輸電走廊上邊坡失穩(wěn)滾石對(duì)桿塔撞擊影響分析

岳靈平，周政，朱奕弢，劉春翔，康宏，吳田

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司， 浙江 湖州 313000； 2．湖州電力設(shè)計(jì)院有限公司， 浙江 湖州 313000；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430074； 4.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

0 引言

我國極端氣候環(huán)境頻繁，受災(zāi)損失巨大[1-2].特別是地質(zhì)災(zāi)害，受到人工因素的影響，邊坡失穩(wěn)崩塌嚴(yán)重，給輸電走廊帶來了系列運(yùn)維問題，影響了區(qū)域供電安全.輸電走廊沿著坡面架設(shè)，極易受到走廊上邊坡崩塌的威脅，相關(guān)的問題極少受到人們關(guān)注.滾石災(zāi)體相關(guān)研究，如滾石的來源[3-4]、滾石沖撞測(cè)試[5-7]以及防護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)[8-9]等一直是國內(nèi)外防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域.在輸電桿塔形變研究方面，工程人員關(guān)注了地基及基礎(chǔ)變位對(duì)整塔變形及受力特性影響，集中采空區(qū)域和崩塌區(qū)域[10-11].本文中以浙江湖州為例，在充分調(diào)研丘陵區(qū)域情況的基礎(chǔ)上，分析輸電走廊上邊坡失穩(wěn)滾石沖擊力、桿塔撞擊的影響因素，根據(jù)研究數(shù)據(jù)，初步提出相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施.

1 分析方法

1.1 輸電走廊邊坡分析我國東部地區(qū)丘陵地帶分布眾多，短時(shí)強(qiáng)降雨是誘發(fā)該地區(qū)邊坡發(fā)生失穩(wěn)和滑坡的關(guān)鍵因素.以浙江湖州為例，湖州地區(qū)地處東部山地區(qū)域，茶場(chǎng)、梯田和山地約占區(qū)域面積的1/3，人工壘石比較普遍，是輸電桿塔滾石災(zāi)害的來源.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，湖州經(jīng)濟(jì)作物安吉白茶區(qū)域面積超過1 900 km2，多數(shù)退林返茶，壘石成壟，方便排水，如圖1所示的安吉白茶典型茶壟.這種茶場(chǎng)設(shè)計(jì)帶來了系列問題：1)壘石成松散布置，未采用水泥固化，在降雨強(qiáng)度較大的時(shí)候，這些壘石在坡面水流或泥石流的沖擊下形成滾石流；2)退林返茶前，原生林如楠竹、馬尾松、金錢松和柳杉等林木根系發(fā)達(dá)，砍伐后根系枯化、巖土松散，容易受到短時(shí)降雨的影響，形成滾石災(zāi)害體.

圖1 安吉白茶典型茶壟

湖州轄區(qū)坡面輸電桿塔的統(tǒng)計(jì)情況如表1所示，其中處于坡角< 20°的輸電桿塔占比43.62%，處于坡角為20°～ 25°的輸電桿塔占比25.53%，處于坡角為25°～ 30°的輸電桿塔占比23.40%，處于坡角大于> 30°的輸電桿塔占比較小，僅占7.45%；220 kV輸電桿塔最多，為21基，500 kV輸電桿塔其次，為20基.

表1 湖州轄區(qū)坡面輸電桿塔情況表

對(duì)湖州轄區(qū)安吉白茶的茶壟壘石抽樣統(tǒng)計(jì)情況進(jìn)行分析，主要以碳酸巖、粉砂巖和花崗巖等，多為不規(guī)則形狀，這類壘石大小分布情況如表2所示.其中處于坡角< 20°的壘石占比30.61%，處于坡角為20°～25°的壘石占比42.42%，處于坡角為25°～ 30°的壘石占比16.70%，處于坡角大于> 30°的壘石占比較小，僅占10.27%.

表2 坡面茶壟壘石統(tǒng)計(jì)表

通過輸電線路滾石事故或故障的分析，滾石引發(fā)的坡面輸電桿塔故障，多為桿塔基礎(chǔ)和桿塔角鋼材料；坡度超過60°危險(xiǎn)更大，并且滾石越大，危險(xiǎn)性越大；連續(xù)滾石帶來的災(zāi)害最為常見.

1.2 沖擊試驗(yàn)設(shè)置根據(jù)文獻(xiàn)[5]，在自然坡面人工開挖滾石滑道，滑道下端安裝沖擊力測(cè)試裝置，包括滾石擋板單元和測(cè)試傳感單元.滾石滑道長20 m，寬1.5 m，滾石擋板和測(cè)試傳感2個(gè)單元之間分別布置4組沖擊力傳感器和高速攝像儀，用于采集滾石沖擊力的測(cè)試數(shù)據(jù)，包括滾石沖擊力和沖擊速度，并獲取滾石沖擊峰值的數(shù)據(jù)，以及采用滾石沖擊破壞桿塔地基和角鋼的數(shù)據(jù)，整體布局如圖2a所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2b所示，現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示.具體試驗(yàn)步驟如下：

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

1)根據(jù)湖州轄區(qū)坡面輸電桿塔分布以及茶壟壘石情況，分別選擇坡角約30°和約60°的自然坡面，人工開挖滾石滑道(長20 m，寬1.5 m)，滑面盡量以原生態(tài)地層為主；

2)滾石為花崗巖制成的球體，質(zhì)量分別為0.5 kg、1.0 kg、2 .0 kg、4.0 kg和6.0 kg；

3)滾石滑道20 m、15 m、11 m、7 m和5 m等固定位置處放置滾石，實(shí)時(shí)測(cè)量滾球下滑的運(yùn)動(dòng)速度，記錄滾石的沖擊速度和沖擊力大小；

4)湖州地基采用C30或C25的混凝土，角鋼采用Q345B或Q420B鋼材，厚度8 ～ 24 mm，采用滾石分別連續(xù)撞擊破壞桿塔地基和角鋼，以C30的混凝土(1 m3的混凝土方)，角鋼采用Q345B(厚度12 mm)鋼材作為研究對(duì)象，將桿塔地基和角鋼樣品分別固定在擋板單元上，實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析滾石破壞的影響因素.

根據(jù)以上步驟，分析滾石的沖擊速度和沖擊力大小，以及連續(xù)撞擊破壞桿塔地基和角鋼，獲取相關(guān)影響因素.

2 結(jié)果與分析

2.1 滾石沖擊分析圖4為坡角約30°時(shí)滾石沖擊力峰值與沖擊速度的關(guān)系圖，圖5為坡角約60°時(shí)滾石沖擊力峰值與沖擊速度的關(guān)系圖.根據(jù)圖4和圖5的結(jié)果可知：相同的坡角條件下，滾石的沖擊力峰值與滾石沖擊速度或滾石質(zhì)量成正相關(guān)關(guān)系；坡角直接影響滾石的沖擊力峰值，該結(jié)果與文獻(xiàn)[5]的結(jié)果基本一致.具體如下：

1)相同坡角和相同質(zhì)量滾石，滾石的沖擊力峰值與滾石沖擊速度基本成線性關(guān)系，且隨著滾石沖擊速度迅速增大；

2)相同坡角條件下，如果滾石沖擊速度基本相同，滾石的沖擊力峰值隨著滾石質(zhì)量迅速上升；

3)滾石質(zhì)量一定的條件下，滾石的沖擊力峰值隨著坡角增大而上升；

4)結(jié)合圖4和圖5，根據(jù)表3，本次試驗(yàn)采用自然坡面進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，自然坡面比實(shí)驗(yàn)室坡面相對(duì)粗糙，比對(duì)了7 m坡長的數(shù)據(jù)，無論是4 kg的滾石還是6 kg的滾石，在相同坡度和坡長，以及相同質(zhì)量條件下，自然坡面的滾石的沖擊力峰值與滾石沖擊速度，總是略低于實(shí)驗(yàn)室坡面的數(shù)值；

表3 7 m坡長的數(shù)據(jù)比對(duì)

圖5 坡角約60°條件下滾石沖擊力峰值與滾石沖擊速度的關(guān)系

5)滾石的沖擊力峰值代表滾石的破壞力，滾石越大破壞力越強(qiáng)，如4 kg以上滾石，坡長超過5 m，沖擊力峰值超過20 kN.

2.2 滾石破壞分析根據(jù)DL/T 741[12]，桿塔基礎(chǔ)表面不應(yīng)脫落、鋼筋不應(yīng)外露；鐵塔主材相鄰結(jié)點(diǎn)間彎曲度不超過0.2%.該規(guī)定可以作為滾石對(duì)桿塔基礎(chǔ)以及鐵塔主材的破壞標(biāo)準(zhǔn)閾值.實(shí)驗(yàn)中用滾石分別撞擊破壞桿塔地基和角鋼，其采用的地基和角鋼材料的參數(shù)如表4所示，坡角為60°，坡長為7 m.獲得的結(jié)果如表5和表6所示.

表4 滾石沖擊鐵塔的材料參數(shù)

根據(jù)表5和表6的結(jié)果可知：滾石對(duì)鐵塔基礎(chǔ)和塔材造成的損傷，達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，故障破壞與滾石沖擊力有明顯的線性關(guān)系.以坡角為60°、坡長為7 m、滾石次數(shù)為20次的條件為例，具體分析如下：

表5 單次滾石破壞結(jié)果

表6 造成破壞的滾石次數(shù)

1)分析單個(gè)單次滾石破壞結(jié)果可知，滾石質(zhì)量超過6 kg才會(huì)對(duì)鐵塔基礎(chǔ)產(chǎn)生破壞故障，滾石質(zhì)量超過4 kg才會(huì)對(duì)鐵塔塔材產(chǎn)生破壞故障；

2)分析多次滾石破壞結(jié)果可知，造成鐵塔基礎(chǔ)破壞故障的滾石質(zhì)量超過2 kg，造成鐵塔塔材破壞故障的滾石質(zhì)量超過1 kg，才出現(xiàn)破壞的累積效應(yīng)；

3)分析多次滾石形成累積破壞結(jié)果可知，故障破壞與滾石沖擊力有明顯的線性關(guān)系.

2.3 應(yīng)對(duì)措施分析實(shí)際情況輸電線路所處坡面的坡角，基本以 < 30°為主，坡角較為緩和，滾石不規(guī)則較多，這些滾石相對(duì)球形滾石的破壞力更強(qiáng)，針對(duì)滾石災(zāi)害體情況，可以采用以下應(yīng)對(duì)措施：

1)固化滾石災(zāi)害體.針對(duì)輸電桿塔上邊坡的茶場(chǎng)、梯田和山地壘石，采用水泥固化并做好排水措施，減少滾石災(zāi)害體的發(fā)生.

2)采用柔性防護(hù)網(wǎng).短時(shí)強(qiáng)降雨或者人工開挖均會(huì)形成滾石災(zāi)害體，根據(jù)輸電走廊的巡視情況，發(fā)現(xiàn)災(zāi)害體有發(fā)生的可能性，可采用柔性防護(hù)網(wǎng)減少滾石災(zāi)害體對(duì)輸電桿塔的破壞.

滾石災(zāi)害體發(fā)生有特定的條件，如短時(shí)強(qiáng)降雨、人工開挖或者上邊坡壘石，加強(qiáng)滾石災(zāi)害易發(fā)生區(qū)域輸電走廊的巡視，必要時(shí)采用相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，可以極大減少輸電走廊上邊坡滾石災(zāi)害的發(fā)生.根據(jù)初步的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，增加這些應(yīng)對(duì)措施后，可基本杜絕這類災(zāi)害的發(fā)生.

3 結(jié)論

1)輸電桿塔上邊坡滾石災(zāi)害體的來源為丘陵區(qū)域經(jīng)濟(jì)作物的壘石和強(qiáng)降雨的坡面滑坡體；

2)相同坡角條件下，滾石的沖擊力峰值與滾石沖擊速度或滾石質(zhì)量滿足線性正相關(guān)關(guān)系，坡角直接影響滾石的沖擊力峰值；

3)滾石對(duì)鐵塔基礎(chǔ)和塔材造成的故障破壞與滾石沖擊力有明顯的線性關(guān)系，并且滾石質(zhì)量超過1 kg，才出現(xiàn)故障破壞累積效應(yīng)；

4)針對(duì)滾石災(zāi)害體情況，可以采用水泥固化災(zāi)害體、采用柔性防護(hù)網(wǎng)等應(yīng)對(duì)措施，減少滾石災(zāi)害故障的產(chǎn)生.