電塔塔基邊坡受風荷載影響的穩定性研究

麻玉山，董夢龍，陳 松，丁陽波，俞正浩

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

改革開放以來隨著我國基礎建設和電力行業的發展，已建成的輸電電塔逐年增加，而大部分的輸電鐵塔位于山頂或高陡險峻的邊坡之上，由于輸電電塔所處的地質環境極其復雜，邊坡內部可能暗藏許多危險滑動面，再加上大風、暴雪、冰雪凍融等因素作用于電塔上，并通過塔基傳遞到邊坡內部，可能會對邊坡的穩定性造成不利影響，而這一系列問題對我國電塔邊坡安全而言亟待解決[1-2]。高壓電網工程往往投資大，施工周期長，施工技術以及環境條件極其復雜，是高風險、高投資建設項目，如不能解決塔基邊坡的穩定性問題，在修建和運行期間極易發生邊坡失穩事故[3-5]，而目前關于鐵塔邊坡穩定性方面的研究較少，因此，本文以鎮江五峰山輸電鐵塔塔基邊坡為研究對象，建立實際三維模型，利用強度折減法[6]從風荷載對塔基邊坡穩定性的影響方面入手，研究塔基邊坡的變形特征及防治對策，以期對我國高山峽谷區高壓電網系統的安全運行和防災減災工作提供一定的經驗參考意義[7-11]。

1 工程概況

江蘇鎮江五峰山220 kV大跨越線路于鎮江市大港新區五峰山跨越長江主航道，其中南跨越鐵塔位于五峰山主山脈西側，臨近長江，大跨越段線路2.5 km，跨越段采用角鋼塔和鋼管塔架設，南跨越塔及錨塔均采用人工挖孔樁群樁承臺基礎，樁徑1.2 m，樁長約10.0～15.0 m，南跨越塔地形及塔基位置分布圖如圖1所示。

圖1 南跨越塔地形圖Fig.1 Topographic map of South Crossing Tower

由圖1可知，研究區塔基邊坡由三部分組成，鐵塔塔腿分別坐落于西北段、西南段及東南段邊坡上，位于同一坡頂。西北段邊坡坡度約30°，坡向8°，坡頂寬約30 m，坡高約30 m。西南段坡向為S30°W，地形坡度35°～40°，坡高43 m，坡頂寬約20 m，坡高約40 m，剖面最低高程6.5 m、頂部高程49 m，邊坡長度約170 m。東南段邊坡坡度30°～35°，坡向為S74°E，坡腳最低高程15 m、頂部高程50左右，坡高約35 m。三面邊坡均有石砌塊石護坡，四周植被發育良好，地表未發育裂縫。

南跨越塔位于長江南岸、五峰山一山包頂部，南錨塔位于斜坡上。植被茂盛，地形起伏大，地勢較高，塔腿處自然地面高程一般為44.00～50.00 m，交通條件不便，區域地貌單元屬寧鎮揚丘陵崗地—平原區的低山丘陵。

鎮江市屬北亞熱帶季風氣候，氣候條件比較優越，但時有氣象災害發生。鎮江市盛行風為東北到東南偏南向風，其中平均風速偏大，常年平均風速3.4 m/s，上半年風速比下半年大，建國后測得的最大風速為27.5 m/s，瞬間最大的風速30 m/s。

根據勘探資料顯示，在勘探深度范圍內，南跨越塔區段的地基巖土主要由第四系全新統—上更新統殘積、坡積成因的粉質黏土組成，下伏白堊系下白堊統泥質砂巖、砂巖，局部地表分布少量雜填土。

根據區域水文地質條件，按含水層性質和地下水埋藏條件，本區段內地下水類型主要為坡體上部局部分布的上層滯水和下部基巖中的基巖裂隙水。鉆孔中均未見地下水位，坡體中部和坡腳巖層出露面處均未發現地下水滲出，基巖裂隙水水位一般較低。

2 風荷載作用下塔基邊坡穩定性三維模擬

2.1 模型建立

研究區南跨越塔塔基邊坡典型工程地質剖面如下圖2所示。

精細化評價系統[13]從臨床管理系統中實時提取數據，采集到醫護人員的工作量、醫療安全與質量、醫保與醫藥等客觀指標，經數據模型和智能算法對醫師行為進行科學評價，得到醫務人員的業務水平、服務能力與工作效率的綜合考核結果，作為薪酬分配、崗位聘任、員工晉升、培訓與教育機會的數據依據(圖1)。

圖2 研究區典型工程地質剖面Fig.2 Typical engineering geological section of the study area

南跨越塔塔基邊坡概化模型如圖3所示，整個模型總尺寸為160 m×160 m，邊坡共分布4個鐵塔基礎，按照鐵塔基礎的分布特點共布置6條監測剖面，每條剖面穿過兩個鐵塔基礎，并按照邊坡特點布置如圖3所示的60個數值模擬監測點，以分析塔基邊坡的變形特征。

根據地質勘查資料建立三維邊坡模型，利用FLAC3D計算軟件與繪圖軟件“犀?！毕嘟Y合，以此來建立鎮江五峰山輸電鐵塔塔基邊坡的三維模型。圖4所示為鐵塔基礎施工后的網格模型，A、B、C、D樁相對位置及地層巖性均在圖中標明。圖5為三維模型中對應監測點位置分布圖，圖例為其對應監測點編號。

圖6—圖11為三維模型中對應P1—P6剖面網格模型，對應地層編號同三維模型一致。

圖7 P2剖面網格模型Fig.7 P2 section grid model

圖8 P3剖面網格模型Fig.8 P3 section grid model

圖9 P4剖面網格模型Fig.9 P4 section grid model

圖10 P5剖面網格模型Fig.10 P5 section grid model

圖11 P6剖面網格模型Fig.11 P6 section grid model

2.2 參數選取

根據勘察報告建議參數值及工程經驗，該區巖土體物理力學參數取值見表1。

表1 鎮江五峰山跨江鐵塔地基巖土層三維穩定性計算參數

2.3 自然風工況下鐵塔荷載的確定

鐵塔桁架結構復雜，無法對三維桁架逐點進行受力分析，因此本節重點研究大風工況下基礎的受載情況。實際鐵塔框架主軸頂部寬度與鐵塔框架主軸底部寬度相差極大，而橫擔主軸通過鐵塔框架主軸中心，本次計算僅將鐵塔框架簡化成結構力學中一系列桿件組成的體系，計算大風工況下鐵塔基礎的受載可將鐵塔簡化成圖12所示結構體系進行計算，并將計算出的力加權平均到各樁上。其中，0°風向為水平方向受力于塔身，90°風向為從上至下作用于塔身，自然風風向為0°，具體風向與鐵塔受力關系圖見下圖12所示。

圖12 鐵塔二維簡化力學分析Fig.12 Two-dimensional simplified mechanical analysis of iron tower

自然風(風速3.4 m/s，風向0°)工況下塔基邊坡的基礎荷載見表2。

表2 自然風工況下鎮江五峰山鐵塔塔基荷載

2.4 大風工況基礎荷載的確定

四種大風(風速30 m/s)工況下塔基邊坡的基礎荷載見表3。

表3 大風工況下鎮江五峰山鐵塔塔基荷載

3 自然風工況下塔基邊坡的穩定性分析

3.1 自然風工況下塔基邊坡變形特征

從圖13中可以看出，塔基邊坡的沉降量為7.0～14.91 mm，X方向水平位移為-2.51～1.68 mm，Y方向水平位移為-3.12～3.97 mm，邊坡的變形主要發生在A樁、C樁和D樁。

表4 自然風工況基礎荷載下塔基的不均勻變形特征

圖14為P1—P6剖面剪應變增量等值線云圖，從圖中可以看出D樁內側樁底滑面發展較其它樁基明顯，C樁和D樁有貫通的趨勢，邊坡變形主要發生在A樁、C樁和D樁。

圖14 剪應變增量云圖(自然風工況)Fig.14 Cloud diagram of shear strain increment (natural wind conditions)

3.2 自然風工況下邊坡穩定性分析

強度折減法是由Griffiths首先提出的，該方法的基本思想與傳統的極限平衡法(強度儲備安全系數法)是一致的。其基本原理是：為使邊坡剛達到臨界破壞狀態，對土體的抗剪強度進行逐步的折減。通過逐步降低土體的抗剪強度指標，即同時將c和φ值除以折減系數K，得到一組新的強度指標進行有限差分分析，反復計算，直至邊坡達到臨界破壞狀態。

cf=c/K

(1)

φf=tan-1(tanφ)/K

(2)

式中：Cf為折減后的粘聚力，φf為折減后的摩擦角，K為折減系數。

在FLAC3D中通過不斷調整邊坡巖土體的強度指標對邊坡進行穩定性計算，直至達到臨界破壞狀態，此時邊坡的穩定系數為1，則破壞時的折減系數即為邊坡當前的穩定系數。

利用強度折減法使邊坡達到臨界破壞狀態，此時P1—P6剖面的剪應變增量等值線云圖如圖15所示，由結果可知，D樁先產生貫通的滑動面，從樁基內側貫通；C柱受D樁的影響，發生往西南側(D樁)方向的滑移；A樁和B樁影響相對較小，對應樁基邊坡滑面發展緩慢。

圖15 剪應變增量云圖(自然風工況，K=1.31)Fig.15 Cloud diagram of shear strain increment (natural wind conditions，K=1.31)

采用強度折減法對邊坡進行穩定性計算，計算結果表明：當折減系數K=1.31時，邊坡處于極限平衡狀態，當折減系數大于1.31時滑面已完全貫通，變形不收斂。在極限狀態下，邊坡的沉降變形主要發生在坡頂，而水平位移則是坡腳先發生較大的不穩定變形。因此，在自然風工況基礎荷載作用下，邊坡的穩定系數為1.31，邊坡處于基本穩定狀態。

4 大風工況下塔基邊坡的穩定性分析

4.1 大風工況下邊坡變形特征

對大風90°、大風60°、大風45°、大風0°四種工況下進行邊坡穩定性數值模擬，得到沉降等值線云圖、X方向水平位移等值線云圖和Y方向水平位移等值線云圖以及邊坡剪應變增量等值線云圖。由結果可得，在不同大風工況下邊坡最大沉降量為15.73～16.20 mm，風向為45°時邊坡發生最大沉降變形；X方向水平位移為-2.93～3.23 mm，風向為90°時發生X方向最大水平位移變形；Y方向水平位移為-2.78～6.96 mm，風向為60°時發生Y方向最大水平位移變形。其變形量統計結果見表5。

表5 大風工況基礎荷載作用下邊坡的變形特征

表6所示為不同大風工況下塔基的不均勻變形特征，從計算結果得出，在不同的風向作用下最大水平位移都發生在D樁，X方向位移大小為0.45～1.6 mm，Y方向位移大小為4.58～6.95 mm；當風向為90°時，最大沉降量大小為15.7 mm，發生在C樁；當風向為60°時，最大沉降量大小為15.76 mm，發生在A樁；當風向為45°時，最大沉降量大小為16.2 mm，發生在A樁；當風向為0°時，最大沉降量大小為16.15 mm，發生在D樁。

表6 大風工況基礎荷載下塔基的不均勻變形特征

此外，從不同風向作用下剪應變增量等值線云圖的計算結果中可以看出，D樁內側樁底滑面發展較其它樁基明顯，其余各樁沒有明顯的滑面發展的趨勢。

4.2 大風工況下邊坡穩定性分析

在極限狀態下邊坡的沉降變形主要發生在坡頂、西側和南側邊坡中部，而水平位移則在坡腳先發生較大的不穩定變形，主要表現在西南側方向。極限狀態下邊坡的樁基滑面發展方向主要為對應的邊坡臨空坡面方向。大風60°、大風60°、大風45°、大風0°以及自然風工況下邊坡穩定性系數計算結果如表7所示，結果顯示，在四種大風工況下塔基邊坡均處于基本穩定狀態，大風工況下邊坡穩定性較自然風工況差，大風0°時邊坡穩定性最小。

表7 各工況下邊坡穩定性系數

5 結論

1)利用強度折減法對塔基邊坡在各種大風工況下的穩定性進行計算分析，結果顯示在極限狀態下邊坡的沉降變形主要發生在坡頂、西側和南側邊坡中部，而水平位移則在坡腳先發生較大的不穩定變形，主要表現在西南側方向。極限狀態下邊坡的樁基滑面發展方向主要為對應的邊坡臨空坡面方向。

2)從不同大風風向作用下剪應變增量等值線云圖的計算結果可得，D樁內側樁底滑面發展較其它樁基明顯，其余各樁沒有明顯的滑面發展的趨勢。

3)自然風(風速3.4 m/s)、大風90°、大風60°、大風45°、大風0°(大風風速30 m/s)工況下塔基邊坡基礎的整體不均勻沉降分別為：0.43‰、0.66‰、0.50‰、0.33‰、0.65‰。

4)采用強度折減法對自然風、大風90°、大風60°、大風45°、大風0°五種工況下邊坡穩定性進行了分析，得到了各工況下的邊坡穩定系數分別為1.31、1.25、1.23、1.23、1.18，表明在五種工況下邊坡均處于穩定狀態，大風0°時塔基邊坡的穩定性最小。