基于3DEC對(duì)某輸電線路新建鐵塔巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

趙　健，楊　立，鄧冬梅，張　健，鄧　姍

( 1.貴州電力設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

電力行業(yè)一直是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)廣泛分布的山區(qū)不時(shí)會(huì)遇到將輸電線塔建立在危險(xiǎn)陡坡的情形，邊坡穩(wěn)定性成為輸電線路建設(shè)中的關(guān)鍵突出問題。同時(shí)，開挖陡坡勢(shì)必會(huì)帶來新的邊坡問題，由于輸電線塔具有結(jié)構(gòu)高、跨度大等特點(diǎn)，鐵塔荷載與風(fēng)荷載會(huì)威脅到線路安全，因此研究塔基邊坡的穩(wěn)定性具有重大的工程意義。

巖質(zhì)邊坡發(fā)育層面，并被節(jié)理裂隙切割。據(jù)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的邊坡穩(wěn)定性分析可知，巖質(zhì)邊坡的變形破壞主要受控于臨空面與結(jié)構(gòu)面的空間關(guān)系，巖體可能沿單一不連續(xù)面滑動(dòng)、開挖面崩落或形成楔形體沿結(jié)構(gòu)面交線滑動(dòng)[1]。由于巖體變形和破壞具有復(fù)雜性，因此全面分析邊坡的巖性特征、優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面及其組合可能造成的邊坡破壞模式是穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。

巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法可分為定性和定量?jī)深悾ㄐ苑治龇椒ㄖ饕ㄗ匀粴v史分析法、圖解法、專家系統(tǒng)法等，定量分析方法主要有極限平衡分析法、數(shù)值分析法、可靠度方法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。在定性分析方法中，邊坡結(jié)構(gòu)面極射赤平投影法是一種簡(jiǎn)便而有效的圖解分析方法，該方法假定巖體為剛性且忽略軟弱夾層和條件力的作用[2]，利用結(jié)構(gòu)面極射赤平投影技術(shù)直觀地反映邊坡結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系、結(jié)構(gòu)面組合切割體與邊坡的相對(duì)關(guān)系、不利切割體的潛在滑動(dòng)方向等[3]，在評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[4]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際邊坡工程潛在破壞模式的分析中，如吳紹強(qiáng)[5]、李才等[6]利用結(jié)構(gòu)面極射赤平投影技術(shù)分析了巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面組合下可能的邊坡破壞模式。在定量分析方法中，數(shù)值模擬方法主要用于研究巖土工程活動(dòng)對(duì)附近環(huán)境的影響以及巖體-支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的模擬[7]，目前常用的方法是有限元法、邊界元法、有限差分法、離散元法、不連續(xù)變形分析法、流形元法等。其中，有限元法基于最小總勢(shì)能變分原理[8]，將連續(xù)體近似為多個(gè)彼此相聯(lián)系的單元體組成的物理模型，能夠方便地處理各種非線性問題，是目前應(yīng)用最廣且較為成熟的研究巖體性質(zhì)的方法，但其缺點(diǎn)是難以模擬復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)的巖體；而離散元方法能夠很好地模擬巖體等非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為，是一種非連續(xù)數(shù)值分析方法，在處理不連續(xù)介質(zhì)問題中有較大的優(yōu)勢(shì)[9-10]，目前已開發(fā)了眾多基于離散元方法的模擬軟件，其中由美國(guó)Itasca集團(tuán)的3DEC(3-Dimensional Distinct Element Code)軟件允許巖體系統(tǒng)大變形和大位移，已在許多巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究中使用。近年來，強(qiáng)度折減法已較普遍地應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，強(qiáng)度折減法就是在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算過程中，用折減系數(shù)逐步降低巖土體強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)，反復(fù)計(jì)算至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)度指標(biāo)與原強(qiáng)度指標(biāo)之比，即邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)[11-12]。基于強(qiáng)度折減的3DEC離散元方法被認(rèn)為是不連續(xù)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的有力工具[13-14]。

基于上述研究，本文以某塔基邊坡為例，因距離高層住宅樓小區(qū)較近，已采用錨索加固，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于城區(qū)輸電線路規(guī)劃需在該邊坡中部新建鐵塔，將會(huì)開挖邊坡并截?cái)噱^索，勢(shì)必對(duì)邊坡原有穩(wěn)定性狀態(tài)造成影響。因此，為評(píng)價(jià)該塔基邊坡受到工程活動(dòng)影響下的穩(wěn)定性，本文在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與結(jié)構(gòu)面測(cè)繪的基礎(chǔ)上，確定邊坡巖體優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，采用極射赤平投影法分析塔基邊坡潛在的破壞模式，并通過3DEC離散元模型，進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)開挖并截?cái)噱^索后塔基邊坡的穩(wěn)定性以及新增支護(hù)并新建鐵塔后邊坡的穩(wěn)定性。

1　塔基邊坡的潛在破壞模式分析

1. 1　塔基邊坡的基本地質(zhì)條件

本文擬研究的塔基邊坡高約40 m，為陡傾角層狀切向坡，基巖部分外露，坡頂有部分第四系覆蓋物，塔基邊坡下伏基巖以二疊系中統(tǒng)吳家坪組(P2w)強(qiáng)風(fēng)化泥巖、互層狀泥巖和灰?guī)r以及強(qiáng)-中風(fēng)化灰?guī)r為主，邊坡排水設(shè)施較為完善。該塔基邊坡呈3個(gè)平臺(tái)，上部已有2個(gè)運(yùn)營(yíng)中的鐵塔(鐵塔1和鐵塔2)，因小區(qū)建設(shè)，邊坡中下部已采用錨索支護(hù)。既有鐵塔、開挖設(shè)計(jì)面、擬建鐵塔及塔腿位置，詳見邊坡剖面圖1。

圖1　巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.1　Engineering geological profile of the rock slope

1. 2　塔基邊坡的潛在破壞模式分析

據(jù)邊坡工程地質(zhì)測(cè)繪，擬研究的塔基邊坡坡面產(chǎn)狀為151°∠45°，層面(J1)產(chǎn)狀為213°∠43°，充填物為泥膜。經(jīng)過測(cè)量并統(tǒng)計(jì)得到該塔基邊坡巖體5組優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面平直、較光滑，充填物為泥膜，巖體被節(jié)理切割成碎裂狀，巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)見表1。

表1　某塔基邊坡的巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)Table 1　　　　Structure plane parameters of the rock slope of a tower foundation

綜合該塔基邊坡的巖性特征、坡面產(chǎn)狀、層面產(chǎn)狀和節(jié)理面產(chǎn)狀，得到邊坡結(jié)構(gòu)面下半球極射赤平投影圖(見圖2)，據(jù)此可分析該巖質(zhì)邊坡的潛在破壞模式。

圖2　某塔基邊坡結(jié)構(gòu)面赤平投影圖Fig.2　　　　Stereographic projections of the slope structure plane of a tower foundation

(1) 平面滑動(dòng)模式。巖質(zhì)邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)需要同時(shí)具備以下條件：①結(jié)構(gòu)面傾角θ大于結(jié)構(gòu)面摩擦角φj而小于坡角α；②結(jié)構(gòu)面的傾向與邊坡面傾向相同；③邊坡中存在側(cè)向切割面[2]。本案例中塔基邊坡強(qiáng)風(fēng)化泥巖內(nèi)結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角難以試驗(yàn)獲得，取經(jīng)驗(yàn)值10°，按上述條件分析邊坡能否產(chǎn)生平面滑動(dòng)，見表2。由表2可知，該塔基邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的可能性較小。

表2　邊坡平面滑動(dòng)模式分析Table 2　Analysis of plane slide failure mode of the slope

(2) 楔形體滑動(dòng)模式。巖質(zhì)邊坡發(fā)生楔形體滑動(dòng)需要具備以下2個(gè)條件：①結(jié)構(gòu)面交線傾伏角δ大于結(jié)構(gòu)面摩擦角φj而小于坡角α；②結(jié)構(gòu)面交線傾伏向與邊坡面傾向相同[2]。本案例中塔基邊坡坡面產(chǎn)狀為151°∠45°，統(tǒng)計(jì)兩兩結(jié)構(gòu)面組合的交線產(chǎn)狀，據(jù)此對(duì)邊坡破壞模式分析如下：①(J1,J2)、(J3,J5)結(jié)構(gòu)面交線的傾伏角大于坡角，楔形體不具備可能滑動(dòng)的臨空條件，邊坡發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能性??；②(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)結(jié)構(gòu)面交線傾伏向與邊坡面傾向相同，夾角較小，結(jié)構(gòu)面交線傾伏角小于邊坡面傾角而大于結(jié)構(gòu)面摩擦角，邊坡有沿著該結(jié)構(gòu)面組合發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能；③其余9組結(jié)構(gòu)面組合的交線傾伏向與邊坡面傾向呈大角度相交，邊坡沿這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能性小。按上述條件綜合兩組結(jié)構(gòu)面組合切割下該塔基邊坡可能發(fā)生楔形體滑動(dòng)破壞模式的分析,詳見表3。

(3) 圓弧形滑動(dòng)模式。由于本案例中塔基邊坡上部強(qiáng)風(fēng)化泥巖層較厚且?guī)r體風(fēng)化破碎，巖土體性質(zhì)

表3　兩組結(jié)構(gòu)面組合切割下塔基邊坡的潛在破壞模式分析Table 3　Analysis of potential failure mode of the slope in different combinations by two sets of joints

較差，可能在邊坡泥巖層發(fā)生圓弧形滑動(dòng)破壞模式。

綜上所述，該塔基邊坡發(fā)生平面滑動(dòng)的可能性較小，但可能發(fā)生楔形體滑動(dòng)和圓弧形滑動(dòng)。

2　塔基邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

2. 1　計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)該塔基邊坡空間特征，建立76 m×50 m×58 m的邊坡模型，模型地層材料為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、互層狀泥巖和灰?guī)r、中風(fēng)化灰?guī)r。由上述赤平投影分析可知，該塔基邊坡潛在的楔形體滑動(dòng)破壞模式主要是由于(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)三組結(jié)構(gòu)面控制，因此在模型中輸入層面以及J3、J4和J5結(jié)構(gòu)面來對(duì)巖體進(jìn)行切割，而考慮圓弧形滑動(dòng)破壞模式情形時(shí)，在模型中只輸入層面進(jìn)行控制。該塔基邊坡巖體結(jié)構(gòu)面間距由鉆孔揭露和實(shí)測(cè)間距平均值確定，結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)取相同值，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，參考相關(guān)規(guī)范確定出研究邊坡巖土體的物理力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)，詳見表4和表5，邊坡錨索主要參數(shù)見表6，并設(shè)置頂部?jī)伤奢d為塔基范圍內(nèi)的均布荷載(q=25 kPa)。

表4　模型地層材料物理力學(xué)參數(shù)Table 4　Physical and mechanics parameters of the model strata materials

表5　巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)Table 5　　　　Mechanics parameters of the structural plane of the rock slope

表6　塔基邊坡錨索主要參數(shù)Table 6　Major parameters of the anchor cable

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 5009—2012)中的風(fēng)荷載計(jì)算公式[15]，垂直作用于塔架表面上單位面積的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

ωz=βzμsμzω0

(1)

式中:ωz為作用在高聳結(jié)構(gòu)高度處單位面積上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);βz為風(fēng)振系數(shù);μs為風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓(kN/m2)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 5009—2012)，公式(1)中各參數(shù)取值見表7，得到鐵塔1、鐵塔2和擬建鐵塔的風(fēng)荷載分別為0.72 kN/m2、0.66 kN/m2和0.58 kN/m2，鐵塔線路方向與塔基邊坡走向相同，并按最不利方向施加到鐵塔表面。

設(shè)置模型邊界條件為：模型的底面處施加豎向固定約束，模型的側(cè)面處施加水平固定約束，模型頂面為自由無約束，選擇莫爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算。巖土體等材料均采用Zone單元進(jìn)行模擬，錨索采用Cable單元進(jìn)行模擬，模型共用65 532個(gè)Zone單元，195根Cable單元。建立的截?cái)噱^索前邊坡兩種潛在破壞模式下的計(jì)算模型，見圖3和4。

表7　風(fēng)荷載計(jì)算參數(shù)Table 7　Parameters in wind load

圖3　截?cái)噱^索前邊坡楔形體滑動(dòng)破壞模式下的計(jì)算模型Fig.3　　　　Calculation model of the slope in wedge slide failure mode before cutting cables

圖4　截?cái)噱^索前邊坡圓弧形滑動(dòng)破壞模式下的計(jì)算模型Fig.4　　　　Calculation model of the slope in circular slide failure mode before cutting cables

2. 2　開挖并截?cái)噱^索后塔基邊坡的穩(wěn)定性分析

在開挖邊坡截?cái)嗖糠皱^索情況下，經(jīng)過3DEC迭代計(jì)算出天然工況下該塔基邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.84(楔形體滑動(dòng))、0.874(圓弧形滑動(dòng))，表明天然工況下的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)無法滿足工程安全性要求。結(jié)合圓弧形滑動(dòng)破壞模式下開挖邊坡的位移模擬結(jié)果(見圖5)可以看出：在天然狀態(tài)下開挖邊坡的最大位移接近1.3 m，這也從另一方面說明未支護(hù)進(jìn)行開挖的塔基邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的可能性大。由此可見，該塔基邊坡在無支護(hù)情況下開挖將會(huì)產(chǎn)生破壞，在實(shí)際工程開挖之前必須采取有效支護(hù)措施以確保邊坡的穩(wěn)定。

圖5　圓弧形滑動(dòng)破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.5　　　　Slope displacement by excavation in circular slide failure mode

2. 3　支護(hù)補(bǔ)償并新建鐵塔后塔基邊坡的穩(wěn)定性分析

結(jié)合該塔基邊坡已支護(hù)狀況，天然工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.25，暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.05，采用樁體將塔基荷載傳遞到潛在滑動(dòng)面以下巖體，起到抗滑樁的抗滑作用；同時(shí)，在開挖位置按截?cái)?根錨索補(bǔ)2根錨索的方式補(bǔ)償加固，新增錨索深入到已有錨索深度以下，設(shè)置于既有錨索中部，避開樁位，并在樁頂新增預(yù)應(yīng)力錨索以平衡鐵塔水平風(fēng)荷載，錨索的傾角為25°，與巖層夾角為49°，平均間距為2 m×2 m。新建鐵塔荷載形式為均布荷載，按塔基面積計(jì)算得到q=35 kPa,塔基邊坡抗滑樁的主要參數(shù)見表8，支護(hù)后的塔基邊坡模型見圖6。

經(jīng)過3DEC對(duì)該模型的迭代計(jì)算，得出楔形體滑動(dòng)破壞模式下邊坡天然工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)為1.225，暴雨工況時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.063，圓弧形滑動(dòng)破壞模式下天然工況時(shí)的穩(wěn)定性系數(shù)為1.246，暴雨工況時(shí)穩(wěn)定性系數(shù)為1.097，說明該塔基邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，可以得到支護(hù)后兩種破壞模式下開挖邊坡的位移云圖(見圖7和圖8)。

表8　巖質(zhì)邊坡抗滑樁的主要參數(shù)Table 8　　　　Major parameters of anti-sliding piles of the rock slope

圖6　支護(hù)后的塔基邊坡模型Fig.6　Model of the supported slope of tower foundations

圖7　支護(hù)后楔形體滑動(dòng)破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.7　　　　Slope displacement fringe after supporting in wedge slide failure mode

圖8　支護(hù)后圓弧形滑動(dòng)破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.8　　　　Slope displacement fringe after supporting in circular slide failure mode

由圖7和圖8可見，在降雨工況下補(bǔ)償錨索并設(shè)置抗滑樁之后新建鐵塔，邊坡開挖面附近變形得到控制，變形處于在施工允許范圍之內(nèi)。由此可見，在錨索和抗滑樁的作用下，該塔基邊坡變形得到了有效控制，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，支護(hù)方案能夠滿足工程安全性需要。

3　結(jié)　論

本文以塔基邊坡為研究對(duì)象，采用極射赤平投影法分析邊坡潛在的破壞模式，定性分析其穩(wěn)定性，再通過3DEC離散元方法定量評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，可以得到以下結(jié)論：

(1) 工程地質(zhì)分析與赤平投影分析表明，該輸電線路邊坡有沿著(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)發(fā)生楔形體滑動(dòng)的可能，也有在強(qiáng)風(fēng)化巖體中發(fā)生圓弧形滑動(dòng)的可能。

(2) 通過3DEC數(shù)值模擬表明，該塔基邊坡進(jìn)行人工開挖后，其穩(wěn)定性系數(shù)不滿足工程安全性要求。因此該路基邊坡開挖前須采取有效支護(hù)措施，以保證邊坡的穩(wěn)定。

(3) 在該路基邊坡得到錨索及抗滑樁體系支護(hù)后，開挖邊坡不會(huì)造成邊坡大變形，邊坡穩(wěn)定性得到有效增強(qiáng)，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，滿足工程安全性要求，其支護(hù)設(shè)計(jì)能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

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