復(fù)雜地形條件下高填方及其支擋結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性分析

邢月龍，朱天浩，沈愷倫，歐曉暉

（1.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州市，310012；2.中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)，北京市，100070；3.浙江大學(xué)巖土工程研究所，杭州市，310027）

0 引言

舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程大貓山主跨越塔為目前最高的跨越鐵塔，塔基位于地形急劇變化的山體陡坎處，基礎(chǔ)周邊地質(zhì)條件異常復(fù)雜。3、4號(hào)基礎(chǔ)外側(cè)存在深厚的淤泥層，而且由于地勢(shì)較低，需填方近20 m。經(jīng)過(guò)分析，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，初步確定的原則方案主要有：（1）采用放坡方案，對(duì)軟土地基進(jìn)行處理；（2）避開(kāi)軟土地基，在施工平臺(tái)外淤泥層較淺處設(shè)置擋土墻。

對(duì)方案（1），放坡回填前需對(duì)淤泥進(jìn)行地基處理?？紤]到淤泥層太厚（最厚處達(dá)到13 m），清淤換填的方案顯然不合適。其他可能的軟基處理方案有：排水固結(jié)法、振沖砂石樁、水泥攪拌樁和爆破擠淤法。前3種方案軟基處理后，雖然豎向承載力可以滿足要求，但是滑移穩(wěn)定性仍然沒(méi)有得到顯著改善；如采用這3種方案，則還需在坡腳處設(shè)置沉井基礎(chǔ)才能保證滑移穩(wěn)定性，工期較長(zhǎng)、費(fèi)用也較高。對(duì)于爆破擠淤法，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣，塔位附近的養(yǎng)殖塘、大壩和水庫(kù)均在爆破擠淤的直接影響范圍之內(nèi)，爆破擠淤技術(shù)對(duì)本塔位而言也不合適。

對(duì)方案（2），適合本塔位的擋土墻方案主要有：衡重式擋墻方案和加筋土擋墻方案?？紤]到本塔位存在海水沖刷的影響，加筋土擋墻不宜低于海水沖刷的高度。因此，這2種方案轉(zhuǎn)變?yōu)楹庵厥綋鯄σ约昂庵厥綋鯄图咏钔翐鯄M合方案（下部衡重式擋墻，上部加筋土擋墻）。這2種方案對(duì)本塔而言均是合適的，造價(jià)也相當(dāng)，但是加筋土擋墻對(duì)施工工藝要求較高，同時(shí)所需工期也較長(zhǎng)[1]。

綜合考慮上述因素，大貓山370 m跨越塔3、4號(hào)基礎(chǔ)外側(cè)高填方區(qū)域采用了片石混凝土支擋結(jié)構(gòu)。對(duì)如此高的支擋結(jié)構(gòu)有必要從總體上對(duì)采用該方案后跨越塔塔基穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究，對(duì)工程的安全性作出合理評(píng)價(jià)。

1 工程概況

舟山群島地處我國(guó)東南沿海，長(zhǎng)江口南側(cè)，杭州灣外緣的東海洋面上。舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程為220 kV輸電線路工程，其中螺頭水道跨越部分按500 kV設(shè)計(jì)，是整個(gè)工程的核心。螺頭水道主跨越段跨越檔距為2 756 m，島上2基高塔基礎(chǔ)分別座落在舟山大貓島和寧波涼帽山上。

本工程超高跨越塔塔基及基礎(chǔ)存在以下特點(diǎn)：（1）基礎(chǔ)體型巨大，最大單個(gè)基礎(chǔ)平面尺寸為18 m× 18 m；（2）上部結(jié)構(gòu)下傳荷載量大且形式復(fù)雜，下壓工況下單腿的壓力達(dá)到10 000 kN以上，水平力也在1 000 kN以上；（3）塔基所處位置的地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，大貓山跨越塔位于地形狹窄的丘陵位置，塔基局部位于陡坎處，基底高差大，同時(shí)從地質(zhì)條件看，基巖面高差大，巖性也較復(fù)雜，覆土厚度不均。

2 塔基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大貓山島的主跨越塔全高370 m，鐵塔半根開(kāi)為30.81 m，施工場(chǎng)地要求110 m×110 m。塔基地面標(biāo)高為4.5～42 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)），設(shè)計(jì)高程20.0 m。

為達(dá)到設(shè)計(jì)高程以及跨越塔施工機(jī)械行走要求，須對(duì)原始山地進(jìn)行開(kāi)挖和回填平整。由于原地形呈西低東高走勢(shì)，因此3、4號(hào)基礎(chǔ)周?chē)捌湮鱾?cè)施工場(chǎng)地為回填區(qū)。

回填區(qū)淺部地基土層主要為：①層素填土；②層淤泥；③層含角礫粉質(zhì)粘土；④層強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r；⑤層中等風(fēng)化凝灰?guī)r。為填方區(qū)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算需要，對(duì)填方區(qū)進(jìn)行了勘察，典型地質(zhì)剖面土體分層情況如圖1。

圖1 填方區(qū)典型地質(zhì)剖面Fig.1 Typical geological profile of the embankment area

回填區(qū)主要采用開(kāi)挖巖土體填筑，由于山腳養(yǎng)殖塘淤泥層較厚，且填方高度超過(guò)20 m，在征地范圍內(nèi)高填方穩(wěn)定性難以保證。設(shè)計(jì)采用漿砌片石混凝土擋墻支護(hù)，擋墻基座入巖，墻趾反壓回填，如圖2。

圖2 填方區(qū)剖面布置Fig.2 Retaining structure profile of embankment

3 整體穩(wěn)定性研究

3.1 有限元模型的建立

由于輸電塔3、4號(hào)基礎(chǔ)回填區(qū)域地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，相應(yīng)擋土結(jié)構(gòu)及其與土體的相互作用較為特殊，常規(guī)計(jì)算方法不能滿足計(jì)算分析和設(shè)計(jì)要求，須采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析。所用計(jì)算軟件為荷蘭Delft大學(xué)研發(fā)的專(zhuān)業(yè)巖土工程計(jì)算分析商業(yè)軟件Plaxis[2]。軟件可模擬巖土的分層特性，考慮了工程中巖土體與結(jié)構(gòu)物之間存在的分界面的影響和靜水壓力、超孔隙壓力影響；同時(shí)可以分階段進(jìn)行計(jì)算，模擬實(shí)際的施工過(guò)程，計(jì)算均假設(shè)巖土體變形為小變形。

在本構(gòu)模型方面，針對(duì)不同材料采用了不同的彈性和彈塑性模型[3]。土工試驗(yàn)表明，彈塑性模型中莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論比較符合巖土材料，同時(shí)莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論的本構(gòu)模型概念清晰，采用的參數(shù)少且易確定。該強(qiáng)度理論在巖土工程理論與實(shí)踐中廣為采用[4]，是一個(gè)對(duì)土工計(jì)算分析而言較理想的本構(gòu)模型。其他材料如硬質(zhì)巖體和混凝土等結(jié)構(gòu)則采用彈性模型。

有限元方法能較好模擬施工全過(guò)程，并可利用土體強(qiáng)度折減法來(lái)模擬荷載作用下土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程，給出安全性評(píng)價(jià)。有限元法在穩(wěn)定性研究方面概念清晰，易于編程實(shí)現(xiàn)，且可以清楚觀察到破壞面位置與破壞的發(fā)展歷程。有限元方法用于穩(wěn)定分析已成為當(dāng)前穩(wěn)定性理論研究的發(fā)展方向[5]，Plaxis在整體穩(wěn)定性分析方面采用的方法即為強(qiáng)度折減法[6-9]。

計(jì)算選擇了3、4號(hào)塔基中部坡腳軟土層最厚的剖面作為典型計(jì)算分析斷面，如圖2。對(duì)施工到正常使用期間全過(guò)程的有限元模擬主要集中在3個(gè)階段：

（1）塔基施工結(jié)束后，擋土墻結(jié)構(gòu)和墻后土體填筑施工完成，墻后填土經(jīng)過(guò)壓實(shí)后抗剪強(qiáng)度和變形模量有所提高，形成豎向和側(cè)向荷載，同時(shí)擋土墻及其基礎(chǔ)形成側(cè)向擋土體系，該階段處于施工期間，有部分沉降和側(cè)向變形發(fā)生。

（2）墻頂形成施工平臺(tái)，大型施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工，機(jī)械行走和吊裝等過(guò)程產(chǎn)生附加荷載，沉降和側(cè)向變形進(jìn)一步發(fā)生。其有限元計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 Plaxis有限元計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分Fig.3 Plaxis finite element method computation model and mesh generation

（3）場(chǎng)地的整體穩(wěn)定性計(jì)算，這一階段采用是強(qiáng)度折減法，該方法是在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)將各層土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按比例逐步減小，直到整個(gè)體系失穩(wěn)破壞，通過(guò)起始點(diǎn)和破壞點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度比較最終獲得場(chǎng)地的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)。

3.2 支擋體系應(yīng)力應(yīng)變分析

在填方區(qū)場(chǎng)地堆填和擋墻砌筑之前，巖土體本身的應(yīng)力場(chǎng)即初始應(yīng)力場(chǎng)是有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)。Plaxis有限元軟件根據(jù)不同巖土體的容重計(jì)算各深度處的豎向有效應(yīng)力，然后根據(jù)各層巖土體的力學(xué)性質(zhì)（彈塑性體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)或彈性體的泊松比）計(jì)算靜止巖土體壓力系數(shù)，從而得出水平向應(yīng)力，最終得到一個(gè)適應(yīng)于場(chǎng)地地形和地質(zhì)情況的初始應(yīng)力場(chǎng)。

支擋結(jié)構(gòu)施工完畢后，在數(shù)值模擬的施工荷載和支擋結(jié)構(gòu)自重的共同作用下，整個(gè)支擋體系發(fā)生相應(yīng)位移，整體位移趨勢(shì)為：擋墻底部入巖，幾乎不發(fā)生位移；墻體整體略微向外傾斜，墻頂位移最大，同時(shí)墻后回填土體下沉；墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)下臥深厚軟土層，沉降較大，同時(shí)堆填體外側(cè)有明顯土體隆起發(fā)生。

墻背填土表面沉降分布和墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)原地表沉降和外側(cè)隆起分布如圖4。從變形量看，由于擋墻墻基入巖，大大限制了墻體本身和墻后填土的變形，墻背填土沉降量遠(yuǎn)小于回填鎮(zhèn)壓區(qū)原地表沉降，前者不足后者的1/6。墻后填土地表沉降大致呈折線型分布，最大沉降發(fā)生在靠近擋墻約10 m的范圍之內(nèi)，最大沉降量約28 mm。墻趾回填鎮(zhèn)壓區(qū)沉降呈中間大兩頭小的分布方式，中間最大沉降177 mm，外側(cè)隆起最大為76 mm。從位移分布看，設(shè)計(jì)使墻基入巖能有效抑制墻體和墻后填土發(fā)生較大變形，從而保證了跨越塔施工的順利進(jìn)行和塔基的穩(wěn)定。

圖4 整體穩(wěn)定計(jì)算失穩(wěn)破壞位移場(chǎng)Fig.4 Displacement field at failure with integral stability analysis

在數(shù)值模擬的施工荷載和支擋結(jié)構(gòu)自重的共同作用下，整個(gè)支擋體系和周邊巖土體應(yīng)力分布發(fā)生明顯改變。片石混凝土擋墻和墻下堅(jiān)固巖體共同承擔(dān)了大部分墻后填土自重和施工機(jī)械作業(yè)形成的荷載，表現(xiàn)為墻體下部和墻基附近巖體應(yīng)力水平較高，墻趾附近有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，而墻前回填鎮(zhèn)壓區(qū)由于擋墻的支擋，軟土區(qū)域應(yīng)力分布較為均勻，有利于軟土分布區(qū)域的穩(wěn)定。片石混凝土擋墻墻趾有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力水平不高，最大壓應(yīng)力不超過(guò)1.3 MPa，施工時(shí)應(yīng)注意保證墻基有一定入巖深度，并保持該部位附近巖體完整。

3.3 整體穩(wěn)定性分析

整體穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程中人為使巖土體的抗剪強(qiáng)度降低到極限值時(shí)，場(chǎng)地發(fā)生整體破壞，破壞時(shí)場(chǎng)地位移矢量分布如圖4。由位移分布形式可見(jiàn)，由于擋墻墻基入巖，擋墻本身片石混凝土結(jié)構(gòu)也較為堅(jiān)固，加之墻趾前方回填鎮(zhèn)壓層的設(shè)置，支擋體系本身整體穩(wěn)定性較好。因此，整體穩(wěn)定破壞發(fā)生在墻趾前方的回填鎮(zhèn)壓區(qū)，滑動(dòng)面呈圓弧狀，由強(qiáng)度折減法得到的計(jì)算剖面整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.34。

4 結(jié)論

（1）片石混凝土擋墻為主體的填方區(qū)支擋體系能有效起到支擋填土體、限制位移和保持塔基整體穩(wěn)定性的作用，由強(qiáng)度折減法得到的計(jì)算剖面整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.34。

（2）擋墻墻基入巖使片石混凝土結(jié)構(gòu)與其下巖體形成較好的支擋系統(tǒng)，承載了大部分墻后填土自重和施工操作產(chǎn)生的荷載，保證了擋墻內(nèi)外的巖土體穩(wěn)定。

（3）就擋墻本身而言，存在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮墻基趾部有一定入巖深度，并在拉應(yīng)力區(qū)采取相應(yīng)構(gòu)造措施，同時(shí)施工過(guò)程中也應(yīng)注意保持墻基巖體的完整性。

[1]朱天浩，徐建國(guó)，葉尹，等.輸電線路特大跨越設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].電力建設(shè)，2010，31（4）：29-30.

[2]Brinkgreve R B J，Vermeer P A.PLAXIS version 8.2 Manual[M]. Rotterdam，Netherlands：A.A.Balkema，2002.

[3]沈珠江.土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學(xué)模型：21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18（1）：95-97.

[4]李廣信.高等土力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]黃永強(qiáng)，韓紅桂.基于Plaxis的土石混填高路堤穩(wěn)定性分析研究[J].公路工程，2008，33（6）：107-110.

[6]唐曉松，鄭穎人，鄔愛(ài)清，等.應(yīng)用PLAXIS有限元程序進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2006，23（4）：13-16.

[7]張魯渝，鄭穎人，趙尚毅，等.有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報(bào)，2003（1）：21-27.

[8]Dawson E M，Roth W H，Drescher A.Slope stability analysis by strength reduction[J].Geotechnique，1999，49（6）：835-840

[9]Lechman J B，Griffiths D V.Analysis of the progression of failure ofearth slopesby finite elements[C]//International Conference of Slope Stability，2000：250-265.