基于3DEC對某輸電線路新建鐵塔巖質邊坡的穩定性評價

趙　健，楊　立，鄧冬梅，張　健，鄧　姍

( 1.貴州電力設計研究院，貴州 貴陽 550002；2.中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074 )

電力行業一直是我國經濟建設的重要產業，在我國廣泛分布的山區不時會遇到將輸電線塔建立在危險陡坡的情形，邊坡穩定性成為輸電線路建設中的關鍵突出問題。同時，開挖陡坡勢必會帶來新的邊坡問題，由于輸電線塔具有結構高、跨度大等特點，鐵塔荷載與風荷載會威脅到線路安全，因此研究塔基邊坡的穩定性具有重大的工程意義。

巖質邊坡發育層面，并被節理裂隙切割。據基于運動學的邊坡穩定性分析可知，巖質邊坡的變形破壞主要受控于臨空面與結構面的空間關系，巖體可能沿單一不連續面滑動、開挖面崩落或形成楔形體沿結構面交線滑動[1]。由于巖體變形和破壞具有復雜性，因此全面分析邊坡的巖性特征、優勢結構面及其組合可能造成的邊坡破壞模式是穩定性評價的關鍵。

巖質邊坡穩定性分析方法可分為定性和定量兩類，定性分析方法主要包括自然歷史分析法、圖解法、專家系統法等，定量分析方法主要有極限平衡分析法、數值分析法、可靠度方法、模糊綜合評價法等。在定性分析方法中，邊坡結構面極射赤平投影法是一種簡便而有效的圖解分析方法，該方法假定巖體為剛性且忽略軟弱夾層和條件力的作用[2]，利用結構面極射赤平投影技術直觀地反映邊坡結構面組合關系、結構面組合切割體與邊坡的相對關系、不利切割體的潛在滑動方向等[3]，在評價邊坡穩定性方面具有突出的優勢[4]，已經被廣泛應用于實際邊坡工程潛在破壞模式的分析中，如吳紹強[5]、李才等[6]利用結構面極射赤平投影技術分析了巖質邊坡結構面組合下可能的邊坡破壞模式。在定量分析方法中，數值模擬方法主要用于研究巖土工程活動對附近環境的影響以及巖體-支護結構力學行為的模擬[7]，目前常用的方法是有限元法、邊界元法、有限差分法、離散元法、不連續變形分析法、流形元法等。其中，有限元法基于最小總勢能變分原理[8]，將連續體近似為多個彼此相聯系的單元體組成的物理模型，能夠方便地處理各種非線性問題，是目前應用最廣且較為成熟的研究巖體性質的方法，但其缺點是難以模擬復雜裂隙網絡的巖體；而離散元方法能夠很好地模擬巖體等非連續介質的力學行為，是一種非連續數值分析方法，在處理不連續介質問題中有較大的優勢[9-10]，目前已開發了眾多基于離散元方法的模擬軟件，其中由美國Itasca集團的3DEC(3-Dimensional Distinct Element Code)軟件允許巖體系統大變形和大位移，已在許多巖質邊坡穩定性研究中使用。近年來，強度折減法已較普遍地應用于邊坡穩定性評價中，強度折減法就是在邊坡穩定性計算過程中，用折減系數逐步降低巖土體強度參數(黏聚力和內摩擦角)，反復計算至邊坡達到臨界破壞狀態，此時的強度指標與原強度指標之比，即邊坡的穩定性系數[11-12]?；趶姸日蹨p的3DEC離散元方法被認為是不連續巖質邊坡穩定性分析的有力工具[13-14]。

基于上述研究，本文以某塔基邊坡為例，因距離高層住宅樓小區較近，已采用錨索加固，邊坡處于穩定狀態，但由于城區輸電線路規劃需在該邊坡中部新建鐵塔，將會開挖邊坡并截斷錨索，勢必對邊坡原有穩定性狀態造成影響。因此，為評價該塔基邊坡受到工程活動影響下的穩定性，本文在現場調研與結構面測繪的基礎上，確定邊坡巖體優勢結構面，采用極射赤平投影法分析塔基邊坡潛在的破壞模式，并通過3DEC離散元模型，進一步定量評價開挖并截斷錨索后塔基邊坡的穩定性以及新增支護并新建鐵塔后邊坡的穩定性。

1　塔基邊坡的潛在破壞模式分析

1. 1　塔基邊坡的基本地質條件

本文擬研究的塔基邊坡高約40 m，為陡傾角層狀切向坡，基巖部分外露，坡頂有部分第四系覆蓋物，塔基邊坡下伏基巖以二疊系中統吳家坪組(P2w)強風化泥巖、互層狀泥巖和灰巖以及強-中風化灰巖為主，邊坡排水設施較為完善。該塔基邊坡呈3個平臺，上部已有2個運營中的鐵塔(鐵塔1和鐵塔2)，因小區建設，邊坡中下部已采用錨索支護。既有鐵塔、開挖設計面、擬建鐵塔及塔腿位置，詳見邊坡剖面圖1。

圖1　巖質邊坡工程地質剖面圖Fig.1　Engineering geological profile of the rock slope

1. 2　塔基邊坡的潛在破壞模式分析

據邊坡工程地質測繪，擬研究的塔基邊坡坡面產狀為151°∠45°，層面(J1)產狀為213°∠43°，充填物為泥膜。經過測量并統計得到該塔基邊坡巖體5組優勢結構面，結構面平直、較光滑，充填物為泥膜，巖體被節理切割成碎裂狀，巖體結構面參數見表1。

表1　某塔基邊坡的巖體結構面參數Table 1　　　　Structure plane parameters of the rock slope of a tower foundation

綜合該塔基邊坡的巖性特征、坡面產狀、層面產狀和節理面產狀，得到邊坡結構面下半球極射赤平投影圖(見圖2)，據此可分析該巖質邊坡的潛在破壞模式。

圖2　某塔基邊坡結構面赤平投影圖Fig.2　　　　Stereographic projections of the slope structure plane of a tower foundation

(1) 平面滑動模式。巖質邊坡發生平面滑動需要同時具備以下條件：①結構面傾角θ大于結構面摩擦角φj而小于坡角α；②結構面的傾向與邊坡面傾向相同；③邊坡中存在側向切割面[2]。本案例中塔基邊坡強風化泥巖內結構面內摩擦角難以試驗獲得，取經驗值10°，按上述條件分析邊坡能否產生平面滑動，見表2。由表2可知，該塔基邊坡發生平面滑動的可能性較小。

表2　邊坡平面滑動模式分析Table 2　Analysis of plane slide failure mode of the slope

(2) 楔形體滑動模式。巖質邊坡發生楔形體滑動需要具備以下2個條件：①結構面交線傾伏角δ大于結構面摩擦角φj而小于坡角α；②結構面交線傾伏向與邊坡面傾向相同[2]。本案例中塔基邊坡坡面產狀為151°∠45°，統計兩兩結構面組合的交線產狀，據此對邊坡破壞模式分析如下：①(J1,J2)、(J3,J5)結構面交線的傾伏角大于坡角，楔形體不具備可能滑動的臨空條件，邊坡發生楔形體滑動的可能性??；②(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)結構面交線傾伏向與邊坡面傾向相同，夾角較小，結構面交線傾伏角小于邊坡面傾角而大于結構面摩擦角，邊坡有沿著該結構面組合發生楔形體滑動的可能；③其余9組結構面組合的交線傾伏向與邊坡面傾向呈大角度相交，邊坡沿這些結構面發生楔形體滑動的可能性小。按上述條件綜合兩組結構面組合切割下該塔基邊坡可能發生楔形體滑動破壞模式的分析,詳見表3。

(3) 圓弧形滑動模式。由于本案例中塔基邊坡上部強風化泥巖層較厚且巖體風化破碎，巖土體性質

表3　兩組結構面組合切割下塔基邊坡的潛在破壞模式分析Table 3　Analysis of potential failure mode of the slope in different combinations by two sets of joints

較差，可能在邊坡泥巖層發生圓弧形滑動破壞模式。

綜上所述，該塔基邊坡發生平面滑動的可能性較小，但可能發生楔形體滑動和圓弧形滑動。

2　塔基邊坡的穩定性評價

2. 1　計算模型與參數

根據該塔基邊坡空間特征，建立76 m×50 m×58 m的邊坡模型，模型地層材料為強風化泥巖、互層狀泥巖和灰巖、中風化灰巖。由上述赤平投影分析可知，該塔基邊坡潛在的楔形體滑動破壞模式主要是由于(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)三組結構面控制，因此在模型中輸入層面以及J3、J4和J5結構面來對巖體進行切割，而考慮圓弧形滑動破壞模式情形時，在模型中只輸入層面進行控制。該塔基邊坡巖體結構面間距由鉆孔揭露和實測間距平均值確定，結構面物理力學參數取相同值，根據室內試驗，參考相關規范確定出研究邊坡巖土體的物理力學參數及結構面力學參數，詳見表4和表5，邊坡錨索主要參數見表6，并設置頂部兩塔荷載為塔基范圍內的均布荷載(q=25 kPa)。

表4　模型地層材料物理力學參數Table 4　Physical and mechanics parameters of the model strata materials

表5　巖質邊坡結構面力學參數Table 5　　　　Mechanics parameters of the structural plane of the rock slope

表6　塔基邊坡錨索主要參數Table 6　Major parameters of the anchor cable

根據《建筑結構荷載規范》(GB 5009—2012)中的風荷載計算公式[15]，垂直作用于塔架表面上單位面積的風荷載標準值按下式計算：

ωz=βzμsμzω0

(1)

式中:ωz為作用在高聳結構高度處單位面積上的風荷載標準值(kN/m2);βz為風振系數;μs為風荷載體型系數;μz為風壓高度變化系數;ω0為基本風壓(kN/m2)。

根據《建筑結構荷載規范》(GB 5009—2012)，公式(1)中各參數取值見表7，得到鐵塔1、鐵塔2和擬建鐵塔的風荷載分別為0.72 kN/m2、0.66 kN/m2和0.58 kN/m2，鐵塔線路方向與塔基邊坡走向相同，并按最不利方向施加到鐵塔表面。

設置模型邊界條件為：模型的底面處施加豎向固定約束，模型的側面處施加水平固定約束，模型頂面為自由無約束，選擇莫爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型進行計算。巖土體等材料均采用Zone單元進行模擬，錨索采用Cable單元進行模擬，模型共用65 532個Zone單元，195根Cable單元。建立的截斷錨索前邊坡兩種潛在破壞模式下的計算模型，見圖3和4。

表7　風荷載計算參數Table 7　Parameters in wind load

圖3　截斷錨索前邊坡楔形體滑動破壞模式下的計算模型Fig.3　　　　Calculation model of the slope in wedge slide failure mode before cutting cables

圖4　截斷錨索前邊坡圓弧形滑動破壞模式下的計算模型Fig.4　　　　Calculation model of the slope in circular slide failure mode before cutting cables

2. 2　開挖并截斷錨索后塔基邊坡的穩定性分析

在開挖邊坡截斷部分錨索情況下，經過3DEC迭代計算出天然工況下該塔基邊坡的穩定性系數分別為0.84(楔形體滑動)、0.874(圓弧形滑動)，表明天然工況下的邊坡穩定性系數已經無法滿足工程安全性要求。結合圓弧形滑動破壞模式下開挖邊坡的位移模擬結果(見圖5)可以看出：在天然狀態下開挖邊坡的最大位移接近1.3 m，這也從另一方面說明未支護進行開挖的塔基邊坡發生失穩破壞的可能性大。由此可見，該塔基邊坡在無支護情況下開挖將會產生破壞，在實際工程開挖之前必須采取有效支護措施以確保邊坡的穩定。

圖5　圓弧形滑動破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.5　　　　Slope displacement by excavation in circular slide failure mode

2. 3　支護補償并新建鐵塔后塔基邊坡的穩定性分析

結合該塔基邊坡已支護狀況，天然工況下邊坡的穩定性系數為1.25，暴雨工況下邊坡的穩定性系數為1.05，采用樁體將塔基荷載傳遞到潛在滑動面以下巖體，起到抗滑樁的抗滑作用；同時，在開挖位置按截斷1根錨索補2根錨索的方式補償加固，新增錨索深入到已有錨索深度以下，設置于既有錨索中部，避開樁位，并在樁頂新增預應力錨索以平衡鐵塔水平風荷載，錨索的傾角為25°，與巖層夾角為49°，平均間距為2 m×2 m。新建鐵塔荷載形式為均布荷載，按塔基面積計算得到q=35 kPa,塔基邊坡抗滑樁的主要參數見表8，支護后的塔基邊坡模型見圖6。

經過3DEC對該模型的迭代計算，得出楔形體滑動破壞模式下邊坡天然工況時的穩定性系數為1.225，暴雨工況時穩定性系數為1.063，圓弧形滑動破壞模式下天然工況時的穩定性系數為1.246，暴雨工況時穩定性系數為1.097，說明該塔基邊坡處于基本穩定狀態；同時，可以得到支護后兩種破壞模式下開挖邊坡的位移云圖(見圖7和圖8)。

表8　巖質邊坡抗滑樁的主要參數Table 8　　　　Major parameters of anti-sliding piles of the rock slope

圖6　支護后的塔基邊坡模型Fig.6　Model of the supported slope of tower foundations

圖7　支護后楔形體滑動破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.7　　　　Slope displacement fringe after supporting in wedge slide failure mode

圖8　支護后圓弧形滑動破壞模式下開挖邊坡的位移云圖Fig.8　　　　Slope displacement fringe after supporting in circular slide failure mode

由圖7和圖8可見，在降雨工況下補償錨索并設置抗滑樁之后新建鐵塔，邊坡開挖面附近變形得到控制，變形處于在施工允許范圍之內。由此可見，在錨索和抗滑樁的作用下，該塔基邊坡變形得到了有效控制，邊坡處于基本穩定狀態，支護方案能夠滿足工程安全性需要。

3　結　論

本文以塔基邊坡為研究對象，采用極射赤平投影法分析邊坡潛在的破壞模式，定性分析其穩定性，再通過3DEC離散元方法定量評價邊坡的穩定性，可以得到以下結論：

(1) 工程地質分析與赤平投影分析表明，該輸電線路邊坡有沿著(J1,J3)、(J1,J4)、(J1,J5)發生楔形體滑動的可能，也有在強風化巖體中發生圓弧形滑動的可能。

(2) 通過3DEC數值模擬表明，該塔基邊坡進行人工開挖后，其穩定性系數不滿足工程安全性要求。因此該路基邊坡開挖前須采取有效支護措施，以保證邊坡的穩定。

(3) 在該路基邊坡得到錨索及抗滑樁體系支護后，開挖邊坡不會造成邊坡大變形，邊坡穩定性得到有效增強，處于基本穩定狀態，滿足工程安全性要求，其支護設計能夠為類似工程提供參考。

參考文獻：

[1] 寧宇,徐衛亞,鄭文棠.應用離散元強度折減對復雜邊坡進行穩定性分析[J].巖土力學,2007,28(S1):569-574.

[2] 唐輝明.斜坡地質災害預測與防治的工程地質研究[M].北京：科學出版社,2015:160-161.

[3] 王鳴,黃鵬程,陳招軍,等.基于GIS的巖質順層邊坡坡體組合類型空間分布[J].安全與環境工程,2017,24(4):47-51.

[4] 梁燁,王亮清,唐輝明.基于運動學分析的高切坡穩定性評價[J].安全與環境工程,2010,17(6):101-103,108.

[5] 吳紹強.極射赤平投影法在巖質邊坡穩定性分析中的應用[J].西部探礦工程,2009,34(10)：117-119

[6] 李才,張行,黎藝明,等.深水河大橋橋墩邊坡穩定性分析[J].安全與環境工程,2012,19(4):137-140,144.

[7] 蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京：科學出版社,2013.

[8] 周維垣.高等巖石力學[M].北京：水利電力出版社,1990.

[9] 巨能攀,趙建軍,黃潤秋,等.基于3DEC的邊坡塊體穩定性分析[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2009,28(6):925-928.

[10]胡訓健,卞康,葛云峰,等.基于PFC對含斷續節理巖質邊坡靜力荷載下破壞形式的研究[J].安全與環境工程,2017,24(3):34-42.

[11]桂蕾,殷坤龍,翟月.基于FLAC3D模擬和強度折減法的滑坡穩定性計算[J].安全與環境工程,2011,18(6):9-14.

[12]熊文林.山區高速公路隧道洞口邊坡穩定性的數值模擬[J].安全與環境工程,2013,20(5):108-112.

[13]雷遠見,王水林.基于離散元的強度折減法分析巖質邊坡穩定性[J].巖土力學2006,27(10):1693-1698．

[14]王清,陸新.用有限元強度折減法進行加筋土擋土墻穩定性分析[J].后勤工程學院學報,2006,22(1):63-66.

[15]中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB 5009—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.