我國西南山區(qū)輸電線路場地地震效應(yīng)

喻豪俊，彭社琴，趙其華，陳繼彬，丁梓涵

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都市 610059)

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我國西南山區(qū)輸電線路場地地震效應(yīng)

喻豪俊，彭社琴，趙其華，陳繼彬，丁梓涵

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都市 610059)

西南山區(qū)大部分為具覆蓋層下伏基巖場地，并且地勢陡峻。在其輸電線路工程中，場地在地震作用下的穩(wěn)定性對上部桿塔結(jié)構(gòu)的安全影響較為明顯。目前對于不同場地條件對地震動的影響有一定的研究，但針對西南山區(qū)陡坡地形，特別是具基巖場地中基巖強度對場地地震效應(yīng)的研究還較少。以西南山區(qū)某典型輸電線路場地為研究對象，采用FLAC3D數(shù)值分析軟件，運用時程分析方法，分析場地地震峰值加速度放大系數(shù)、場地永久位移隨覆蓋層厚度和基巖強度的變化特征，探討西南山區(qū)不同場地地基條件的地震效應(yīng)。研究表明：隨著覆蓋層厚度的增加，場地峰值加速度放大系數(shù)逐漸減小、永久位移逐漸增大；隨著基巖強度的增大，場地水平峰值加速度放大系數(shù)逐漸減小，豎向峰值加速度放大系數(shù)逐漸增大、永久位移逐漸減小。

場地條件；西南山區(qū)；輸電線路；地震效應(yīng)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中國電力事業(yè)突飛猛進。而中國是多地震國家，西南山區(qū)輸電線路大多要穿越高烈度地震區(qū)，輸電線塔的震害嚴(yán)重影響了電力設(shè)施的正常運行，給人民的財產(chǎn)安全造成巨大的損失[1]。

理論分析和大量的強震觀測及震害資料表明，場地條件對地震動有很大影響，基巖之上的覆蓋層對地震動有明顯的放大作用[2-3]。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸^場地巖性和土質(zhì)條件的穩(wěn)定能力時，就會出現(xiàn)場地失穩(wěn)或地面永久變形[4]，而場地的穩(wěn)定性直接影響著上部結(jié)構(gòu)的安全，甚至將導(dǎo)致上部鐵塔結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。因此，探討西南陡坡地形的場地地基地震效應(yīng)， 防止輸電線塔在地震作用下發(fā)生破壞，具有十分重要的研究意義。

近年來，場地條件對地震動的影響引起了國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注，并且開展了一系列的研究工作。其中，陳黨民等[5]假設(shè)覆蓋土層和基巖面呈水平成層分布，建立了不同覆蓋層厚度和不同等效剪切波速的一維土層反應(yīng)模型，分析了場地條件對地表峰值加速度的放大效應(yīng)。文雯等[6]分別以單一均質(zhì)的黏土、粉土、砂土、礫石場地為研究對象，分析了不同地震動輸入條件下，峰值加速度和反應(yīng)譜平臺值隨覆蓋層厚度變化的影響。李秀玲等[7-8]利用土層地震反應(yīng)分析的等效線性化波動分析方法，計算了不同覆蓋層厚度場地的地表加速度，得出覆蓋層對場地峰值加速度放大作用存在一定的局限性。高峰等[9]對寒區(qū)凍土場地中凍土層厚度對場地地震反應(yīng)的影響做了一定的研究，認為凍土層厚度越大，場地峰值加速度越小。

但是，相關(guān)學(xué)者的研究對象大多是針對平坦場地或土質(zhì)場地的場地條件而言。西南地區(qū)地形地貌錯綜復(fù)雜，山地、丘陵居多，并且大部分為具碎石土下伏基巖場地。場地中覆蓋層厚度、基巖強度參數(shù)對地震動的影響較為明顯?；诖?，本文采用FLAC3D[10-11]數(shù)值分析軟件，以西南地區(qū)輸電線路實際走線中最易穿越的地形地貌和地基土大類為基礎(chǔ)選取典型的輸電線塔位，對不同場地地基條件(覆蓋層厚度、基巖強度)下的地震效應(yīng)進行了動力數(shù)值分析，進而為山區(qū)陡坡地形輸電線塔的線路選線、塔位選址提供一定的指導(dǎo)，減少輸電線塔在地震作用下的損壞。

1 場地特征及模型建立

1.1 場地條件

西南地區(qū)輸電線工程線路走線一般起于變電站，從變電站出線，穿越如高山峽谷、斜坡、脊坡等十分復(fù)雜的山區(qū)地形，最后止于線路終點的變電站。因此，為了更好地反映西南山區(qū)輸電線路場地的地震動響應(yīng)，本文選取具有代表性的山區(qū)斜坡場地進行地震效應(yīng)的研究。

場地位于Ⅷ度地震烈度區(qū)。場地類型為薄覆蓋層下伏基巖斜坡，地形條件為低山斜坡中上部，坡度25°。覆蓋層為碎石土，厚約3 m。其下基巖為砂巖，中等風(fēng)化。斜坡坡度D腿側(cè)約30°，其余各腿25°。塔位處地形見圖1，巖土體介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 場地地形圖Fig.1 Site topographic map表1 巖土體介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil medium material

1.2 模型建立

模型原型選取西南地區(qū)某輸電線路工程中Ⅶ號點位。根據(jù)實際的場地地形就勢向外延擴建立數(shù)值計算模型，模型長(y方向)約195 m，寬(x方向)207 m。模型按實際場地覆蓋層、基巖分布分上下2層建模。場地計算模型圖見圖2。

圖2 模型示意圖Fig.2 Sketch model

1.3 模型邊界條件

模型建立過程中為減小邊界效應(yīng)，使分析的重點區(qū)域距邊界有一定距離，以保證模型邊界實際應(yīng)力變形特征與所設(shè)約束盡可能一致，故實體模型塔位場地以外區(qū)域根據(jù)地勢適當(dāng)往外延展。

計算中模型邊界條件的處理遵循以下原則：

(1)底部邊界設(shè)定水平和豎直方向位移約束。

(2)側(cè)向邊界由于斜坡體存在自重應(yīng)力，且自重應(yīng)力對斜坡巖體穩(wěn)定性影響較大，同時強震條件下水平向動力作用對斜坡的穩(wěn)定性影響較豎直向大，因此側(cè)向邊界設(shè)定水平向為位移約束。

(3)頂部邊界為自由邊界。

1.4 地震波輸入

本次計算選擇汶川地震時處于Ⅸ度地震烈度區(qū)的臥龍臺監(jiān)測到的地震波作為基準(zhǔn)波，人工濾波并縮小其幅值，將地震加速度調(diào)整至Ⅷ度地震烈度區(qū)。處理后地震作用歷時25 s，單位時間步長0.02 s，歷時10～22 s左右為振動峰值區(qū)，最大峰值加速度為3.048 m/s2。水平/豎向波形如圖3所示。計算考慮水平地震波和豎向地震波耦合作用的情況，同時輸入水平和豎向地震波。

圖3 地震加速度時程曲線Fig.3 Time-history curve of seismic acceleration

2 數(shù)值分析方案

2.1 不同覆蓋層厚度

對于地基不同覆蓋層厚度的地震效應(yīng)研究，選擇Ⅶ號點位實際地形地貌，保持其地形坡度、基巖強度等場地地形條件不變，通過改變地基覆蓋層厚度，設(shè)定覆蓋層厚度為3，5，7 m，考察順坡向坡面(1-1)不同覆蓋層厚度的地震效應(yīng)。

2.2 不同基巖強度

為了研究不同基巖強度的地震作用放大效應(yīng)和規(guī)律，保持其地形坡度、覆蓋層厚度等場地地形條件不變，計算中通過改變基巖物理力學(xué)參數(shù)，考慮不同堅硬程度基巖(軟巖、較硬巖、堅硬巖)的地震效應(yīng)。不同堅硬程度基巖的計算參數(shù)取值見表2。

3 場地地震效應(yīng)結(jié)果分析

3.1 表征指標(biāo)的選取

高地震烈度區(qū)陡坡場地在地震力作用下應(yīng)力變形會隨時間而變化，瞬時的較大位移如果能恢復(fù)就不會引起場地巖土體失穩(wěn)，而永久位移能夠體現(xiàn)陡坡整

表2 不同堅硬程度基巖計算參數(shù)

Table 2 Calculation parameters of bedrock with different rigidities

體穩(wěn)定性程度。一般認為水平峰值加速度對斜坡穩(wěn)定性影響較大，但如果耦合豎向地震力而產(chǎn)生最不利情況，則斜坡穩(wěn)定性將會面臨更嚴(yán)峻的考驗。鑒于此，引入斜坡表面永久位移以及地震峰值加速度放大系數(shù)，用以表征陡坡地形帶場地地震效應(yīng)。

加速度放大系數(shù)(以η來表示)，定義為斜坡地震動力反應(yīng)加速度波動峰值與坡腳地面加速度波動峰值的比值。假定斜坡上任意一點的動力反應(yīng)的加速度峰值為gpm，坡腳的動力反應(yīng)的加速度峰值為gpj，則該點的加速度放大系數(shù)就可以表示為

η=gpm/gpj

(1)

3.2 地基覆蓋層厚度影響

覆蓋層厚度分別為薄、中厚、厚時水平和豎向地震加速度放大系數(shù)(相對于局部地形坡腳，高程為相對于局部地形的高程)如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著斜坡覆蓋層厚度的增加，水平和豎向峰值加速度放大系數(shù)減小。水平峰值加速度放大系數(shù)為0.85～1.3，豎向峰值加速度放大系數(shù)為0.9～1.15。

薄覆蓋層的斜坡水平峰值加速度放大系數(shù)順坡高波動增加，在坡肩下達到最大值，變化范圍1.0～1.3；中厚覆蓋層的斜坡水平峰值加速度放大系數(shù)順坡高亦波動增加，在坡頂處達到最大值，變化范圍0.93～1.14；厚覆蓋層的斜坡水平峰值加速度放大系數(shù)順坡高基本呈線性減小，在坡頂處達到最小值，變化范圍1.0～0.85。

豎向峰值加速度放大系數(shù)在薄覆蓋層斜坡，順坡高近似線性增加，在坡頂達到最大值，變化范圍1.0～1.15；中厚、厚覆蓋層斜坡順坡高先略有減小，后又增大，最小值出現(xiàn)在3/5坡高處，最大值出現(xiàn)在坡頂，變化范圍分別為0.9～1.04、0.98～1.05。

總體來說，薄覆蓋層和中厚覆蓋層場地在地震作用下的峰值加速度逐漸增大，厚覆蓋層場地在地震作用下的峰值加速度逐漸減小，即g薄覆蓋層>g中厚覆蓋層>g厚覆蓋層。

水平和豎向地震永久位移-高程曲線見圖5。

圖4 峰值加速度放大系數(shù)—高程曲線Fig.4 Peak acceleration amplification coefficient-height curves

圖5 永久位移-高程曲線Fig.5 Permanent displacement-height curves

由圖5可知：隨著斜坡覆蓋層厚度的增大，水平和豎向永久位移是成倍增大。薄覆蓋層水平和豎向位移順坡面向上近似線性增大，在坡頂處達到最大值。

中厚、厚覆蓋層斜坡在坡下部順坡向上近似線性增加，水平永久位移在1/5到3/5坡高處基本保持不變，坡高3/5到坡頂迅速增大，在坡頂達到最大值；豎向永久位移在坡高2/5向上基本保持不變。

總體來說，D厚覆蓋層>D中厚覆蓋層>D薄覆蓋層。對于該場地，相同覆蓋層厚度時水平位移大于豎向位移。

3.3 地基基巖強度影響

基巖分別為軟巖、中硬巖、硬巖時水平和豎向地震加速度放大系數(shù)圖(相對于局部地形坡腳)如圖6所示。

圖6 峰值加速度放大系數(shù)-高程曲線Fig.6 Peak acceleration amplification “coefficient-height curves

從圖6可見，水平峰值加速度放大系數(shù)隨基巖強度的增大而減小，變化范圍約為0.92～1.09。豎向峰值加速度放大系數(shù)隨基巖強度的增大是逐漸增大的，均在坡頂達到最大值，最大值范圍為1.05～1.2。

基巖為軟巖和較硬巖時水平峰值加速度放大系數(shù)隨坡高是逐漸增大的，而硬巖則隨坡高減小。豎直峰值加速度放大系數(shù)隨坡高而增大。

雖然水平峰值加速度放大系數(shù)隨基巖強度的增大而減小，但從計算得出的實際地震水平加速度量值可見，隨著基巖強度的增大，水平加速度量值是逐漸增大的，具體見表3。

水平和豎向地震永久位移-高程曲線見圖7。

從圖7可見，隨著基巖強度增大，水平和豎向永久位移減小。水平位移在坡高1/5以下增大，1/5坡高到3/5坡高變化不大，3/5坡高到坡肩處迅速增大，在坡肩處達到最大值。豎向位移在2/5坡高以下增大，2/5坡高到坡肩處變化不大。

表3 不同基巖強度水平加速度量值

Table 3 Horizontal acceleration of different bedrock strength

圖7 永久位移-高程曲線Fig.7 Permanent displacement-height curve

4 討 論

(1)由剪切波速與覆蓋層厚度的關(guān)系式[12]：

(2)

式中：di為第i層覆蓋層的厚度；use為整個范圍內(nèi)土體的等效剪切波速；d0為上覆巖層的厚度；usi為第i層土體的剪切波速。

由式(2)可得，當(dāng)覆蓋層厚度增大時，土體的剪切波速減小，一定程度上縮小了對場地的地震效應(yīng)。

當(dāng)考慮了水平和豎向地震作用力時，結(jié)構(gòu)體系相互作用時的運動方程[12]可表示為

(3)

由式(3)可知，基巖強度的變大，使得整個體系的剛度變大，引起體系中各個質(zhì)點的加速度增大。

(2)總而言之，不同場地地基條件的地震效應(yīng)是一個非常復(fù)雜的問題，特別是針對山區(qū)陡坡場地而言。它不僅與本文研究的覆蓋層厚度和基巖強度有關(guān)，還與土層結(jié)構(gòu)、地震動強度、地貌類型等諸多因素有關(guān)。本文只是針對西南山區(qū)某一特定的場地的場地條件(覆蓋層3～7 m，軟巖-堅硬巖)情況下的場地地基地震效應(yīng)的影響做了一些初步研究。試圖為西南高烈度地震區(qū)輸電線塔的線路選線、塔位選址提供一定的意見和建議。

5 結(jié) 論

本文以西南地區(qū)某輸電線路工程為例，分析了地震作用下場地峰值加速度放大系數(shù)和永久位移隨覆蓋層厚度、基巖強度的變化特征。探討了場地地基條件對其穩(wěn)定性的影響，為山區(qū)陡坡地形輸電線路的線路選線、塔位選址提供一定的指導(dǎo)。主要結(jié)論如下：

(1)隨著斜坡覆蓋層厚度的增加，場地水平和豎向峰值加速度放大系數(shù)逐漸減小，均在坡肩達到極值或最大值。場地永久位移隨覆蓋層厚度的增加而增大。

(2)隨著基巖強度的增大，場地水平加速度放大系數(shù)逐漸減小，豎向加速度放大系數(shù)逐漸增大，但實際的加速度量值隨基巖強度的增大而增大。另外，場地永久位移是隨之減小的。

(3)整體來說，覆蓋層厚度的增加能起到一定的吸震、隔震作用?；鶐r強度的增大會加大場地地震動效應(yīng)。

(4)對于輸電線桿塔而言，場地加速度放大系數(shù)是其控制的主要因素。因此，考慮場地覆蓋層厚度影響時，西南山區(qū)輸電線路宜選擇厚覆蓋層場地走線。

(5)考慮基巖巖性影響時，由于軟巖場地的峰值加速度量值小，因此輸電線路宜選擇軟巖場地走線。

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(編輯：張媛媛)

Seismic Effect on Site Condition of Transmission Line in Southwest Mountainous Area

YU Haojun，PENG Sheqin，ZHAO Qihua，CHEN Jibin，DING Zihan

(State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and Geo Environment Protection (Chengdu University of Technology),College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Most of southwest mountainous areas are underlying bedrock ground cover layer, and the terrain is steep. In the transmission line engineering, the influence of the site stability under seismic action on the safety of upper tower structure is obvious. At present, there are some researches on the influence of different site conditions on seismic effect, but there are few researches for the southwest steep terrain, especially for the influence of the bedrock strength in the rock sites on the seismic effect of the site. Taking a typical transmission line site in southwestern mountainous area as research object, with using numerical analysis software FLAC3D and time history analysis method, this paper analyzed the seismic peak acceleration amplification coefficient on site, the variation characteristics of the permanent displacement on site along with the cover thickness and bedrock strength, and discussed the seismic effect of different site conditions in southwest mountainous area. The results show that: with the increase of cover thickness, the peak acceleration amplification coefficient gradually decreases, and the permanent displacement gradually increases; with the increase of bedrock strength, the vertical peak acceleration amplification coefficient gradually increases, and the horizontal peak acceleration amplification coefficient and the permanent displacement gradually decrease.

site condition; southwest mountain area; transmission line; seismic effect

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2011CB013501)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT0812)。

TM 75， TU 44

A

1000-7229(2015)06-0040-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.007

2015-04-20

2015-04-30

喻豪俊(1989)，男，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作；

彭社琴(1966)，女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程方面的研究工作；

趙其華(1964)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土工程方面的研究工作；

陳繼彬(1987)，男，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作；

丁梓涵(1990)，女，碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究工作。

Project Supported by the National Basic Research Program of China (973 Program) (2011CB013501)；Program Supported by Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT0812).