特高壓直流輸電線路塔基邊坡的穩(wěn)定性分析

謝壽平,劉志鵬，羅紅明,王大慶,楊 樺,劉 凱，蘇云鵬

(1.貴州高速公路集團有限公司,貴州 貴陽 550004;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430056;3.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071)

輸電線路橫跨不同的地貌地質單元，山區(qū)輸電線路工程塔基一般修建于自然斜坡上，一方面斜坡自身的穩(wěn)定性會影響到塔基的安全，另一方面輸電線塔具有結構高、跨度大等特點，鐵塔荷載與風荷載等塔基荷載會直接作用于斜坡坡頂，對斜坡的穩(wěn)定性有較大的影響，從而威脅輸電線路工程的安全。因此，塔基的穩(wěn)定性狀況是影響輸電路線工程安全的關鍵技術難題。

目前，對于斜坡地基承載力方面的研究，已取得了較為豐碩的成果[1-2]。關于塔基邊坡穩(wěn)定性方面的研究也較多，如趙健等[3]采用3DEC離散元方法對邊坡開挖并截斷錨索和邊坡新增支護并新建鐵塔兩種工況下的邊坡穩(wěn)定性進行了分析；胡江運等[4]采用三維數值模擬方法分析了跨越塔基邊坡的穩(wěn)定性。但這些研究成果僅僅只關注將鐵塔荷載作用在邊坡上，重在分析鐵塔荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響。近年來國內外對斜坡樁基承載力分析方面的研究也頗多[5-11]，重在分析斜坡對樁基承載力的影響，則很少關注邊坡穩(wěn)定性對塔基承載力的影響以及邊坡與塔基間的相互作用問題。鑒于此，本文以修建于自然斜坡上的甘肅酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電工程5535#塔基邊坡為例，采用三維有限差分數值模擬方法，利用FLAC3D軟件系統(tǒng)研究了該塔基和塔基邊坡的穩(wěn)定性，評價塔基邊坡在工程活動影響下的穩(wěn)定性，對保證塔基邊坡的長期穩(wěn)定具有重要的工程意義。

1 塔基邊坡概況

1.1 塔基邊坡概況

甘肅酒泉—湖南±800 kV 特高壓直流輸電線路工程5535#鐵塔塔型為JC30152C-45，轉角度數為左轉0°37′，該鐵塔塔位位于長江邊低山地貌的山脊坡，塔址處原為柏樹林，前坡坡向為220°、坡度為15°～20°，左坡坡向為140°、坡度為37°～43°(鐵塔B腿樁中心15 m以外邊坡坡度變?yōu)?5°～60°)，右坡坡向為310°、坡度為35°～42°(鐵塔D腿樁中心5.7 m以外邊坡坡度變?yōu)?3°～46°，35 m以外邊坡坡度變?yōu)?0°～60°)，局部地段白云質灰?guī)r出露，巖層產狀為347°∠18°，見圖1。

圖1 甘肅酒泉—湖南±800 kV特高壓線路工程5535# 塔基邊坡工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile of 5535# tower foundation slope of Jiuquan-Hunan ±800 kV UHV DC transmission line

1.2 工程地質概況

根據鉆探揭露和區(qū)域地質資料，5535#鐵塔塔位的地層巖性在鉆探所達深度范圍內分為含碎石粉質黏土層和白云質灰?guī)r，各地層的地質特征如下：

白云質灰?guī)r(T2b)：淺灰色、灰白色，中等風化，隱晶質結構，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中巖體較破碎段埋深為2.5～4.0 m，巖體較完整段埋深為4.0～20.0 m。

根據現(xiàn)場調查和鉆探資料，5535#塔基區(qū)表層為第四系覆蓋層，其下基巖為白云質灰?guī)r，第四系覆蓋層最大厚度為2.5 m，位于邊坡坡頂平緩位置，而邊坡中下部坡面基巖直接裸露于地表，未見有任何的變形破壞跡象，說明該邊坡的穩(wěn)定性較好。

2 塔基邊坡穩(wěn)定性分析模型的建立

2.1 分析方法

塔基邊坡的穩(wěn)定性分析采用工程實踐中應用廣泛的三維有限差分數值模擬方法，該方法采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程[12]，并應用混合單元離散模型，準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等方面有其獨到的優(yōu)勢[13]。

2.2 計算模型

從5535#鐵塔的A、B、C、D腿樁平面位置來看，D腿樁離邊坡最近，故選取D腿樁來進行塔基穩(wěn)定性分析。根據工程經驗，鐵塔D腿樁在水平荷載作用的影響范圍約為樁徑的3～4倍，樁端影響深度約為樁徑的2～4倍。三維數值計算模型最大尺寸取為36 m×30 m×10 m，以減小模型邊界效應的影響[14]，三維數值計算模型采用六面體網格剖分，共剖分了8 170個單元，9 658個節(jié)點。本文建立的三維數值計算模型與網格剖分，見圖2。

計算模型的左右、前后和底部邊界均采用約束邊界，其中左右邊界施加x方向位移約束，前后邊界施加z方向位移約束，底部邊界施加y方向約束。

2.3 本構模型和計算參數

5535#鐵塔的塔基邊坡巖土體變形破壞采用摩爾-庫侖彈塑性模型進行計算，該模型的破壞包絡線對應于摩爾-庫侖判據(剪切屈服函數)加上拉伸分離點(拉伸屈服函數)，與拉應力法則相關聯(lián)而與剪切流動不相關聯(lián)。5535#鐵塔的D腿樁基采用FLAC3D程序自帶的pile結構單元，它通過耦合彈簧來實現(xiàn)D腿樁基受垂直荷載和水平荷載作用下樁與邊坡之間的相互作用[15]。

圖2 三維數值計算模型與網格剖分Fig.2 Three-dimensional numerical computational model and meshing

根據地質勘察資料，結合現(xiàn)場實際情況，巖土體和樁采用的計算參數見表1和表2。

表1 巖土體的計算參數Table 1 Calculation parameters of rock and soil mass

表2 樁的計算參數Table 2 Calculation parameters of pile

2.4 計算工況

本模型計算僅考慮重力場作用和D腿樁基受抗壓、抗拔與水平荷載共同作用下的塔基邊坡穩(wěn)定性和塔基穩(wěn)定性。作用于鐵塔基礎上的水平荷載和垂直荷載是根據鐵塔可能受到荷載進行計算分析得到的，由結構設計提供的最不利工況的垂直荷載和水平荷載。模擬計算工況如下：

工況1：自然邊坡初始狀態(tài)模擬；

工況2：建立pile單元，在樁頂施加垂直荷載3 872 kN，并施加坡外的水平荷載1 066 kN，見圖3。

圖3 塔基樁結構及樁頂荷載Fig.3 Pile structure and pile top load of the tower foundation

作用于5535#鐵塔基礎上的垂直荷載和水平荷載是根據該鐵塔可能受到的荷載進行計算分析得到的，上述荷載是設計提供的最不利工況下的垂直荷載和水平荷載。

3 塔基和塔基邊坡的穩(wěn)定性分析

3.1 塔基的穩(wěn)定性分析

為了分析塔基的穩(wěn)定性，利用FLAD3D軟件模擬得到塔基樁在垂直荷載和水平荷載共同作用下的受力變形結果見圖4，塔基樁單元節(jié)點和樁周巖土層單元節(jié)點的水平位移見圖5。

圖4 塔基樁在垂直荷載和水平荷載共同作用下的受力 變形模擬結果Fig.4 Deformation of pile under tower load vertically and horizontally

圖5 塔基樁和樁周巖土層單元節(jié)點的水平位移Fig.5 Horizontal displacement of nodes in pile and surrounding rock

由圖4和圖5可見，塔基在荷載作用下，樁頂位置產生了向坡外向下的位移，樁端位置產生了向坡內的位移，且坡頂位置水平位移最大，總位移值約為4.234 mm，其中樁水平位移最大值為4.025 mm，處于樁水平變形允許范圍內；在離樁頂超過10 m后，樁的水平位移指向坡內，且變形量小于1 mm；樁周巖土層單元節(jié)點的水平位移指向坡外，且最大水平位移值為3.597 mm，在白云質灰?guī)r(較完整)巖層中，巖土層單元節(jié)點的水平位移均小于0.7 mm，在離樁頂超過10 m后，巖土層單元節(jié)點的水平位移指向坡內，且其水平位移均小于0.3 mm。

3.2 塔基邊坡的穩(wěn)定性分析

為了分析塔基邊坡的穩(wěn)定性，利用FLAD3D軟件模擬得到兩種工況下塔基邊坡樁中心位置x方向的應力等值線圖、塔基荷載作用下塔基邊坡的位移矢量圖、塔基邊坡的破壞分布圖，見圖6、圖7和圖8。

圖6 兩種工況下塔基邊坡樁中心位置x方向的 應力等值線圖Fig.6 x-direction stress contour map at the pile center of the tower foundation slope in two working conditions

圖7 塔基荷載作用下塔基邊坡的位移矢量圖Fig.7 Displacement vector of the tower foundation slope under tower load

由圖6可見，塔基荷載作用對邊坡初始應力場的影響不明顯，絕大部分垂直荷載和水平荷載由樁基自身承擔，僅在樁周附近單元的應力發(fā)生了變化，離樁位置較遠部位單元的應力沒有受到影響，尤其是在樁頂位置及樁上部向坡內側單元出現(xiàn)了拉應力，而在樁上部向坡外側單元及樁端壓應力相比自然狀態(tài)有了較大程度的增加。

由圖7可見，在塔基荷載作用下坡頂位置產生向坡外向下的位移，總位移量較小，僅為4.409 mm。

圖8 塔基邊坡破壞區(qū)分布圖Fig.8 Damage zone distribution map of of the tower foundation slope

由圖8可見，邊坡受塔基作用下應力荷載作用后，僅在坡頂產生了拉破壞單元，邊坡下部陡峭部位沒有產生破壞單元，表明塔基附近的坡頂出現(xiàn)了局部破壞，坡頂以下坡體處于彈性變形范圍，未形成整體變形失穩(wěn)的破壞區(qū)，預示著宏觀上將表現(xiàn)為地表產生微裂隙，但不影響邊坡整體的穩(wěn)定性。因此，在塔基荷載作用下該邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文提取距離塔基位置4 m坡頂處x方向上的初始應力和塔基荷載作用下的應力進行了對比，其結果見圖9。

圖9 塔基邊坡坡頂處x方向上的初始應力和塔基 荷載作用下的應力對比Fig.9 Comparison of the inital stress and the stree at the top of tower foundation slope under tower foundation load in the x direction

由圖9可見，在塔基荷載作用下，距離坡頂0～3 m范圍內的應力變化很小，距離坡頂4～9 m范圍內的應力有所增加，9 m深度以下的應力幾乎無變化。由此可見，塔基荷載作用只是改變了坡體局部應力，且應力影響范圍也較小，不會影響到塔基邊坡的穩(wěn)定性。

4 結 論

采用三維有限差分數值模擬方法，利用FLAD3D軟件對酒泉—湖南±800 kV特高壓直流輸電線路工程5535#鐵塔塔基邊坡的穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析，得到如下結論：

(1) 塔基在荷載作用下，樁頂位置產生了向坡外向下的位移，樁端位置產生了向坡內的位移，且坡頂總位移值約為4.234 mm，其中樁水平位移最大值為4.025 mm，均在樁水平變形允許范圍內，表明塔基荷載主要由樁基承擔。

(2) 在塔基荷載作用下，邊坡坡頂位置局部范圍內應力有所變化，其他范圍內的應力幾乎無變化，塔基荷載對邊坡應力的影響范圍較小，不會影響到邊坡的穩(wěn)定性。

(3) 在塔基荷載作用下，僅在邊坡坡頂局部出現(xiàn)拉破壞，坡頂以下其他坡體處于彈性變形范圍，未形成整體變形失穩(wěn)的破壞區(qū)，對邊坡的整體穩(wěn)定性影響甚微。

(4) 建議對塔基邊坡坡頂進行適當的加固處理，以滿足特高壓直流輸電線路工程安全運行的要求。