2]。煤炭是我國(guó)電力系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?lái)源，因此很多發(fā)電廠都靠近煤炭生產(chǎn)基地。然而，我國(guó)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(kāi)挖邊坡。地下煤礦資源的大面積開(kāi)采，形成煤礦采空區(qū)，并進(jìn)一步發(fā)展引起采空區(qū)上方地表的移動(dòng)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(huì)危害開(kāi)挖的高邊坡的穩(wěn)定性，威脅著輸電線路的安全運(yùn)行。特別是特高壓線路工程，其作為全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的骨干電網(wǎng)，線路運(yùn)行要求必須安全可靠，萬(wàn)無(wú)一失。

這種背景下，采動(dòng)影響區(qū)輸電塔基高邊坡穩(wěn)定性研究成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

關(guān)于煤層開(kāi)采對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，國(guó)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(duì)于其他方法可以很好地考慮實(shí)際的地層情況，通過(guò)合理的建模及參數(shù)邊界條件，可更好地符合工程的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算。因此本文特選擇數(shù)值模擬計(jì)算的方法展開(kāi)研究。

現(xiàn)有關(guān)于煤層開(kāi)采對(duì)邊坡影響的數(shù)值模擬研究很多都是針對(duì)露天礦的開(kāi)采，取得了很好的效果，針對(duì)井下煤層回采對(duì)上部邊坡影響的研究相對(duì)較少，且存在一定的局限性，一方面很多研究沒(méi)有考慮煤層實(shí)際的回采過(guò)程，一次性完成整個(gè)回采工作面的開(kāi)采；另一方面沒(méi)有考慮到煤層開(kāi)采的原理，特別是全部垮落法開(kāi)采的原理，以致得到的結(jié)果不能很好地與工程實(shí)際對(duì)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(kāi)挖高邊坡塔基，對(duì)采動(dòng)影響下輸電塔基高邊坡的穩(wěn)定性展開(kāi)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(kāi)挖高邊坡的典型塔基展開(kāi)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(jì)與施工難度大。該塔位采用常規(guī)的整體式防護(hù)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(jì)選取1∶0.5的放坡系數(shù)進(jìn)行放坡，同時(shí)采用錨噴支護(hù)方式對(duì)高邊坡進(jìn)行加固。根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)不考慮放坡時(shí)，該塔基豎向開(kāi)挖深度為21 m；如果巖石邊坡按1∶0.5的放坡系數(shù)二級(jí)放坡，豎向開(kāi)挖深度27.6 m，邊坡最大長(zhǎng)度31.2 m，塔基施工完成并回填后，邊坡最大長(zhǎng)度24.5 m。

塔基處于計(jì)采區(qū)范圍，計(jì)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(hào)煤層為采取內(nèi)穩(wěn)定可采煤層，故本文選擇開(kāi)采15號(hào)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(qiáng)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(jì)算

本文結(jié)合使用FLAC3D與GEOSTUDIO兩種數(shù)值分析軟件進(jìn)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(duì)于其他軟件，計(jì)算結(jié)果更為精確。通過(guò)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(kāi)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(duì)高邊坡開(kāi)挖、塔基施工及塔基回填過(guò)程進(jìn)行模擬，得到塔基施工完成后的初始應(yīng)力場(chǎng)，然后基于此進(jìn)行煤層回采的全過(guò)程動(dòng)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(jì)算方法為強(qiáng)度折減法，即通過(guò)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(shí)的折減系數(shù)定為穩(wěn)定安全系數(shù)。為實(shí)現(xiàn)煤層回采過(guò)程中高邊坡的全過(guò)程動(dòng)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(duì)于放頂煤開(kāi)采，如果用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)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(jìn)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(jì)算

計(jì)算模型如圖1所示?？紤]最不利工況，選取X向?yàn)榍醒鄯较颍▋A向），Y向?yàn)槊簩娱_(kāi)采方向（走向），塔基位于回采工作面中間。煤層開(kāi)采厚度為6.0 m，煤層埋深450 m。根據(jù)該礦區(qū)開(kāi)采技術(shù)水平條件，X向切眼長(zhǎng)度定為135 m，風(fēng)巷與機(jī)巷的寬度定為5 m，兩側(cè)各向外擴(kuò)展150 m，總長(zhǎng)435 m；Y方向煤田開(kāi)采長(zhǎng)度定為700 m，兩側(cè)各向外擴(kuò)展200 m，總長(zhǎng)1 100 m；底部沿煤層開(kāi)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(duì)計(jì)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(jì)算模型

模型共計(jì)176 648個(gè)實(shí)體單元，2 304個(gè)結(jié)構(gòu)單元，其中：巖土體采用實(shí)體單元，噴射混凝土、擋土板采用shell單元；支護(hù)樁采用pile單元；防護(hù)大板采用liner單元；錨桿采用cable單元。

2.1.1 計(jì)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(yàn)，研究區(qū)域內(nèi)典型巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。塔基及邊坡設(shè)計(jì)資料見(jiàn)表2。噴射混凝土、擋土板、支護(hù)樁、防護(hù)大板等參數(shù)按設(shè)計(jì)方案結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選取。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

表2 邊坡及塔基設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)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。考慮最不利工況，拔力作用在靠近坡腳的兩個(gè)塔腿上，壓力作用在遠(yuǎn)離坡腳的兩個(gè)塔腿上。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

為了研究不同的放坡坡度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，本文結(jié)合設(shè)計(jì)方案，選擇1∶0.5和1∶0.3兩種放坡系數(shù)進(jìn)行對(duì)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(jì)算結(jié)果可以得到煤層回采全過(guò)程中邊坡位移及應(yīng)力的變化及最終的結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，放坡系數(shù)為1∶0.5時(shí)，邊坡坡頂相對(duì)于坡腳沿Y軸負(fù)向移動(dòng)大約25 cm；放坡系數(shù)為1∶0.3時(shí)，邊坡坡頂相對(duì)于坡底沿Y軸負(fù)向移動(dòng)大約21 cm。

2.2 SLOPE數(shù)值模擬計(jì)算

應(yīng)用FLAC3D強(qiáng)度折減法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)是針對(duì)于整體計(jì)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(jìn)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(duì)放坡系數(shù)分別為1∶0.5和1∶0.3的邊坡加固方案進(jìn)行對(duì)比分析，以優(yōu)化研究。計(jì)算過(guò)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(jì)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(duì)比

根據(jù)SLOPE數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果放坡系數(shù)為1∶0.3時(shí)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(shí)得到的穩(wěn)定安全系數(shù)1.347要大。分析原因?yàn)楫?dāng)采用1∶0.3的放坡系數(shù)進(jìn)行邊坡開(kāi)挖時(shí)，雖然邊坡較1∶0.5的放坡系數(shù)時(shí)陡峭，但邊坡開(kāi)挖高度相對(duì)要降低很多，因此整體上要偏于安全；同時(shí)采用1∶0.3的放坡系數(shù)，塔基施工時(shí)土方開(kāi)挖及錨桿打設(shè)費(fèi)用都大為降低，因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化原有1∶0.5放坡系數(shù)為1∶0.3。

通過(guò)計(jì)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(guò)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(guò)長(zhǎng)，造成浪費(fèi)。因此考慮在錨桿總長(zhǎng)度不變的條件下，對(duì)單根錨桿的打設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)GEOSTUDIO的計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化后的錨桿長(zhǎng)度見(jiàn)表3。

表3 錨桿優(yōu)化設(shè)計(jì)長(zhǎng)度m

3 相似工程借鑒

為驗(yàn)證FLAC3D模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，特選擇相似礦山開(kāi)采工程作為對(duì)照，根據(jù)相似礦區(qū)某回采面的監(jiān)測(cè)情況，地層與本工程類似，同樣開(kāi)采15號(hào)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(jì)算結(jié)果基本在合理范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬計(jì)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(jì)安全。

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

c)需要指出合理的井下煤柱留設(shè)、充填開(kāi)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(dòng)影響下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變形機(jī)理及其控制研究[D].徐州:中國(guó)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(guó)強(qiáng)（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(dòng)化專業(yè)，工程碩士，工程師，從事特高壓電網(wǎng)項(xiàng)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(jī)與電器專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事電力工程建設(shè)、高電壓試驗(yàn)等工作;馬永君（1986），男，河北保定人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）2013級(jí)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。