山區(qū)輸電塔邊坡成災(zāi)模式及塔基失效類型

林文華，葉誠耿，王 浩

(1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 莆田 351267；2.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

山區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)對電力供應(yīng)的需求日益增強，輸電線路走廊越發(fā)緊缺，電網(wǎng)運行環(huán)境日趨嚴峻。在山區(qū)城鎮(zhèn)，輸電線路沿線的地形地質(zhì)條件復(fù)雜，斜坡數(shù)量巨大，輸電線路桿塔基礎(chǔ)經(jīng)常位于陡峭地形及坡頂或坡腳等敏感位置，由于斜坡失穩(wěn)造成輸電鐵塔基礎(chǔ)的沉降和傾斜的事件時有發(fā)生，由此衍生的輸電線路癱瘓將帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究塔基與斜坡的破壞模式及失穩(wěn)機理有著重要的工程指導(dǎo)意義和實踐價值。

當前國內(nèi)對輸電鐵塔穩(wěn)定的研究集中于桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1-2]，也有涉及地下開挖誘發(fā)塔基沉降并影響其穩(wěn)定性的研究[3-5]，分析了塔基隨地表整體下沉及地基土壓縮性變化引起的不均勻沉降，危及鐵塔安全穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致鐵塔倒塌等病害模式；亦有受到凍土凍脹、融沉影響產(chǎn)生的鐵塔樁基礎(chǔ)凍拔[6-8]。而對于輸電線斜坡的研究主要集中于斜坡穩(wěn)定性分析[9- 11]，如輸電桿塔基礎(chǔ)開挖擾動斜坡自身平衡[12-13]或巖土體堆載位置不當引起滑坡[14]等情況，巖土體堆載于斜坡主滑段可能破壞斜坡初始極限平衡狀態(tài)，另外開挖塔基的棄土未經(jīng)規(guī)范處理誘發(fā)地震條件下地基土振動反應(yīng)，從而對斜坡構(gòu)成威脅[15-17]。這些研究分別著眼于鐵塔或斜坡的單方面穩(wěn)定，而較少考慮輸電線路斜坡對桿塔作用影響情況，桿塔作為賦存于斜坡體內(nèi)的構(gòu)筑物，對斜坡變形穩(wěn)定極其敏感。故深入研究斜坡對桿塔的作用關(guān)系與斜坡作用下桿塔失效模式可提高電力人員對斜坡安全穩(wěn)定性重視，對于輸電線路運行維護有現(xiàn)實意義。

輸電線路斜坡屬于電力與巖土工程交叉領(lǐng)域，國內(nèi)外相關(guān)研究較少，或是從結(jié)構(gòu)方面對桿塔變形進行解釋，或是單純視為斜坡進行處理。筆者認為對輸電線路有斜坡進行分離處理有失妥當，而應(yīng)先探究斜坡作用下桿塔的變形失效機理。故本文通過梳理輸電線路斜坡失穩(wěn)案例，基于斜坡與桿塔的空間關(guān)系建立斜坡對輸電線桿塔的作用模型。通過數(shù)值模擬深入研究桿塔與斜坡的變形破壞機理，總結(jié)桿塔基礎(chǔ)的三種失效模式，以便為輸電線路桿塔斜坡的病害防治提供助力，并為輸電線路塔基的建設(shè)和維護提供借鑒和參考。

1 桿塔變形對斜坡的作用模型

位于斜坡中的桿塔的穩(wěn)定性依附于斜坡的局部或整體穩(wěn)定性，而且桿塔與斜坡的空間位置和相互作用又會引起附加荷載并對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。桿塔與斜坡的空間分布有4種典型模型，即桿塔處于斜坡頂部、斜坡體內(nèi)、斜坡底部及桿塔跨越不穩(wěn)定斜坡等4種不同情況，采用巖土有限元軟件Phase2.0模擬典型桿塔斜坡的變形破壞機理。

1.1 桿塔位于斜坡體內(nèi)

當桿塔位于斜坡體內(nèi)，伴隨著斜坡的不穩(wěn)定狀態(tài)，桿塔將隨著斜坡的整體失穩(wěn)產(chǎn)生移位，桿塔的移動會牽引著兩端的輸電線，甚至導(dǎo)致整個輸電線路的癱瘓。以三福高速公路福州南連接線YK8+590—YK8+683.989段右側(cè)斜坡上發(fā)生的斜坡失穩(wěn)案例說明這種破壞模式。該斜坡的全景如圖1所示，在公路運營后由于持續(xù)降雨觸發(fā)滑坡復(fù)活，斜坡變形影響區(qū)內(nèi)的1#輸電鐵塔和2#輸電鐵塔屬于福州至莆田50萬伏超高壓輸電干線，其中1#鐵塔位于斜坡體內(nèi)，塔基周邊已產(chǎn)生多條裂縫，第二階坡面坡腳鼓脹，框架橫梁折斷；2#鐵塔位于斜坡體后緣牽引段，斜坡牽引變形可能會誘發(fā)塔基整體移位，存在安全隱患。

圖1 福州南連接線斜坡全景

鐵塔位于丘陵山坡，場地地形總體北西側(cè)高、南東側(cè)低，坡度角10°～25°，坡向近112°，走向垂直高速公路。地質(zhì)條件復(fù)雜，表層為花崗巖風(fēng)化殼，下覆中風(fēng)化閃長巖基巖。風(fēng)化深度大，地下水發(fā)育，為典型二元結(jié)構(gòu)邊坡，如圖2所示。

圖2 福州南連接線斜坡工程地質(zhì)模型

采用Phase2.0軟件模擬路塹開挖后斜坡變形破壞情況，圖3即是斜坡最大剪應(yīng)變云圖。路塹斜坡在強降雨誘發(fā)下，坡體前緣剪應(yīng)力集中，斜坡順淺層滑動面于坡腳處剪出，現(xiàn)場體現(xiàn)為第二階坡面鼓脹、框架橫梁折斷，與數(shù)值模擬情況吻合。

圖3 坡體最大剪應(yīng)變云圖

1#鐵塔位于斜坡體內(nèi)，隨斜坡發(fā)生局部失穩(wěn)滑移。桿塔將跟隨斜坡體變形，桿塔靠近坡腳處，滑動面較為平緩，以水平變形為主，不均勻沉降為輔?，F(xiàn)場可見鐵塔周圍產(chǎn)生大量裂縫，如圖4所示，因斜坡運動嚴重影響該鐵塔安全，已將其進行拆除。

圖4 1#塔基周圍的拉張裂縫

1.2 桿塔位于斜坡頂部

塔基位于斜坡頂部時，下部斜坡變形或失穩(wěn)引起上方斜坡應(yīng)力調(diào)整、坡體松弛，產(chǎn)生牽引破壞，威脅斜坡上部桿塔[18]。塔基因此產(chǎn)生不均勻沉降，傾斜率超限會使得桿塔失穩(wěn)甚至傾覆，相關(guān)規(guī)范文件對桿塔傾斜率均有要求。以上述南連接線斜坡失穩(wěn)案例繼續(xù)闡釋這種變形機理。

由圖3最大剪應(yīng)變云圖可看到，受暴雨影響，斜坡應(yīng)變局部化，誘發(fā)斜坡深層蠕變，形成沿著強風(fēng)化花崗閃長巖界面的潛在滑動面。主滑段緩慢變形移動，牽引后段斜坡松動變形，從而威脅后段的2#鐵塔安全。該斜坡存在多級滑動面，互相影響，淺層坡體變形易誘發(fā)深部滑動面變形運動，使斜坡發(fā)生整體破壞，其剪出口應(yīng)處于路塹斜坡坡腳處?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)坡腳處邊溝擠壓變形，擋墻鼓脹變形，如圖5所示，可驗證數(shù)值分析結(jié)果。

圖5 擋墻鼓脹及邊溝擠壓

2#桿塔位于斜坡頂部，處于斜坡運動影響范圍。2#鐵塔高度小于50 m，塔基寬度約12 m，輸電鐵塔最大傾斜率為0.006[19]。差異沉降傾斜度計算公式如下：

α=(SA-SB)/L

(1)

式中：α為相對傾斜值;SA、SB為傾斜方向上A、B兩點的沉降值;L為A、B兩點之間水平距離。經(jīng)換算可得到兩側(cè)塔基差異沉降量應(yīng)低于7.2 cm。若斜坡不進行及時控制，2#鐵塔將會隨斜坡演變而破壞，故必須對斜坡進行整治。

1.3 塔基位于斜坡底部

當輸電線塔基位于不穩(wěn)定斜坡底部，尤其是處于潛在滑動面剪出口附近時，塔基安全由上部斜坡穩(wěn)定性控制。斜坡變形失穩(wěn)使滑體產(chǎn)生大變形并沖擊桿塔，使塔基因超覆荷載作用導(dǎo)致失效。

深圳市龍崗區(qū)境內(nèi)的110 kV宏溪ⅠⅡ線N10塔為雙回路共塔，位于銅鑼徑水庫內(nèi)，西側(cè)距簡龍村最近約1.5 km，南側(cè)距省道S356最近約600 m。

電塔位于丘坡區(qū)域，塔基置于坡度大于20°的坡體中部一個半填半挖形成的平臺上。平臺后部山體較高，坡體地層為強、中風(fēng)化粉砂巖，其斜坡地質(zhì)模型如圖6所示。

圖6 N10塔工程地質(zhì)模型

采用強度折減法分析該斜坡的破壞模式。塔基后方斜坡存在一條沿強風(fēng)化與中風(fēng)化巖層交界面的潛在滑動面，因降雨等外部因素作用誘發(fā)整體失穩(wěn)，斜坡體于臨空面剪出；塔基在斜坡大變形過程中受到上方坡體擠壓產(chǎn)生傾斜，或由于滑動體的解體破壞產(chǎn)生沖擊推覆位于半山腰臺階處的桿塔并導(dǎo)致整體倒塌。

1.4 桿塔跨越不穩(wěn)定斜坡

在塔基跨越不穩(wěn)定斜坡潛在滑動面的情況下，桿塔因喪失側(cè)面土體支撐產(chǎn)生不均勻沉降，傾斜超限將引起桿塔失穩(wěn)傾覆。塔基跨越不穩(wěn)定邊坡有三種類型，即鐵塔跨越不穩(wěn)定邊坡頂部、側(cè)邊界和底部。由于篇幅所限，本文以鐵塔跨越不穩(wěn)定邊坡頂部為例闡述這種成災(zāi)模式。

雙永高速公路梨子嶺隧道進口段仰坡的坡頂建有橫切山頂?shù)妮旊婅F塔，該斜坡體上部為砂土狀強風(fēng)化粉砂巖，下部為中風(fēng)化粉砂巖，存在強風(fēng)化層與基巖的交界面。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及地質(zhì)勘察資料，建立圖7的斜坡工程地質(zhì)模型。

圖7 斜坡地質(zhì)模型

采用有限元法分析該斜坡變形破壞模式，坡體內(nèi)部剪切變形見圖8。斜坡潛在滑動面處于上部砂土狀強風(fēng)化層，部分依附于強、中風(fēng)化基巖層交界面，整體呈弧狀。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值模擬結(jié)果，判斷該斜坡主體處于擠壓蠕動階段，即將進入緩慢滑動或時滑時停階段。坡頂鐵塔塔基處出現(xiàn)拉張裂縫，裂縫下錯還不明顯，未產(chǎn)生較大的變形。

由圖9分析，隨著斜坡繼續(xù)變形，塔基前后兩側(cè)塔腿出現(xiàn)沉降差，使桿塔向斜坡一側(cè)傾斜。斜坡后緣因開挖松動變形在鐵塔基礎(chǔ)附近產(chǎn)生6道張裂縫，主裂縫長約20 m～30 m，寬度約12 cm～15 cm，輸電鐵塔前后兩側(cè)塔腿跨越裂縫，易發(fā)生倒塌。

圖8 坡體最大剪應(yīng)變分布云圖

圖9 坡體總位移云圖

2 斜坡地基上的桿塔基礎(chǔ)失效類型

總結(jié)上文典型輸電線路斜坡失穩(wěn)案例可知，斜坡與桿塔二者之間所處空間位置產(chǎn)生不同的桿塔破壞模式。斜坡作用下桿塔變形破壞特征分為三種，即塔基沉降、桿塔移位以及桿塔傾覆。其變形破壞可能只包含其中一種，也可能是多種破壞模式混合。

2.1 斜坡變形導(dǎo)致塔基沉降

針對輸電鐵塔這種高寬比較大的構(gòu)筑物，各塔腿沉降量存在差異將導(dǎo)致塔基產(chǎn)生不均勻沉降，在輸電線路跨越斜坡時十分常見。此種破壞形式多是由于下方坡體變形削弱或解除塔基側(cè)向約束，使得塔腿傾向臨空面產(chǎn)生較大沉降量，另一側(cè)塔腿沉降量較少，沉降差異量使桿塔往臨空面傾斜。不均勻沉降引起塔基傾斜會使得塔基根開變化，引發(fā)應(yīng)力重調(diào)整，進而威脅桿塔；塔身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生次應(yīng)力，使塔架材料達到屈服強度，造成塔身主材變形斷裂；架空地線受力最大，易拉斷架空地線或地線橫擔。塔基傾斜后引起的應(yīng)力集中會加速桿塔繼續(xù)傾斜趨勢，最終引起桿塔倒塌。

2.2 斜坡滑移誘發(fā)桿塔移位

桿塔移位即桿塔從固定位置整體向水平方向移動。在輸電線路中，桿塔處于不穩(wěn)定坡體內(nèi)易引發(fā)桿塔“坐船”跟隨斜坡一起滑移。此種破壞形式易對桿塔主架和導(dǎo)線發(fā)生破壞，桿塔移位過程中，桿塔根開亦會產(chǎn)生變化，桿塔桿件受到不同程度的拉伸或收縮，易使桿件彎曲變形。桿塔下部桿件受力更多，越到上部反而受力較少，故桿塔第一交叉斜桿先彎曲變形，最后導(dǎo)致桿塔桿件破壞；導(dǎo)線在桿塔移位過程中對其拖曳，隨桿塔移位變大，導(dǎo)地線距離變化，兩邊導(dǎo)線不平衡張力亦會使桿塔倒塌，導(dǎo)地線也因此短路跳閘甚至斷線。

2.3 斜坡滑塌沖擊桿塔傾覆

桿塔傾覆即桿塔受到的傾覆力矩超過抗傾覆力矩導(dǎo)致的桿塔倒塌。此種破壞形式與斜坡滑動距離有較大關(guān)系，若桿塔處于斜坡滑動區(qū)域內(nèi)，斜坡攜帶的碎屑流會對桿塔材料造成沖擊。斜坡巨大推力將直接作用于塔身主材引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，甚至斷裂塔身，誘發(fā)桿塔完全傾倒，亦會牽拉導(dǎo)線引發(fā)導(dǎo)線短路甚至斷線。

輸電線桿塔在斜坡作用下易誘發(fā)上述三種破壞形式，但桿塔在開挖、運行期間也會影響斜坡穩(wěn)定，如桿塔開挖位置不適會誘發(fā)斜坡失穩(wěn)、桿塔在風(fēng)力的循環(huán)荷載作用下會擾動斜坡。但從影響效果來說，斜坡作用于桿塔結(jié)果更加顯著，對其安全產(chǎn)生巨大影響。綜合來說二者關(guān)系應(yīng)該是桿塔依附于斜坡但也對其有所影響，受斜坡穩(wěn)定性控制。但以往研究關(guān)注的只是風(fēng)荷載、地震力甚至雪天下導(dǎo)線覆冰情況下的桿塔安全，對于現(xiàn)今輸電線路穿山越嶺的形勢，電力部門加大斜坡穩(wěn)定性關(guān)注將是其安穩(wěn)運行輸電線路的重點工作。

3 結(jié) 論

基于桿塔與斜坡之間的空間相互位置，通過建立對應(yīng)的空間作用模型，結(jié)合桿塔變形失穩(wěn)特征與破壞機理，得到以下結(jié)論：

(1) 桿塔因處于斜坡不同位置會受到不同的影響，斜坡失穩(wěn)將會對桿塔安全造成威脅。桿塔位于斜坡體內(nèi)時會造成桿塔移位變形及架空導(dǎo)線斷線；桿塔位于斜坡頂部易受斜坡牽引影響；桿塔位于斜坡底部易受斜坡沖擊荷載導(dǎo)致桿塔倒塌；桿塔跨越不穩(wěn)定斜坡易引發(fā)傾斜變形。

(2) 斜坡作用下的桿塔失效模式有三種，即塔基沉降、桿塔移位、桿塔傾覆。三種變形均會對桿塔塔身、桿塔基礎(chǔ)、架空導(dǎo)線造成不同程度的影響或破壞，其中桿塔對于不均勻沉降引起的桿塔傾斜尤為敏感。

(3) 輸電線路斜坡中，鐵塔依附于斜坡體上，并受斜坡體穩(wěn)定性控制，除滑坡以外，崩塌、落石、泥石流等多種地質(zhì)災(zāi)害及其組合效應(yīng)對桿塔斜坡的穩(wěn)定性均有影響，應(yīng)綜合評價與治理，或設(shè)置足夠的安全避險距離。

(4) 對于輸電鐵塔這類高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強其與斜坡整體變形的相互作用機理和傾斜變形量控制標準的研究，保障輸電鐵塔運營安全。