山區(qū)輸電線路塔基開(kāi)挖棄土邊坡穩(wěn)定性分析

郭春松，孔令文，尹 磊

(成都城電電力工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000)

山區(qū)輸電線路塔基開(kāi)挖棄土邊坡穩(wěn)定性分析

郭春松，孔令文，尹 磊

(成都城電電力工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610000)

山區(qū)輸電線路不可避免的要將桿塔建立于山體陡坡處，而基礎(chǔ)開(kāi)挖過(guò)程中形成的棄土一般就近堆積于塔腿附近。統(tǒng)計(jì)表明，超過(guò)七成的山區(qū)線路災(zāi)害問(wèn)題由棄土垮塌引發(fā)。因此，研究棄土誘發(fā)邊坡破壞機(jī)制，針對(duì)性提出相對(duì)應(yīng)的治理對(duì)策具有現(xiàn)實(shí)意義。本文以吳寧－朱云220 kV線路工程中某塔位作為研究對(duì)象，運(yùn)用Geo-studio有限元分析仿真模擬軟件，對(duì)塔位開(kāi)挖棄土進(jìn)行堆積前后穩(wěn)定性及位移場(chǎng)分析，研究鐵塔基開(kāi)挖棄土誘發(fā)滑坡的變形破壞機(jī)制，最終作出分析評(píng)價(jià)。

山區(qū)輸電線路；棄土；邊坡；穩(wěn)定性。

1 概述

塔基開(kāi)挖棄土的隨意放置改變了坡體的局部受力狀態(tài)，堆積的土體為坡面后緣產(chǎn)生局部滑動(dòng)提供了推力，一旦剩余下滑力大于其抗滑力，坡體將沿其最危險(xiǎn)滑面發(fā)生局部甚至整體滑動(dòng)。統(tǒng)計(jì)表明，超過(guò)七成的山區(qū)線路災(zāi)害問(wèn)題由棄土垮塌引發(fā)。

圖1 山區(qū)線路災(zāi)害問(wèn)題影響因素圖

本文以吳寧—朱云220 kV線路工程某段山區(qū)輸電線路中典型塔基棄土誘發(fā)滑坡為研究對(duì)象，運(yùn)用二維有限元數(shù)值建模軟件GeoStudio建立模型，模擬了棄土堆積前后、暴雨工況下坡體的穩(wěn)定性變化情況與應(yīng)力、應(yīng)變情況，并深入分析其滑坡形成機(jī)制。GeoStudio軟件中含有SLOPE/W與SIGMA/W analysis有限元模塊耦合分析功能，SIGMA/W模塊可以模擬分析線彈性問(wèn)題、非線性彈塑性有效應(yīng)力等復(fù)雜問(wèn)題。其優(yōu)勢(shì)在于SLOPE/W與SIGMA/W耦合分析得出的穩(wěn)定性分析結(jié)論充分考慮了各項(xiàng)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，并且在模擬過(guò)程中遵循各彈塑性本構(gòu)模型考慮了滑坡體應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 工程概況

研究對(duì)象鐵塔塔位所在邊坡坡坡腳標(biāo)高1150 m，坡體高約80 m，整體坡度較陡約35°～45°。坡體地層分布：

①第四系上更新統(tǒng)沖洪積含碎石粉質(zhì)粘土(Q3al+pl)：黃褐色，可塑狀態(tài)，土質(zhì)細(xì)膩，切面稍光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，碎石含量約20%，母巖成為主要為砂巖，粒徑一般1～10 cm，表面含植物根系。

②白堊系泥巖(K)：中風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，錘擊聲悶，遇水易軟化。

坡頂處擬建一220 kV同塔雙回轉(zhuǎn)角塔，轉(zhuǎn)角度數(shù)70°，塔高33 m，塔基采用挖孔樁形式，設(shè)計(jì)樁徑1.6 m、樁長(zhǎng)8 m，預(yù)計(jì)產(chǎn)生棄土112 m3；開(kāi)挖產(chǎn)生的松散巖土體堆積于塔基附近的坡肩處。邊界條件上部自由界面，底部固定，水平僅考慮x方向約束，豎直方向僅考慮y方向約束。

3 滑坡地質(zhì)模型、參數(shù)選取

對(duì)該塔位所在邊坡建立地質(zhì)模型及開(kāi)挖堆土后地質(zhì)模型，分析其開(kāi)挖前后穩(wěn)定性系數(shù)變化與應(yīng)變狀態(tài)變化、以及暴雨對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響。研究軟件采用加大拿開(kāi)發(fā)的二維有限元巖土軟件Geo-studio。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果所提供工程地質(zhì)剖面，建立地質(zhì)模型見(jiàn)圖2。

圖2 塔位所在邊坡地質(zhì)模型

為模擬棄土堆積后對(duì)坡體穩(wěn)定性的影響，建立圖3的地質(zhì)模型，其中形成的堆積體理想化為近似梯形：沿坡面底邊長(zhǎng)10m，棄土最高填筑高度2.5m。

圖3 棄土堆積后邊坡地質(zhì)模型

依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合反算計(jì)算結(jié)果，選取巖土體物理力學(xué)參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值

在確定巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值后，分別對(duì)坡體自然狀態(tài)下、開(kāi)挖堆積體堆積后的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)?；w采用Mohr-coulomb強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，分別依據(jù)Janbu、瑞典條分法、畢肖普法和M-p法計(jì)算求解邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1天然狀態(tài)下坡體穩(wěn)定性

(1)穩(wěn)定性分析

軟件自動(dòng)搜索出最危險(xiǎn)滑動(dòng)面所在位置，自然狀態(tài)下坡體最危險(xiǎn)滑面處于坡肩的最陡處，該處存在較大的臨空面，在坡體自重應(yīng)力作用下剩余下滑力最大。坡體穩(wěn)定性系數(shù)為1.299，依據(jù)建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范 GB 50330—2002，該邊坡在自然狀態(tài)下處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)位移場(chǎng)分析

圖4為坡體自然狀態(tài)下的水平位移云圖，simga計(jì)算結(jié)果表明，坡體最大水平位移為2.6 cm，最大位移同樣為坡肩處，結(jié)果與slope模塊自動(dòng)搜索的最危險(xiǎn)滑面一致。

圖4 坡體自然狀態(tài)下x方向位移云圖

圖5為坡體自然狀態(tài)下豎向位移云圖，結(jié)果顯示，坡體最大豎向位移為1 cm，位移場(chǎng)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明自然狀態(tài)下，該邊坡以水平位移為主，豎向位移相對(duì)較小。坡體整體位移較小，土體變形為彈性變形，并未形成塑性破壞，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，自然狀態(tài)下，該邊坡處于較穩(wěn)定狀態(tài)，不需進(jìn)行任何防護(hù)。

圖5 坡體自然狀態(tài)下y方向位移云圖

4.2 棄土堆積體形成后邊坡穩(wěn)定性

(1)穩(wěn)定性分析

棄土堆積體堆積于坡肩后穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。計(jì)算結(jié)果顯示，穩(wěn)定性系數(shù)為1.064，即坡體接近于極限平衡狀態(tài)(表2)。搬運(yùn)作用改造對(duì)坡體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。棄土方量過(guò)大，處置位置不當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)邊坡原狀土產(chǎn)生了較大的下滑推力，從而導(dǎo)致自身發(fā)生失穩(wěn)或誘發(fā)原狀土局部滑動(dòng)。

圖6 棄土堆積后坡體穩(wěn)定性系數(shù)

表2 滑坡?tīng)顟B(tài)劃分

(2) 位移場(chǎng)分析

棄土堆積后水平方向最大位移為6 cm，較自然狀態(tài)下增加3.4 cm，較大的位移說(shuō)明在坡體表明已經(jīng)產(chǎn)生較大的拉裂縫，坡體已由彈性狀態(tài)演變?yōu)閺椝苄宰冃紊踔敛豢苫謴?fù)的塑性狀態(tài)，最大位移處位于堆積體頂端，較符合現(xiàn)實(shí)情況。

圖7 棄土堆積后x方向位移云圖

圖8 棄土堆積后y方向位移云圖

堆積體形成后豎向最大位移為2 cm，較自然狀態(tài)增加1 cm，坡體整體上仍然以水平位移為主，同時(shí)說(shuō)明，該條件下坡體并未發(fā)生整體滑動(dòng)，處于極限平衡狀態(tài)。在如暴雨，地震等外界因素作用下很可能沿最危險(xiǎn)滑動(dòng)面發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.3暴雨工況下棄土堆積邊坡穩(wěn)定性

極端大暴雨情況下，考慮地下水浸沒(méi)土體2/3厚度。最終穩(wěn)定性系數(shù)為0.971。說(shuō)明暴雨工況下坡體沿巖土基覆界面產(chǎn)生局部滑塌，可見(jiàn)水的作用是滑坡啟動(dòng)的直接誘發(fā)因素。

4.4棄土體誘發(fā)滑坡機(jī)制

(1)工程棄土影響

模擬結(jié)果顯示，邊坡變形坡壞范圍主要集中于棄土堆積體及表層原狀土。滑動(dòng)特征是沿土巖基覆界面或棄土體內(nèi)部滑動(dòng)。在滑坡類型分類中屬于人工棄土滑坡。誘發(fā)棄土堆積體滑動(dòng)的主要原因是由于基礎(chǔ)施工后，開(kāi)挖棄土大量堆積于高陡斜坡；掏挖形成的棄土一般未進(jìn)行處理而直接丟棄與陡坡處，該棄土體一般為成分復(fù)雜、地質(zhì)成因多樣、土巖混雜、結(jié)構(gòu)松散無(wú)序的特殊地質(zhì)體。因此其抗剪強(qiáng)度參數(shù)值均遠(yuǎn)低于原狀土。均勻性差，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，是誘發(fā)滑坡的本質(zhì)因素。

(2)降雨入滲影響

降雨入滲使坡體的飽和度增大而另其重度增大，滑體重力沿坡面方向分量增大導(dǎo)致剪應(yīng)力隨之增大；同時(shí)水的不斷滲透影響基質(zhì)吸力減小，從而導(dǎo)致棄土體抗剪強(qiáng)度大幅下降，對(duì)穩(wěn)定性不利；并且持續(xù)降雨還可引起地下水位上漲或在相對(duì)隔水層以上出現(xiàn)暫時(shí)性地下水帶。因此，降雨條件是棄土體形成滑坡的誘發(fā)因素。

5 結(jié)論

(1)二維模擬結(jié)果顯示，邊坡在自然狀態(tài)下處于較穩(wěn)定狀態(tài)；在棄土堆積體形成并堆積于坡肩后，坡體局部產(chǎn)生了較大的位移，結(jié)果表明邊坡此時(shí)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，穩(wěn)定性系數(shù)小于1，即邊坡失去穩(wěn)定性，沿最危險(xiǎn)滑面發(fā)生了滑動(dòng)。

(2)位移云圖反映棄土堆積體在坡肩處產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大位移主要發(fā)在堆積體自身所在位置，棄土堆積體主要為自身失穩(wěn)或者是引起堆載位置的局部滑動(dòng)。

(3)棄土未作夯實(shí)等防護(hù)處理，實(shí)驗(yàn)測(cè)得棄土體粘結(jié)力及內(nèi)摩擦角大幅低于原狀土，結(jié)構(gòu)松散，自身穩(wěn)定性差，是誘發(fā)滑坡的主要原因。

(4)極端強(qiáng)降雨入滲一方面增加了土體自身容重，孔隙水壓力增大進(jìn)一步降了低巖土體物理力學(xué)參數(shù)，是棄土滑坡的啟動(dòng)因素。

(5)模擬結(jié)果表明，工程開(kāi)挖棄土未經(jīng)處理堆積于斜坡處，在特定條件下能夠誘發(fā)坡體局部滑動(dòng)。塔基開(kāi)挖棄土的處理應(yīng)受到充分重視，必要時(shí)需配合地質(zhì)人員現(xiàn)場(chǎng)勘察評(píng)估。

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Stability Analysis of Spoil Slope of Transmission Line in Mountain Area

GUO Chun-song, KONG Ling-wen, YIN Lei
(Chengdu City Electric Power Engineering Co., Ltd., Chengdu 610000, China)

In power transmission line project of mountain area, it is inevitable to establish the tower on the steep slope. nearest The spoil which is formed during foundation excavation piles near the tower generally. Statistics show that more than 70% mountainous route disasters are triggered by the collapse spoil. Therefore, the study of the formation mechanism and the corresponding countermeasures is of practical significance. Treating a tower in Wuning – Zhuyun 220 kV transmission line project as the research subject in this paper, We analyze slope stability and displacement feld around the spoil pile by the method of Geo-studio FEM simulation software. Research the formation mechanism of the landslide induced by the spoil and give analysis and evaluation.

mountain power transmission line; spoil; slope; stability.

TU4

：B

：1671-9913(2017)01-0006-04

2015-11-09

郭春松(1989- )，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事電力勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。