高速公路涉高壓電塔的邊坡穩(wěn)定性分析

郝鐘鈺

蘇交科集團(tuán)廣東檢測(cè)認(rèn)證有限公司 廣東 廣州 510800

1 概述

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)建設(shè)處于低水平的階段，涉電塔邊坡的穩(wěn)定性并不形成問題，因?yàn)楦邏弘娝话阍O(shè)置在坡頂，邊坡周邊并不會(huì)被開挖擾動(dòng)。但是，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展過程中，建設(shè)占用空間越來越大，建設(shè)用地越來越稀缺，很多地方不得不對(duì)山體進(jìn)行開挖，逐漸開始遇到此類特殊問題，并且越來越普遍。因此，進(jìn)入21世紀(jì)以后，此類問題的研究才慢慢多起來。

潘明波[1]（2016）提出了高壓電塔邊坡防護(hù)的必要性，并系統(tǒng)分析總結(jié)了現(xiàn)行的各種防護(hù)手段，用于指導(dǎo)此類工程建設(shè)；李三明等[2]（2017）進(jìn)行了龍巖高速某高壓電塔下邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)研究，在高壓電塔無法遷改且高速公路無法改道的情況下，只能對(duì)邊坡進(jìn)行加固，該工程采用錨索樁墻方案，施工完畢后進(jìn)行了位移監(jiān)測(cè)，表明此方案效果較好；傅國(guó)慶[3]（2019）運(yùn)用限差分析軟件FLAC3D對(duì)某涉高壓電塔邊坡開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析邊坡開挖施工過程中電塔基礎(chǔ)變形及受力特征，為本工程提供了前瞻性的指導(dǎo)作用，但未對(duì)邊坡加固后的工況進(jìn)行模擬分析研究。

綜上，隨著涉高壓電塔邊坡問題工程經(jīng)驗(yàn)的積累，此類問題的治理手段越來越多樣化，但仍需繼續(xù)深入研究，取得最優(yōu)的解決方案[4-7]。

2 基于ABAQUS的模擬工況分析

2.1 原始邊坡模擬

模擬研究的工程為坡頂有一座500kVA高壓電塔的邊坡。邊坡主要由第四系坡積粉質(zhì)粘土及石炭系頁(yè)巖組成。邊坡土層的主要物性指標(biāo)：重度γ=22kN/m3，粘聚力c=45，內(nèi)摩擦角φ=28°，E=100MPa，泊松比v=0.3。每一層土體的土性基本相同，所以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)邊坡進(jìn)行計(jì)算簡(jiǎn)化，同時(shí)在穩(wěn)定分析方面，采用三維模型，邊坡的二維平面尺寸如圖1所示。

圖1 邊坡計(jì)算模型示意圖

通過ABAQUS軟件對(duì)該邊坡建立三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇C3D8（八節(jié)點(diǎn)六面體）作為單元類型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分即可，此模型一共有1356個(gè)節(jié)點(diǎn)，2568單元。圖2是邊坡模擬的最終的等效塑性應(yīng)變分布圖。

圖2 邊坡模型等效塑性應(yīng)變分布圖

從圖2中可以看出一級(jí)邊坡坡腳位置的等效塑性應(yīng)變較大，隨著塑性應(yīng)變的發(fā)展，邊坡的滑動(dòng)面快速變化，滑動(dòng)帶快速發(fā)育，向內(nèi)發(fā)展，一級(jí)邊坡坡腳的等效塑性應(yīng)變持續(xù)增大；最后邊坡發(fā)展到最終狀態(tài)，滑動(dòng)面貫穿整個(gè)原始邊坡，最終形成了由滑體、滑帶、滑床三部分組成的滑動(dòng)面，一級(jí)邊坡坡腳的等效塑性應(yīng)變達(dá)到最大值。

2.2 邊坡+電塔荷載工況模擬

為能良好分析設(shè)有電塔邊坡的工程性質(zhì)，需分析邊坡在興建電塔后的模擬情況。若想滑動(dòng)面位置和滑坡成因，首先需要分析在電塔荷載施加后滑坡出現(xiàn)了哪些變化。從這些變化去研究邊坡治理時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)處理哪些部位，將直接關(guān)系到工程加固措施的成本以及加固效果。圖3為輸電塔基礎(chǔ)荷載正方向示意圖。

圖3 輸電塔基礎(chǔ)荷載正方向示意圖

根據(jù)邊坡的豎向位移分布圖4可知，邊坡頂部施加電塔荷載后，邊坡整體出現(xiàn)部分豎向位移，其中在邊坡頂部沉降量較小，沉降量大約在59cm左右，但邊坡的中下部沉降量較大，在82cm左右。頂部沉降量小主要是因?yàn)殡娝撞烤哂谢炷粱A(chǔ)，電塔荷載會(huì)通過混凝土基礎(chǔ)往下進(jìn)行傳遞，所以對(duì)于下層土體影響較大，而邊坡左側(cè)由于缺乏一個(gè)方向的土體側(cè)向壓力，就會(huì)導(dǎo)致土體出現(xiàn)大幅變形，從而導(dǎo)致坡體滑移。而邊坡頂部的沉降主要是因?yàn)殡娝南虏康耐馏w在沉降的過程中，周圍的土體附著下降，所以產(chǎn)生較其他部位小的沉降量。

圖4 邊坡計(jì)算模型示意圖

2.3 邊坡+電塔荷載+抗滑樁+錨桿工況模擬

邊坡臨空側(cè)由于缺乏土體側(cè)向壓力，在一定的電塔荷載作用下一級(jí)坡腳應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致土體出現(xiàn)大幅變形，從而導(dǎo)致坡體滑移。因此，對(duì)涉高壓電塔邊坡，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)一級(jí)坡腳施加約束，考慮采用抗滑樁+錨桿的工程手段進(jìn)行加固。另外，電塔基礎(chǔ)靠臨空側(cè)不允許有較大沉降，宜對(duì)邊坡中上部采用錨桿加固。本節(jié)采用數(shù)值模擬研究對(duì)抗滑樁+錨桿加固作用機(jī)理及其效果進(jìn)行模擬分析。

圖5 （a）表示5MPa電塔荷載下邊坡采用抗滑樁和錨桿加固方案的示意圖，在一級(jí)邊坡的坡腳附近采用φ2.2@3.5m抗滑樁（樁長(zhǎng)22m）進(jìn)行防護(hù)，同時(shí)在二級(jí)邊坡進(jìn)行采用錨桿格梁進(jìn)行防護(hù)，其錨桿錨固長(zhǎng)度為10m，錨桿約束在模擬中采用約束邊界面進(jìn)行定義。

圖5 邊坡加固計(jì)算模型示意圖

圖6 表示加固后邊坡的位移分布圖，發(fā)現(xiàn)加固后整個(gè)邊坡的位移明顯減小，尤其是坡頂電塔荷載處的位移才達(dá)到10.47cm，一、二級(jí)邊坡坡腳的位移均約為5.1cm，三級(jí)邊坡坡腳的位移約為7.2cm。而且，在抗滑樁和錨桿的支護(hù)下，發(fā)生位移的坡體區(qū)域的范圍變大。也就是說，抗滑樁和錨桿加固將不利荷載傳遞并分散至更大區(qū)域的坡體進(jìn)行承載，對(duì)應(yīng)的位移發(fā)生區(qū)域也大，但整體上的數(shù)值要小。另外，盡管對(duì)坡體進(jìn)行了加固，但是電塔荷載作用處的位移仍然最大，這與實(shí)際情況比較符合。這也證實(shí)了在二級(jí)邊坡處進(jìn)行加固是比較合理的，即應(yīng)該在最危險(xiǎn)處加固處理。同時(shí)，位移分層特征與典型滑動(dòng)面比較一致，說明模擬結(jié)果比較正確。對(duì)比加固前后的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在抗滑樁和錨桿支護(hù)下，位移分布形狀在抗滑樁附近處呈下凹形，且樁身兩側(cè)的位移也略有不同，說明可能發(fā)生的位移被限制了，沿抗滑樁發(fā)生下移。

圖6 加固后邊坡的位移分布圖

圖7表示電塔荷載作用下邊坡加固時(shí)塑性區(qū)的演化過程，從模擬結(jié)果可以看出，塑性區(qū)起初從電塔荷載作用位置處開始發(fā)展，這是因?yàn)樵谶吰伦灾仄胶夂螅娝奢d作用是塑性區(qū)發(fā)展的唯一發(fā)起點(diǎn)。隨著電塔荷載的增大，塑性區(qū)理論上應(yīng)沿各級(jí)邊坡坡腳方向發(fā)展，但是在抗滑樁和錨桿的加固支護(hù)下，塑性區(qū)均往地層下部發(fā)展，主要與抗滑樁和錨桿的限制作用有關(guān)。最終形成了兩個(gè)典型塑性區(qū)，這與抗滑樁和錨桿設(shè)置的位置有直接關(guān)系。特別是，在一級(jí)邊坡處設(shè)置抗滑樁支護(hù)后，一級(jí)邊坡坡腳處下方的塑性區(qū)下移的幅度明顯比二級(jí)邊坡坡腳附近的塑性區(qū)要平緩許多，這說明抗滑樁支護(hù)的效果比錨桿相對(duì)好一些，更能使得整個(gè)坡體的穩(wěn)定性增強(qiáng)許多。本質(zhì)上，無論是抗滑樁亦或是錨桿，其加固作用主要是使坡體的整體性增強(qiáng)，即加固后使原位置擴(kuò)展成一個(gè)更大區(qū)域的彈性體。總體來講，通過設(shè)置抗滑樁和錨桿進(jìn)行加固后，可以使整個(gè)坡體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，抗滑樁或者錨桿的作用可近似理解成是將坡體不同區(qū)域進(jìn)行銜接加固的，使原坡體擴(kuò)展成一個(gè)更穩(wěn)定的整體。

圖7 塑性區(qū)發(fā)展過程（發(fā)展階段：a-d）

利用強(qiáng)度折減法，不斷迭代試算得到不同分級(jí)邊坡的折減系數(shù)結(jié)果，如圖8所示。可以看出，一級(jí)邊坡安全系數(shù)為2.55，二級(jí)邊坡安全系數(shù)約2.00，邊坡穩(wěn)定性較好。

圖8 高壓電塔位置關(guān)系示意圖

上述分析主要是對(duì)實(shí)際工程加固方案的穩(wěn)定性進(jìn)行模擬驗(yàn)證，抗滑樁和錨桿對(duì)涉高壓電塔邊坡起到很好的加固作用。

3 變形實(shí)測(cè)評(píng)估

廣東某高速某涉高壓電塔邊坡施工完畢后，對(duì)該工程進(jìn)行工后安全監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為抗滑樁頂位移監(jiān)測(cè)和坡體位移監(jiān)測(cè)，采集的數(shù)據(jù)有樁頂水平位移位移和坡體深層水平位移，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理分析。

（1）抗滑樁頂表面位移監(jiān)測(cè)分析

圖9 為一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)對(duì)抗滑樁頂水平位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)折線圖，抗滑樁頂表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，邊坡加固完成后，測(cè)點(diǎn)未發(fā)生明顯水平位移。

圖9 抗滑樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

（2）深層測(cè)斜監(jiān)測(cè)分析

圖10 為一個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)深層測(cè)斜位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)折線圖，表明邊坡加固完成后，在本監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，測(cè)點(diǎn)未發(fā)生明顯水平位移。

圖10 深層測(cè)斜數(shù)據(jù)

通過對(duì)采用抗滑樁+錨桿框架梁加固后的涉高壓電塔邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)沒有發(fā)生明顯的位移變化，說明采用抗滑樁+錨桿框架梁的加固效果較為明顯。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過 ABAQUS計(jì)算軟件建立三維邊坡模型，對(duì)原始邊坡數(shù)值模擬：塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)變化數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著強(qiáng)度折減，應(yīng)力于一級(jí)邊坡坡腳位置向內(nèi)發(fā)展，形成圓弧滑面；位移模擬研究發(fā)現(xiàn)坡腳應(yīng)力集中，位移最大，最易滑動(dòng)；（2）邊坡+電塔+抗滑樁+錨桿的數(shù)值模擬：采用坡腳設(shè)置抗滑樁+邊坡上部設(shè)置錨桿的工程手段進(jìn)行加固。邊坡加固后塑性應(yīng)變的模擬發(fā)現(xiàn)設(shè)置抗滑樁和錨桿后，可有效約束抗滑樁和錨桿加固區(qū)域土體的移動(dòng)，最終導(dǎo)致滑動(dòng)面分別下移至一級(jí)邊坡處抗滑樁底部和二級(jí)邊坡處錨桿加固區(qū)下方；邊坡加固后水平位移模擬發(fā)現(xiàn)坡頂電塔荷載處水平左移了約5cm，一、二級(jí)邊坡坡腳的水平位移分別約為3.7cm、5.2cm，三級(jí)邊坡坡腳向左移動(dòng)了約7cm。由此可見，邊坡加固后處于穩(wěn)定狀態(tài)。（3）本文選取廣東省某高速某涉高壓電塔邊坡為研究對(duì)象，根據(jù)數(shù)值模擬研究分析結(jié)論，對(duì)邊坡進(jìn)行抗滑樁+錨桿格梁加固方案設(shè)計(jì)。邊坡加固完成后變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，說明采用抗滑樁的加固效果明顯。此工程研究案例可為類似邊坡工程提供借鑒意義。