摘要：近年来，随着经济的发展和超高压输电线路的大量建设，越来越多的超高压输电线路已无法绕过煤矿沉陷区。同时，煤炭开采引起的地表移动和变形，对已有超高压输电线路的安全造成严重威胁。国内外学者针对采煤沉陷区内高压和特高压输电铁塔的极限基础位移进行了一定的研究，但是对输电铁塔安全性评价方法的研究还不够系统和深入。因此，开展沉陷区输电杆塔结构的安全性研究，对沉陷区输电塔架的安全性进行评估，对输电线路抗变形设计和治理以及确保输电线路安全运行，均具有重要的意义。
关键词：超高压；输电线路；沉陷区；输电铁塔；安全性评价
1 塌陷区地表变形规律
1.1 塌陷区地质和采煤情况
某 500k V 输电工程(初期降压 220k V)是东陇海经济产业带重要的电力基础设施，其中任庄—徐州东输电线路中段经过煤矿塌陷区。根据收集的资料，输电线路主要经过丰县煤矿(新庄矿)、旗山煤矿、大吴煤矿，其中经过矿区的大部分线路位于旗山矿采空区。输电线路所经矿区井田为全隐蔽煤田，覆盖于第 4 系冲击层之下。主要可采煤层为 1 煤、3 煤、9煤，17 煤、20 煤、21 煤局部可采，旗山矿的−420水平已基本结束，现主采−700 水平 1、3 煤，配采山西组 9 煤。输电线路附近采空区分别为 1 煤、3煤和 9 煤采空区，目前，17 煤、20 煤、21 煤还未开采。
1.2 采空区地表变形
研究表明，地下开采引起的地表沉陷是一个时间和空间过程，这个过程伴随地表出现复杂的移动变形[9]。地下开采对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、扭曲、曲率)与水平方向的移动和变形(水平移动、拉伸和压缩变形)，以及地表平面内的剪应变等。
地表变形的大小和形式与煤层的赋存条件、顶板管理方法、开采深度、采区大小、开采布局和开采顺序、方向、时间，以及上履岩层的性质有关。多煤层开采时地表将受到重复采动的影响，采动影响的延续时间或长或短，开采结束后，地表变形将逐渐趋于稳定。
1.3 塌陷区预计结果
本区地表移动和变形预计采用概率积分法预测模型[9]，根据有关理论和经验资料，初次采动下沉系数 0.71；一次重复采动下沉系数 0.78；多次重复采动下沉系数 0.85。
2 数值计算方法
本文以某线路中的 KT16 直线跨越塔为计算
模型，该塔呼高 54
m，总高度为 59.5
m，宽侧根开13.660
m，窄侧根开 9.379
m。KT16 直线跨越塔由各种等边角钢组成，塔腿部主材截面为 Q345 等边角钢 L200×14。在铁塔杆件的中心轴线交点连接处形成模型节点，两节点间的角钢简化为模型单元。
本文采用 ANSYS 程序进行数值分析，选用自底向上的建模方式，用梁桁混合单元模型模拟输电铁塔结构[8]，分析工况考虑单独地表变形和复合地表变形。
3 计算结果分析
3.1 单独地表变形对输电铁塔的影响
图1为地表变形下各工况对比，没有出现柱条的表示该工况情况下没有杆件达到此状态(以 N/A表示)，如 DNSHU 工况下没有柱条表明没有 Q235和 Q345 杆件达到屈服荷载。图中，SLLA 为长向单独支座水平拉伸；SLYA 为长向单独支座水平压缩；SNLA 为短向单独支座水平拉伸；SNYA 为短向单独支座水平压缩；SSHU 为单独支座竖向下沉；DLLA 为长向两支座水平拉伸；DLYA 为长向两支座水平压缩；DNLA 为短向两支座水平拉伸；DNYA为短向两支座水平压缩；DLSHU 为长向两支座竖向下沉；DNSHU 为短向两支座竖向下沉。由图 1(a)可以发现，水平支座位移工况下，在支座水平位移为 80~100mm 时就出现了 Q235 杆件达到屈服的情况，此时支座水平位移分别为根开的 5.8‰~7.3‰(长边)与 8.5‰~10.7‰(短边)，即支座水平位移为根开的 5‰以内，杆件均不会达到屈服荷载。支座竖向位移工况下，单支座施加竖向位移荷载(SSHU)工况在 37mm 时就有 Q235 杆件屈服，双支座竖向位移 DLSHU 与 SNSHU 工况相当于塔架基础倾斜，在 400mm 内是安全的，没有出现材料屈服，因此必须采取有效措施防止单支座竖向下沉这种比较危险的情况发生。 可以利用出现 Q235 材料屈服时的支座位移作为判断塔架是否安全的标准，即当预测的地表变形小于 Q235 材料屈服时的支座位移时，认为塔架处于安全状态，反之认为塔架是不安全的。由图 1(b)可知，受拉伸时主材均可达到屈服荷载，说明此时主要是主材破坏导致铁塔破坏；而受压缩位移荷载时，大部分主材均没有达到屈服荷载，铁塔主要是因为 Q235 钢材的斜材和辅助材破坏，造成构件失稳过多形成机构破坏。
由图 1(c)可以发现塔架支座受压缩作用比受拉伸作用更危险，支座受压缩时破坏都比较早，而大部分拉伸工况下都可达到控制值 400mm 未发现有杆件屈服。图 1(c)还可看出沿着长向(垂直线路方向)与沿着短向(平行线路方向)施加变形，短向能承受的位移荷载更大，主要是由于沿长向发生支座位移时候，由于上部横担较大，会引起上部电线荷载的偏心，从而产生较大次弯矩的影响。
4 结论
本文分析了输电线路经过地区的煤炭开采状况。以输电铁塔内典型杆件失稳破坏时的支座位移作为判断塔架是否安全的标准，得到了沉陷区输电杆塔抵抗地表变形的能力，并将其作为铁塔变形的允许值；根据沉陷区地表变形预计结果，对位于沉陷区的输电线路的安全性进行了评估。
参考文献
[1]袁广林, 舒前进, 张云飞. 超高压输电线路沉陷区输电铁塔安全性评价[J]. 电力建设, 2011, 32(1):18-21.
[2]唐照成, 黄成飞, 郭文兵. 张沟矿高压输电线路铁塔下采煤的安全性研究[J]. 2011.
[3]陈志梅, 袁广林, 宋康,等. 煤矿采动区高压输电线路交全性评估[J]. 中国电力, 2015, 48(10):101-106.
论文作者:张健
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/5/18
标签：支座论文; 地表论文; 位移论文; 铁塔论文; 线路论文; 水平论文; 工况论文; 《基层建设》2017年第33期论文;