公路邊坡與坡頂輸電鐵塔相互作用與成災機制的反演分析

高 智，顧中華，王 浩

(1.福州大學 環境與資源學院， 福建 福州 350116；2.地質工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；3.福建省交通規劃設計院有限公司, 福建 福州 350004)

在山地城鎮建設中，由于地形限制，高壓輸電線路常與公路或鐵路等交通干線共用走廊帶，輸電鐵塔常被架設在道路上方的斜坡地段，并與道路邊坡的開挖建設相互影響，從而導致塔基邊坡的變形或失穩，進而威脅輸電線路和道路交通的安全運營。

當前對山區輸電鐵塔邊坡的研究集中在邊坡穩定性、電塔結構穩定性及防護加固措施等方面，陳曉佳等人對香港、深圳及四川等地的電塔邊坡進行區域性調研，綜合資料分析與模型計算對區內電塔邊坡病害類型與危害程度進行總結[1-4]；文獻[5-9]將電塔作為坡頂建筑荷載進行分析，研究了電塔自重及風力橫向荷載作用下的邊坡穩定性及在斜坡地形建造電塔的合理位置；文獻[9-14]分析了開挖、爆破、地震等外界因素擾動對電塔及邊坡產生的影響及對應的破壞模式；文獻[15-19]針對抗滑樁、樁板墻等支護方式加固電塔邊坡的治理效果展開研究，對欠穩定的電塔邊坡提出針對性的治理建議。

本文基于某500 kV超高壓輸電線路塔基邊坡漸進破壞而導致電塔損壞的實際案例，基于滑坡穩定度反分析方法反演變形破壞演化過程，定量分析開挖和降雨的作用機制，總結塔基邊坡的致災模式，從而為邊坡治理提供依據。

1 工程概況

福州南連接線高速公路YK8+590—YK8+658段右側為開挖3級、高約25 m的路塹邊坡，在塹頂上方的斜坡處建有2座福州—莆田500 kV超高壓輸電線路鐵塔，其中1#鐵塔距離塹頂線僅13 m，2#鐵塔距離塹頂線約85 m。在路塹邊坡設計時，采用錨索框架加固邊坡，并在邊坡右側的M形溝谷地段設置抗滑樁以控制潛在邊坡變形。邊坡建成運營后，受極端降雨影響，路塹邊坡產生變形，誘發塔基不均勻沉降，繼而導致鐵塔結構破壞，其中1#塔受損嚴重被迫拆除，最終不得不耗資2 000余萬元對邊坡再次加固。

圖1 邊坡及電塔全貌

該邊坡場區屬剝蝕丘陵地貌，自然斜坡相對高差超過100 m，邊坡上陡下緩，坡度在10°～25°之間。1#輸電塔位于塹頂緩坡臺地的地形過渡段，該段路塹邊坡第1級坡面設計坡比為1∶0.5，第2級、第3級設計坡比為1∶1.25，每級坡高8 m～10 m，開挖后的邊坡典型斷面如圖2所示。

圖2 邊坡工程地質模型

邊坡上覆坡積含碎石土與殘積黏性土，下伏基巖為燕山晚期花崗閃長巖，邊坡主體由坡、殘積土與全風化軟巖組成，為福建地區較典型的類土質邊坡。坡表覆蓋有4 m～6 m厚的含碎石黏性土，土質疏松，入滲性好，接受地表水補給能力強且具有較好的持水能力。坡體中部的殘積黏性土厚約12 m，是邊坡變形破壞主體；該層土粉黏粒含量較高，含少量細砂，易吸水且飽水后強度衰減明顯，其飽和快剪試驗得到的內摩擦角僅為14°。殘積土下部的全風化花崗閃長巖性狀與殘積土類似，工程性質僅略高于殘積土，遇水易軟化、崩解導致強度明顯衰減。

場區地下水主要集中在坡殘積層孔隙及風化基巖裂隙中，綜合現場調查及地下水位觀測資料，邊坡在旱季無降雨時地下水補給排泄大致平衡，水位基本穩定。邊坡表層廣泛分布松軟坡積含碎石土層，雨季持續性的降水將滲入該層并形成上層滯水，隨著降雨的持續，上部土層長期飽和，上層滯水下滲補給潛水，水位將持續上升，是場地主要的水文地質特征。

2 邊坡變形破壞特征

該邊坡變形與當年春季3月—5月間福州地區多達58 d的持續降雨密切相關，在此期間監測得到的邊坡深部位移曲線(見圖3)已發現邊坡發生蠕動變形，該階段位移量值較小，變化速率相對穩定。6月中旬，受臺風帶來的集中強降雨影響，邊坡變形加劇，坡體后緣共計產生9道拉裂縫，其中多道分布于1#塔周邊，裂縫最大寬度約5 cm。同時，監測曲線捕捉到明顯的變形增量，發展速率較快，而且具有典型的雙層滑動變形特征，體現邊坡以逐步由蠕動變形階段轉化為滑動變形階段。

圖3 邊坡深部位移曲線

隨著邊坡變形的繼續發展，1#塔受損嚴重，邊坡支護結構亦存在不同程度的破損，其中第1級坡面的混凝土擋墻發生鼓脹與開裂，坡腳排水溝受擠壓而封閉，路面隆起，此外2級、3級坡面也存在平臺開裂、錨索框架梁折斷等現象(見圖4、圖5)。

圖4 1#塔周邊拉裂縫

由于受邊坡既有錨索加固和降雨誘發地下水上升的共同作用，邊坡體現出時滑時停的變形特征，欠穩定坡體在降雨期間變形加劇，滑坡推力使支護結構局部受損；降雨過后坡體地下水位下降，邊坡在現有支護體系的作用下暫時維持穩定。隨著雨季的進行與臺風頻發期的到來，地下水長期維持較高水位，邊坡應力與變形逐步累積，極易導致錨索結構大量失效，演化為整體滑動失穩。

圖5 錨索框架梁折斷

3 邊坡變形破壞過程反演分析

3.1 計算模型與反演步驟

滑坡孕育過程中滑帶土強度的衰減、滑動面的剪切貫通、滑動周界的延展閉合均需經歷一個過程，在此過程中滑坡整體穩定度是不斷變化的。對于具有明顯變形特征的邊坡，由于其穩定系數接近于Fs=1.0的臨界狀態，可以據此為反演目標，計算分析得到邊坡主要巖土力學參數，進而根據滑坡變形破壞的階段劃分，依據邊坡穩定度反分析原理開展模擬反演與定量評估。為進一步分析邊坡破壞機理，對邊坡變形孕育過程進行數值反演。

基于圖2所示的邊坡工程地質模型，考慮原地形、開挖坡形、支護結構位置等，采用Phase2巖土工程有限元程序建立邊坡數值模型。該模型取自鐵塔所在的YK8+638典型斷面，模型左側邊界取至公路左側路塹邊坡，右側取至自然斜坡山頂，模型中原設計布設的第2級、3級錨索橫、豎排間距均為4 m，設計拉力為500 kN。

根據邊坡地下水位監測資料，將代表性地下水位施加在數值模型中，圖6中的浸潤線分別代表旱季穩定水位與臺風暴雨期內測得的最高水位，以最高水位時邊坡穩定系數Fs=1.0為目標進行巖土參數反算，結果如表1所示。

圖6 邊坡有限元模型

表1 巖土參數反算值

3.2 建造過程反演

邊坡經歷了鐵塔建造與路塹開挖兩次工程活動，分別對其進行模擬并使用強度折減法計算邊坡各階段的穩定系數Fs。

輸電鐵塔的建造只改變了塔基位置的局部微地形且基礎埋深較小，故將鐵塔建造過程的模擬簡化為在塔基位置施加對應豎向荷載，圖7為電塔建造后的邊坡剪應變云圖。

圖7 塔基巖土體剪應變圖

兩座電塔型號規格一致，計算時在塔基范圍施加相同均布荷載P=50 kPa進行模擬。計算結果表明邊坡在兩處產生的變形具有顯著差異。1#塔位于斜坡中下部，地層平緩，覆蓋層厚度較大，塔基土體未產生明顯剪切變形，以沉降變形為主。2#塔位于斜坡中部，下伏基巖面順坡陡傾，覆蓋層厚度較小，塔基土體受到電塔荷載后在殘積土與風化巖界面處觀察到剪切變形，該段邊坡變形為依附風化界面產生滑移。

施加電塔荷載后，坡體中段巖土體出現局部變形，但此時尚未開挖路塹，前段坡體對其起到良好的阻滑作用，邊坡穩定系數Fs僅從建造前的1.49降低至1.47，整體穩定未受影響。

路塹施工順序為開挖3級后逐級加固，邊坡穩定性隨著開挖的進行逐步下降，而后在支護結構的作用下回升，加固后的邊坡穩定系數Fs=1.21，施工期內邊坡穩定系數Fs均維持在在1.05以上，符合規范[20]要求。

開挖解除了邊坡的側向約束，原有力學平衡遭到破壞，開挖面附近出現應力松弛現象，松弛區以外的部分巖土體經應力重分布，轉而承擔更多來自邊坡后部的荷載，這一過程中邊坡產生變形。

開挖引起邊坡前段變形，坡表土體卸荷回彈，坡頂一定范圍內產生沉降，邊坡中后段受牽引產生少量變形(見圖8)。其中1#塔跨越沉降區，兩側塔腿存在微量不均勻沉降，與邊坡前級滑動變形存在相互影響；2#塔整體位于牽引變形區內，受開挖影響較小。

圖8 開挖后邊坡豎向位移圖

3.3 降雨觸滑過程反演

邊坡主要變形發生在3月—6月的雨季和臺風期間，1#塔在臺風過后因塔基變形而損壞。在此過程中，監測資料顯示，邊坡地下水位是逐步上升的。將圖6所示的旱季最低水位和臺風暴雨期間最高水位，以及在此區間內浮動的雨季初期和雨季后期典型地下水位依次施加在模型中，得到圖9所示的邊坡變形破壞特征、穩定狀態及其演變規律。

旱季邊坡地下水位大致穩定，浸潤線位于強風化基巖中，雨季初期水位上漲至全風化層內，邊坡中段土體依附砂土狀強風化巖頂面產生剪切變形；雨季后期邊坡水位上漲至殘積土層與全風化層交界面附近，邊坡中段變形加劇，邊坡前段沿碎塊狀強風化巖頂面產生剪切變形，穩定系數Fs由旱季的1.21降至1.09，邊坡整體從穩定狀態進入蠕動變形階段；臺風期間受強降雨補給，邊坡水位躍升至殘積土層內，坡體前、中段兩個剪切變形帶基本貫通，形成的主滑動面延伸至坡前公路下方，殘積土與全風化層內部亦在坡面附近產生次級滑動面，變形特征與坡表支擋結構受損、坡前路面隆起等現象相符合。

4 邊坡與鐵塔的變形破壞機制

4.1 公路邊坡變形機理

通過對邊坡變形孕育過程進行的數值反演，還原了邊坡失穩演化過程。路塹開挖階段邊坡穩定性顯著下降，后在支擋結構作用下恢復至穩定狀態，邊坡前段即存在初始變形；雨季邊坡地下水位抬升，邊坡前、中段孕育出新的剪切變形帶，隨著水位的升降邊坡處于時滑時停的蠕動變形階段；臺風暴雨期間邊坡地下水上漲至危險水位，坡體剪切變形帶基本貫通，邊坡進入滑動變形階段，在既有支擋結構作用下維持臨界穩定狀態。

圖9 水位抬升過程的剪應變發展

綜合各階段邊坡變形發展特征，總結邊坡變形破壞機理如下：

(1) 輸電鐵塔的建造引起塔基位置的局部剪切變形，路塹開挖后邊坡前段巖土體在應力重分布過程中產生局部變形與屈服。前期施做的支護結構恢復了邊坡的力學平衡，但邊坡巖土體產生了不可逆的累進性破壞與強度劣化。

(2) 雨季邊坡地下水位上漲，巖土體自重增加、強度衰減，坡體上部的殘積土、全風化層沿下伏基巖面產生剪切變形，邊坡進入蠕動變形階段。

(3) 臺風帶來的強降雨使邊坡地下水位進一步上漲，邊坡前、中段形成基本貫通的滑動面并向后牽引生成新的潛在滑動面，邊坡進入滑動變形階段。既有支護結構對邊坡起阻滑作用，邊坡未能在坡腳剪出破壞，滑動面向下延伸發展，導致支護結構局部破損與路面隆起。

4.2 輸電鐵塔失效模式

在邊坡未發生整體破壞的情況下，塔基變形引發電塔結構受損，是本次事故產生巨大經濟損失的直接原因。為進一步分析電塔受損原因，繪制塔腿沉降曲線與邊坡位移云圖如圖10、圖11所示。

圖10 塔腿沉降曲線

圖11 暴雨期邊坡位移圖

1#、2#塔分別位于邊坡兩處變形區內，其中1#塔跨越了邊坡前段開挖卸荷區，開挖后邊坡因卸荷松弛向臨空面產生位移，靠近開挖面的1#塔前側塔腿受變形牽引出現明顯沉降，而后側塔腿受開挖擾動較小，故1#塔兩側塔腿在開挖后存在顯著的不均勻沉降將導致電塔主體結構出現傾斜。雨季地下水位上漲誘發坡體產生進一步變形，鐵塔再次產生沉降后因變形超限而迫拆除。而2#塔因其整體位于邊坡中段的牽引變形區內，雖受邊坡變形牽引出現沉降與側移，但塔身傾斜量小，鐵塔結構受損程度較輕。

5 結論與建議

(1) 通過有限元方法對邊坡破壞過程進行反演分析，結果表明：輸電鐵塔的建造與路塹開挖導致邊坡出現應力集中與局部變形，邊坡建成后在支護結構作用下維持穩定。雨季地下水位不斷抬升，誘發邊坡整體變形產生累進性破壞，鐵塔受塔基巖土體變形牽引而損壞。

(2) 邊坡變形呈多級牽引發展，分處坡體不同位置的兩座鐵塔受損程度存在差異。靠近開挖面的1#塔跨越變形嚴重的卸荷松馳區，兩側塔腿存在顯著不均勻沉降導致塔體結構受損嚴重，2#塔整體位于坡體中部的牽引變形區內，塔體變形以側移為主，塔體結構受損程度較輕。

(3) 輸電鐵塔等構筑物相對邊坡而言具有更高的易損性，對邊坡不均勻變形尤為敏感，對建有重要構筑物的邊坡應進行專項穩定性驗算，并在施工、設計階段應充分考慮邊坡變形對構筑物產生的影響，通過合理的支護方式與施工順序避免構筑物的損壞。