臨夏紅層地區(qū)輸電塔基病害及穩(wěn)定性分析

王國尚?趙棟?李朝暉?張國明?何永強?魏明強?馬寧

摘要：臨夏某330 kV輸電線路工程，在地區(qū)持續(xù)強降雨影響下，10余處塔基穩(wěn)定性受到影響，出現(xiàn)地基變形、滑塌，少數(shù)塔基基礎(chǔ)出現(xiàn)較大位移。對線路區(qū)塔基病害進行調(diào)查，對典型不穩(wěn)定塔基場地進行地質(zhì)測繪、原位取樣測試、室內(nèi)試驗，通過數(shù)值模擬反演等綜合方法對該輸電線路工程塔基病害進行系統(tǒng)研究，分析其穩(wěn)定性，給出整治措施建議，為西部山區(qū)的輸電線路工程正常運營、提高電力系統(tǒng)的安全性可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：塔基病害;持續(xù)強降雨;地質(zhì)災(zāi)害;穩(wěn)定性;第三系紅層

中圖分類號：TU471.7 文獻標識碼：A

1 工程背景

本文依托多茨一、二回線路臨夏段工程，在復雜環(huán)境條件下（特殊巖土復合特殊地貌疊加極端降雨天氣）對塔基工程病害進行調(diào)查，并對機理分析及處置措施進行研究。多茨一、二回線路工程從多合330 kV變電站出線，送往茨灘330 kV變電站本段線路全長約42.3 km。線路走徑區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，境內(nèi)的地貌以低中山及丘陵為主，溝壑發(fā)育，溝谷切割密度高，坡陡谷深，多數(shù)溝谷呈“V”字形，谷坡坡度為20°～40°，溝床比降一般大于7%，這種地貌條件為泥石流、山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供了動力來源。2018年8月上旬，330 kV臨茨一線G149等多處塔位受近期臨夏地區(qū)持續(xù)強降雨影響，塔位附近滑坡裂縫明顯，10余處塔基穩(wěn)定性受到影響，出現(xiàn)地基變形、滑塌，少數(shù)塔基基礎(chǔ)出現(xiàn)較大位移。這些發(fā)生不同程度變形的塔基其穩(wěn)定性如何、破壞程度如何發(fā)展、是否影響塔基場地整體穩(wěn)定、其他尚未變形塔基又會產(chǎn)生怎樣的發(fā)展變化趨勢。

鑒于上述情況，本文對線路走徑區(qū)內(nèi)塔基病害進行調(diào)查，對典型不穩(wěn)定塔基場地進行了地質(zhì)測繪、原位取樣測試、室內(nèi)試驗，通過數(shù)值模擬反演等綜合方法對多茨一、二回輸電線路工程塔基病害進行系統(tǒng)研究，歸納分析不同復雜條件組合下，塔基穩(wěn)定性的影響因素，塔基至災(zāi)機理，預測塔基穩(wěn)定性變化趨勢，給出整治措施建議。

2 區(qū)域及線路區(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

本區(qū)處于祁呂賀山字形構(gòu)造和隴西旋卷構(gòu)造體系的復合部位，屬祁呂賀山字形構(gòu)造體系前緣西翼東南端臨夏—臨洮凹斷陷的一部分，是夾于馬銜山—太子山之間的廣大紅層盆地與黃土丘陵地區(qū)，盆地內(nèi)主要為新近系上新統(tǒng)臨夏組與第四系黃土。第四紀以來，本區(qū)主要表現(xiàn)為不均勻升降運動。根據(jù)甘肅省區(qū)域地質(zhì)資料，臨夏多茨線路區(qū)域?qū)儆谂R夏盆地（第三系地層發(fā)育完整），以及西秦嶺區(qū)山間坳地。

2.1 地形地貌

本次研究線路走徑區(qū)地形地貌大致分為兩類，區(qū)內(nèi)大部分地貌屬于中低山地貌，地形起伏，相對高差較大;河流階地地貌，地形較為平坦，分布范圍相對較小。中低山地貌多以平臺加陡坎斜坡微地貌呈現(xiàn)。典型地貌如圖1、圖2所示。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

臨夏市地處青藏高原東北緣與黃土高原交界的地貌梯級帶上，大地構(gòu)造屬祁連山褶皺系中祁連隆起帶東段。區(qū)內(nèi)早期構(gòu)造活動比較強烈。周邊區(qū)域地形切割強烈，河流階地發(fā)育，斷裂活動明顯，表明其新構(gòu)造活動十分強烈。區(qū)內(nèi)及周邊地區(qū)受拉脊山北緣斷裂帶和西秦嶺北塬斷裂帶下乍—太子山段的影響，地震活動較為強烈。

2.3 地層巖性

分布在中低山地貌區(qū)域的地層主要為礫巖、砂巖、變質(zhì)砂巖、千枚巖、板巖等，本段在坡麓及地勢較緩區(qū)域覆蓋有不同厚度的粉土、粉質(zhì)黏土，隨著地形變化覆蓋層厚度為1.0～10.0 m。

3 氣象水文

臨夏地區(qū)強降雨多集中于7月、8月，而2018年7月、8月降雨量遠大于近40年中的最大值;該地區(qū)各塔基工點降雨量大小受微地形地貌影響具有較大差異，大暴雨中心強度常出現(xiàn)在迎風坡等上升區(qū)域內(nèi)（地形與風場切變區(qū)域）;大暴雨之前有較長的前期降水量累計，例如，5月、6月即開始進入降水量增長期，前期降水量使得地層含水量逐步達到飽和狀態(tài)。

該線路工程從多合330 kV變電站出線，接入茨灘330 kV變電站，沿線地貌單元屬低高山、低中山及階地，所屬水系為洮河流域。該段線路跨越較大的河流有大夏河、大灘河，其他無名溝谷對該線路無影響。大夏河屬洮河水系下游支流，為常年性河流。該線路在土門關(guān)跨越該河，跨越處河床處在峽谷中，寬約80 m，線路在兩側(cè)山梁上一檔跨越，地勢較高，塔位穩(wěn)定，大夏河洪水對該線路無影響。大灘河屬洮河水系下游支流，為常年性河流。該線路在鐵寨鄉(xiāng)附近跨越該河，跨越處河寬約200 m，線路在兩側(cè)階地上一檔跨越，地勢較高，塔位穩(wěn)定，大灘河洪水對該線路無影響。

4 塔基變形特征及穩(wěn)定性分析

根據(jù)研究區(qū)大量現(xiàn)場踏勘、地質(zhì)測繪、探井資料分析，研究區(qū)發(fā)生斜坡變形的大部分區(qū)域不具有典型滑坡特征[1]。

典型滑坡應(yīng)具有如下特征：滑坡有效臨空面，滑坡有效結(jié)構(gòu)面，觸發(fā)因素。土質(zhì)斜坡巖質(zhì)斜坡的滑坡有效臨空面反應(yīng)在坡度上分別為30°～45°和45°～60°?；掠行ЫY(jié)構(gòu)面指2種以上介質(zhì)組成的斜坡，有利于產(chǎn)生滑坡的巖層結(jié)構(gòu)，如土巖界面軟弱結(jié)構(gòu)面等觸發(fā)因素指地下水、降雨、地震、人為因素等。

研究區(qū)塔基變形斜坡坡度普遍在30°以內(nèi)，整體坡度平均為12°～21°，陡坎較發(fā)育，坡度大但高度較小，一般小于5 m。因此，研究區(qū)斜坡從整體坡形上不具有滑坡的有效臨空面。研究區(qū)斜坡結(jié)構(gòu)為上部第四系沉積物，下部為基巖，以黏土巖砂巖為主，基巖產(chǎn)狀幾乎水平，因此土巖界面具有成為潛在滑面的可能。觸發(fā)因素中研究區(qū)具備降雨、地下水、人為因素。綜合3類特征分析，研究區(qū)斜坡整體地貌坡形不具備滑坡條件。微地貌區(qū)（陡坎—斜坡交互分布區(qū)）具有斜坡變形的必要條件，即臨空面（局部陡坡、陡坎），潛在滑移面（土體內(nèi)部潛水面或土巖界面，特別是研究區(qū)基巖為第三系紅層，具有遇水軟化、崩解，強度急劇降低特性）。

塔基發(fā)生病害主要表現(xiàn)為塔基蠕滑變形和塔基不均勻沉降（G45茨多一線）兩大類，其中以塔基蠕滑變形為主[2]。

4.1 坡體穩(wěn)定性分析強度參數(shù)取值

針對典型塔基病害坡體進行了坡體穩(wěn)定性分析。分析參數(shù)中，土層參數(shù)采用現(xiàn)場取樣室內(nèi)試驗結(jié)果，巖石參數(shù)采用研究區(qū)勘察資料。坡體幾何邊界采用研究期間取得的地形測繪資料。土體采用粉質(zhì)黏土，巖體為黏土巖，工況分為天然工況和暴雨工況，暴雨工況采用飽和狀態(tài)下的粉質(zhì)黏土參數(shù)。粉質(zhì)黏土天然重度20.3 kN/m3，飽和重度20.7 kN/m3，粘聚力14.65 kPa，內(nèi)摩擦角17.4°。黏土巖表部強風化層重度25.1 kN/m3，粘聚力25 kPa，內(nèi)摩擦角24°。

4.2 極限平衡法[3]塔基穩(wěn)定性分析

粉質(zhì)黏土（粉土）與黏土巖斜坡穩(wěn)定計算分別采用Bishop、Janbu、Spencer和Morgenstern方法進行計算，Bishop法計算剖面，條分及成果如圖3、圖4[4-9]所示。其他計算方法計算結(jié)果如表1所示。

以上各剖面天然工況和暴雨工況的4種斜坡穩(wěn)定分析結(jié)果如表1所示。

以上計算分析表明，研究區(qū)典型斜坡變形具有如下特征：斜坡陡坎出現(xiàn)塌滑—塌滑蠕變土體漸次向后發(fā)展形成新的擾動、強度降低區(qū)域—平臺前緣陡坎土體變形擾動流失—平臺后緣土體變形擾動推擠產(chǎn)生水平力—塌滑蠕變區(qū)與潛在薄弱結(jié)構(gòu)面貫通后形成大范圍斜坡變形。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)上述計算分析結(jié)果與塔基病害現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)塔基集中發(fā)生變形的主要因素為連續(xù)斜坡陡坎地貌，黃土基巖斜坡結(jié)構(gòu)，第三系紅層基巖的特殊工程特性，氣候變暖導致的極端強降雨天氣，其中持續(xù)強降雨是斜坡蠕滑塌滑的直接誘發(fā)因素。

（1）持續(xù)強降雨條件下塔基病害主要表現(xiàn)為塔基地基土不均勻沉降和塔基場地斜坡變形。

（2）研究區(qū)2018年汛期遭遇近40年極端天氣，暴雨大雨天氣頻繁，暴雨之前有較大的前期降雨量，具備淺層滑坡的觸發(fā)因素。因研究區(qū)微地形變化造成降雨量有所不同，導致出現(xiàn)塔基病害的區(qū)域在時段上、規(guī)模上有所不同。在氣候變暖的大氣候條件下，極端降雨天氣有增多趨勢，塔基場地勘察設(shè)計應(yīng)當將其納入考慮工況之中。

（3）研究區(qū)域塔基斜坡變形以蠕滑變形為主。

（4）今后在類似地區(qū)的塔基勘察評價中，建議加大地形測繪范圍，既要考慮塔基所處的局部臺階緩坡范圍又要適當考慮整體斜坡范圍，要用變化發(fā)展的潛在弱面發(fā)展原則對待斜坡穩(wěn)定性評價。塔基設(shè)計中要充分考慮斜坡蠕變塌滑產(chǎn)生的水平應(yīng)力，加深基礎(chǔ)在基巖中的嵌固深度，扣除可能浸水軟化的深度。根開8～10 m的塔基場地，坐落于較窄平臺或分別坐落于不同平臺之上時，應(yīng)當根據(jù)塔基穩(wěn)定性評價增設(shè)適當?shù)闹n防護設(shè)施。塔基設(shè)置區(qū)域均應(yīng)加強場地防排水設(shè)施，避免雨水、人工用水在塔基后緣側(cè)緣聚集下滲。

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