高压线路塔采动损害与保护技术现状及展望

高压线路塔采动损害与保护技术现状及展望

宋显志

广西桂升电力设备制造有限公司， 广西 贵港 537100

摘要：近年来，越来越多的输电线路需要途经采动影响区，这些线路的基础和铁塔发生基础倾斜开裂或者杆塔变形的可能性更大，甚至造成基础沉陷或者杆塔倾倒，严重影响了输电线路的安全运行。基于此，本文就高压线路塔采动损害与保护技术现状及展望进行简要探究。

关键词：高压线路塔；采动损害；保护技术；

1 采动损害机理

某煤矿 2311 工作面在 23 采区西部，底板标高+431～515.7 m，地面标高+949.4～953.8 m，上覆地表有高压专线。

1.1 数值计算模型

采用UDEC离散元软件，研究分析断层破碎带等弱面和不连续面对巷道围岩稳定的影响规律。结合S2205工作面地质条件，建立尺寸为165m×60.4m数值计算模型。本构模型为弹塑性模型，屈服准则选用Mohr-Coulomb准则，模拟煤层埋深500m，固定模型左右和底部边界位移，上边界采用应力边界约束，煤层初始垂直应力12.5MPa，水平应力侧压系数为1.3。数值计算模型如图1所示。

图 1 数值计算模型

1.2围岩变形破坏规律

1.2.1 巷道变形规律

在锚网索支护条件下，回风巷在掘进和回采期间巷道表面变形规律如图2所示。由图2分析可知，当巷道轴线与正断层走向平行或小角度相交但巷道未穿过断层带时，巷道围岩变形、破坏具有不对称性，靠近断层的巷道帮破坏严重，变形较大。在掘巷和回采期间，以顶板下沉和靠近断层的帮部变形为主，顶板下沉量最大，底板变形最小。

图 2 锚网索支护条件下断层附近巷道变形规律

1.2.2 围岩应力分布特征

若构造应力与采动支承应力叠加，则断层带应力环境极为复杂。在掘巷和回采期间巷道围岩应力变化情况如图3所示

（a）掘巷期间 （b）回采期间

图 3 在掘巷和回采期间巷道围岩应力变化情况

由图3（a）分析可知，回风巷在掘进期间围岩应力分布特征为：在巷道开挖后，2个肩角和靠近断层的底角附近出现应力集中，距断层较远的帮底角深部出现应力集中；靠近断层的帮部和底板应力降低范围较大，呈不对称分布，距断层较远的帮部围岩完整性好，应力降低区小。由图3（b）分析可知，在工作面回采期间，巷道顶板应力降低区明显增大，应力向距断层较远的帮底角深处转移，靠近断层的帮局部出现应力集中，围岩变形剧烈，断层明显活化。上覆岩层在回采期间剧烈运动，围岩应力场在时间上表现为特殊的涨迭交变特征，在空间上表现为不均匀、不对称和大小相间的分布特征，使得地面高压杆塔出现倾斜。

1.3 围岩变形破坏机理

（1）围岩性质。巷道沿煤层底板掘进，煤质松软，直接顶和直接底为泥岩，位于断层破碎带附近，岩性较差，围岩自身强度较低，在多种应力作用下，巷道在掘进期间成型较差。（2）采动影响。随着S2205工作面的回采，回风巷在超前支承压力下围岩次生裂隙进一步发育，整体性遭到显著破坏，同时在构造应力影响下，复杂应力叠加进一步加剧了破碎围岩的失稳。导致高压杆塔出现倾斜。

2 采动影响区输电线路技术保护措施研究

我们在查明采动影响区开采方式、采厚比等条件后，可从路径（塔位）选择、杆塔选型、基础选型等方面开展方案比较工作，降低采动影响区对线路的影响。

2.1 杆塔选型及加强设计

2.1.1 杆塔结构形式

特高压直流线路由于根开大，在采空区塔位选择时十分困难，采用两个单回走线可将根开大大缩小，塔位选择更灵活。同时，由于单极塔消除了断线及不均勻冰下的扭矩作用，改善了铁塔受力，降低了基础作用力及对地基的影响。综合经济性、技术可行性和对环境的影响，经过采动影响区的杆塔可因地制宜地采用单极塔型，按两个单极架设走线。

2.1.2 杆塔加强设计

塔腿出现不均匀沉降是采动影响区输电铁塔最主要的危害，为考察不均匀沉降对铁塔受力的影响，采用有限元软件模拟分析了采动影响区铁塔的不均勻沉降。根据模拟分析发现，对铁塔塔脚处施加一定的位移值，在塔腿主材还未发生破坏的情况下，横隔面早已超出容许承载力，发生破坏。因此，对采动影响区的杆塔，为了提高其在一定变形条件下的承载能力，应在设计时对塔腿腿部隔面等变形敏感构件进行加强设计，主要措施包括增大隔面主材规格、增加隔面斜材的数量进而提高隔面刚度和稳定性等。

2.2 基础选型及地基处理

2.2.1 基础选型

采动矿区影响的基础应该在满足正常设计条件的同时具备抵抗一定程度的地基变形能力，包括垂直沉降、水平偏移和倾斜。当发生沉降后，只能进行铁塔纠偏，基础不易复位。采用中空复合大板基础和联合基础可有效抵抗下部土体的不均匀沉降，缓解上部铁塔的变形，但是也存在基础开方量巨大的问题。与常规复合大板基础相比，刚性隔面钢架不仅具有更强的抗变形能力，还能克服开方量巨大的缺点，并且刚性隔面钢架可单独设计，若出现变形损坏，能够快速更换。

2.2.2地基处理

改善不良地基的方法主要有两种，第一种是浅层高压喷射注浆。它可以在杆塔基础下部周围形成统一整体刚性地基进而对覆盖层进行加固，加固深度可以通过数值模拟计算得出。第二种是采动影响区压力灌浆及覆岩离层注浆。它是在基础钻孔后，通过钻孔向基础或需要加固的采动影响区和岩石松动区灌注水泥浆、流沙、粉煤灰或砂石混合料来改善地基。

2.3 预防及纠偏措施

采动影响区塔基的变形主要包括垂直、水平和倾斜。其中，垂直沉降和水平偏移可在设计阶段就进行充分考虑。垂直沉降会减小导线的对地距离造成安全隐患，所以要预留一定的高度；水平位移会影响杆塔的电气间隙和负荷，所以建议缩减水平档距10％，以抵御铁塔横向水平位移后产生的角度力。对于倾斜变形，首先保证地脚螺栓的强度留有一定储备，其次，应该使铁塔与基础间的连接有一定的调整空间，使铁塔能进行一定范围的扶正和复位。所以，应该增加地脚螺栓的外露长度，当基础发生不均匀沉降时，可以放松地脚螺栓，利用设备提升塔腿，并在塔脚调平后垫钢板，最终实现铁塔的扶正。

结束语

综上所述，本文分别从勘察和设计两个方面对途经采动影响区的输电线路的设计进行了研究并对相关的解决措施和方案进行了总结，希望可以在今后的工作中对可能发生的变形进行充分的考虑并预设合理的纠偏措施，在变形发生时能进行一定范围的扶正和复位。

参考文献：

［1］ 孟召平，彭苏平.高压线路塔采动损害与保护技术现状影响［J］.煤炭学报，2001，26（06）：561-566.

［2］ 赵海军，马风山，李国庆，等.基于高压线路塔采动损害与保护技术现状及展望［J］.金属矿山，2020（06）：119-120.