电塔桩基受采动及风荷载共同影响下的变形特征研究

秦忠诚，李晓禾，门懋进，高 彪

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590；2.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

近年来，国家对生态环境保护及资源合理利用愈加重视，原煤转化为电能成为煤炭资源开发利用的途径之一[1]。输电线路难免会架设在矿井生产区域范围内。当工作面回采时，受采动影响上覆岩体发生垮落、断裂及弯曲下沉，使地表发生移动变形，会对高压电塔基础造成影响，威胁到高压线路的安全运行[2-5]。

国内外学者对采煤工作面上部高压电塔的安全运行开展了大量研究：赵秀丽等[6]基于概率积分法，分析了采动影响下地表移动变形特征，以判断输电塔塔基受采动影响程度；孙凯华[7]结合工程实例，运用数值分析方法对地表移动变形做出预计，并对工作面上方杆塔进行安全性评价，提出了杆塔保护措施；郭文兵等[8]构建高压电塔地基、基础与铁塔结构的协同变形理论，研究了采动影响下高压电塔变形与破坏规律；刘朝安等[9]分析了重复采动情况下地表杆塔下沉倾斜变化特征，对杆塔安全防护提出了相应措施；麻玉山等[10]研究了输电铁塔塔基在不同风荷载作用下的变形特征，计算出不同风荷载下地基边坡的稳定性系数；YUAN H P等[11]对特高压大跨度塔基础协调变形机理进行分析，并开展了优化设计；YUN Z Y等[12]建立了输电塔在风荷载作用下的力学响应有限元模型，研究了风荷载对输电塔力学响应的影响；Vladimir Gusev等[13]提出了一种监测架空线路状况的方法，并对位于采矿活动引起地表位移和变形影响区域的输电塔位置和架空电力线路状况变化进行预测评估；Sergiusz Boron[14]分析了开采沉陷对地表电力线路的影响，开展了沉陷对导线应力各因素的影响评估，并进行了实例计算。

以上研究多集中于分析高压电塔基础受单一因素影响下的变形特征及预计高压线塔变形两方面，针对多因素作用下高压电塔塔基移动变形特征的研究相对较少。笔者在前人研究的基础上，根据陕西朱家峁煤矿和地表高压电塔现状，对采动和风荷载共同作用下桩基下沉值进行预计：①建立三维模型并进行数值模拟分析；②以现场实际监测结果为标准，对比预计值及模拟值；③分析地表移动变形特征和高压电塔基础在多种因素作用下的变形特征。旨在为该矿区开采及地表构筑物保护提供建议，为相关工程背景下电塔桩基移动变形分析提供借鉴。

1 工程概况

陕北地区榆能横山电厂—榆横开关站1 000 kV输电线路穿越朱家峁矿区，其中009号电塔位于回采工作面上方，详细线路及工作面可能影响线路运行区域如图1所示。

图1 输电线路与工作面相对位置

电塔为酒杯形直流电塔，高度43.9 m，质量约110 t；电塔基础为人工挖孔桩基，桩基深度17 m，间距20 m；桩基主筋采用HRB400，箍筋采用HPB235。该输电线路下布置有3302综采工作面，工作面走向长4 200 m，倾向长240 m，采高平均3 m，所采煤层为近水平煤层，采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法控制顶板。

2 高压线塔基础与地表移动变形特征及预计

地下煤炭资源开采引发上覆岩层原岩应力重新分布，当应力变化传递到地表后，地表发生下沉、倾斜、水平移动、水平变形及曲率变化。其中,地表下沉、倾斜及水平移动变形对地表高压电塔影响显著。地表下沉引起电塔基础沉降，当塔基位于高潜水位矿区时，出现地下水位面接近甚至超过基础的状况，使电塔地基及基础经水泡软后强度降低，对电塔稳定性造成影响；地表倾斜导致基础出现不均匀沉降，导致上部结构发生倾斜，上部结构在自身重力影响下加大了电塔倾覆可能性；地表水平移动会造成输电线路档距的增大，导致线路紧绷，若遇到大风雨雪等恶劣天气，会威胁到线路及电塔安全[15]。

采用剖面函数预计法对桩基地表进行沉降预计，用充分采动下的三角函数法表示的地表下沉曲线如下[16]:

(1)

地表倾斜量i(x)为[16]：

(2)

式中：w(x)为地表任一点处的下沉值，mm；wmax为地表最大下沉值，wmax=qmcosα，mm；x为最大下沉点距离，m；l为半盆地长，即最大下沉点到盆地边界的距离，m；q为下沉系数；m为煤层开采厚度，m；α为煤层倾角，(°)。

结合地质勘探地层资料，得到计算参数见表1。

表1 计算参数

经预计，采动作用下高压电塔处地表下沉约为262.02 mm。

3 采动及风荷载共同作用下塔基变形三维模拟

3.1 三维模型建立

研究区域地表等高线如图2所示。借助Rhino建模软件绘制地表及地层三维模型，如图3所示，模型尺寸为800 m×650 m×320 m，初始模型共划分994 147个单元，195 046个节点。

图2 地表等高线

图3 数值模拟网格模型

依据现场实际情况，将监测点布置在4个基础上，在A桩布设1～9号监测点，在B桩布设11～19号监测点，在C桩布设21～29号监测点，在D桩布设31～39号监测点。监测点位置分布如图4所示。

图4 监测点位置分布

3.2 参数选取

数值模拟中力学参数的选取对计算结果起到决定性作用。模型中各地层参数参照工作面钻孔数据、岩石力学试验及相关文献[17]确定，岩体物理力学参数见表2。

表2 高压电塔下开采模型物理力学参数

3.3 边界条件及荷载施加

3.3.1 边界条件

运用FLAC3D通过设置位移与应力边界模拟岩层及土体原始应力平衡状态，通过开挖求解模拟真实地表沉陷及高层建筑变形。设定前后左右4个面的法向位移为0；顶面及地表为自由面，只模拟施加重力。

3.3.2 风荷载及重力作用

陕西横山区属温带半干旱大陆性季风气候，处于西风带，以西北风为主。常年风速平均为2.1 m/s，最大风速可达25.3 m/s[18]。由于实际高压电塔铁塔桁架结构复杂，电塔框架顶部与底部宽度相差极大，横担主轴位于电塔整体中心，因此可将电塔框架简化为杆件系统，计算风荷载对基础的受载情况可简化为如图5所示的铁塔二维力学结构体系进行，并将计算出的力按照高度、角度换算至各桩。

FN—桩基受到的竖向力；Ff—桩基受到的侧向力；F西北风—风荷载。

图5 铁塔二维力学结构体系

根据GB 50665—2019《1 000 kV架空输电线路设计规范》[19]规定，计算垂直于高压电塔风荷载标准值：

ωk=βzμzμω0

(3)

式中：ωk为作用在高耸结构z高度处单位投影面积上的风荷载标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数；μz为高度z处的风压高度变化系数；μ为风荷载体型系数；ω0为基本风压，kN/m2。

依据GB 50665—2019，计算得到电塔风荷载总量约为2 267.5 kN。高压电塔质量约110 t，计算塔基所受重力1 078 kN。计算整理得到电塔桩基沿地表x、y、z3个方向的荷载，结果见表3。

表3 高压电塔桩基荷载

3.3.3 采动作用

根据实际工作面采掘进度，将模型工作面划分为不同组别。通过分步开挖模拟采动对高压线塔基础的影响。

3.4 高压线塔桩基移动变形特征分析

通过数值模拟提取地表x、y、z3个方向位移，结合地表桩基及地表等高线，绘制多因素共同作用下地表x、y、z方向位移图，如图6所示。

(a)x方向位移

由图6可知，位于开切眼前方及坡体处x方向位移最大，分析原因为坡体受采动影响产生滑移，使x方向位移加大；3302工作面两侧轨道巷及胶带巷地表侧受到采动影响，两侧y方向位移发生相对变形，且变形量也受地表地形的影响；开切眼向前回采过程中，地表开始下沉形成盆地。由于地表黄土沟壑纵横地形原因，坡体移动变形相较于平地与坡顶变形大，地表位移变化起伏较大，呈现坡体位移大、平面位移小的现象。相对而言，桩基所在地表位置x、y、z方向位移相对周边位移较小，分析原因是由于在电塔自重等永久荷载及风荷载作用下，压实了高压电塔下地基，从而增高了地基强度，因此受到采动影响时，塔基变形量要小于周边变形量。

为进一步研究共同荷载作用下桩基移动变形，通过数值模拟桩基监测点位数据，整理得到共同荷载作用下桩基移动变形值，见表4。

表4 共同荷载作用下桩基移动变形值

从表4中可得高压电塔桩基在共同荷载作用下移动变形状况：A、B、C、D 4个桩基的下沉量分别为441.80、486.25、459.44、456.16 mm，平均下沉值为460.91 mm；x方向水平位移为121.45～142.52 mm；y方向水平位移为217.94～238.00 mm；4个桩基总体位移都为偏x正向、y正向下沉。最大沉降差出现在AB两桩之间，沉降差为44.45 mm，倾斜值为2.22 mm/m。

通过对比地表下沉预计值与模拟实测值，发现剖面函数法预计值比模拟值低，分析原因在于剖面函数法所采用的数据存在偏差，使预计点位变形值出现较大偏差。由于两者相差较大，因此需要通过现场实际监测来进行分析。

4 现场实际监测分析

为确保开采过程中输电线路的正常运行，在地表高压线塔布置监测点监测桩基变形情况。监测点分别布置在高压线塔的4个基础A、B、C、D中心点位上，监测点号为a11、a12、a13、a14，监测采动对高压线塔的影响程度。观测工作采用GPS-RTK技术[20]，按照《煤矿测量规程》[21]定期进行观测；监测间隔时间为每20 d进行一次监测。监测完成后，高压电塔桩基最终下沉量及倾斜值对比结果见表5。

表5 高压电塔桩基最终下沉量及倾斜值对比

对比分析实际监测值与模拟值，进一步验证了模拟值的正确性。通过分析得出：风荷载对桩基有一定影响，由于本文采用的是当地最大风荷载，因此模拟值较实际监测值大；对地表上覆高压线塔桩基影响最大的是采动作用，当地最大风荷载也会对桩基造成一定影响。根据《建筑地基基础设计规范》[22]中的规定，电塔地基沉降限值为400 mm，电塔地基允许倾斜限值为6 mm/m，本文中实际测量及模拟中的下沉值都超过了限值，虽然倾斜值未超过限值，但建议加强地表巡视并采取有效防护措施，确保高压线路的安全运行。

5 结语

根据剖面函数法预计地表下沉值，并借助FLAC3D数值模型构建黄土谷壑地形，模拟采动影响下地表移动变形，通过对比实际测量值与剖面函数法预计值、模拟值，可以得到以下结论：

1)黄土谷壑地形在采动影响下表现为：坡体移动变形比平地及坡顶变形大；地表移动变形受地形影响大。桩基所处位置变形较周边变形小，其原因是桩基受自身重力及风荷载大的影响，对地基进行了加强，延缓了下沉变形。

2)数值模拟能较好地体现现场实际。借助模拟软件分析采动及风荷载共同作用下高压电塔桩基的变形，4个桩基下沉量相差不大，最大沉降差出现在AB两个基础之间，倾斜值为2.22 mm/m。

3)风荷载对高压电塔桩基造成一定变形影响，采动影响对地表桩基造成最大影响。因此，建议在采动期间对地表高压线塔加强巡视并采取有效防护措施，确保高压线路的安全运行。