特高壓直流輸電線路塔基邊坡的穩定性分析

陳新民

（華東送變電工程有限公司，上海 201803）

現代化發展進程中，輸電線路跨越的地區較多。山區輸電線路工程中涉及塔基施工作業，其通常建設在自然斜坡上。但由于斜坡穩定性欠佳，加之輸電線塔具備跨度大的特點，致使斜坡坡頂承受大量荷載，不利于斜坡穩定性，甚至威脅到輸電線路的安全。因此，必須確保塔基的穩定性，這也是影響輸電線路運輸質量的關鍵因素。

1 塔基邊坡概況

某±800kV特高壓直流輸電線路工程中使用到5535#鐵塔，具體型號為JC30152C-45型，因所處位置特殊，設置于山脊坡處。根據地質資料得知，塔址以柏樹林居多，大部分坡度介于37～43°，特殊區域坡度達到50～60°，部分區域地質條件特殊，為白云質灰巖。

2 塔基邊坡穩定性分析

2.1 分析方法

實踐表明，三維有限差分數值模擬具有可行性，是分析塔基邊坡穩定性的重要技術手段，可求解控制微分方程，然后在此基礎上引入混合單元離散模型，更為精準地模擬材料的工作狀態，如屈服、塑性流動等[1]。總體上，此方法的優勢較多，無論是在塑性分析還是變形分析等層面都具有可行性。

2.2 計算模型

該項目設置了5535#鐵塔，對其中的A、B、C、D腿樁平面圖加以分析，得知D腿樁與邊坡的間距最小，因此將其作為分析對象。水平荷載是主要的影響因素，將直接對D腿樁帶來影響，具體為樁徑的3～4倍。創建三維數值計算模型，設定其尺寸為36m×30m×10m（此處指的是最大尺寸），可達到緩解模型邊界效應的效果。剖分所得模型，產生的單元總量為8170個，共涉及9658個節點。

2.3 本構模型和計算參數

掌握塔基邊坡巖土體的穩定性尤為關鍵，為之創建了“摩爾-庫倫”彈塑性模型。關于此處的破壞包絡線，其與拉應力法則具有緊密關聯，但并未受到剪切流動的影響。根據該鐵塔D腿樁的實際情況，為之創建pile結構單元，借助耦合彈簧的方式呈現出D腿樁的受力狀況，主要體現在垂直荷載與水平荷載兩個方面[2]。

2.4 計算工況

創建模型可用于分析塔基及其所在邊坡的穩定情況，此處考慮重力作用以及壓、抗拔、水平荷載共同作用于腿樁處的穩定情況。為便于分析，確定了兩種工況。（1）工況1：自然邊坡初始狀態模擬；（2）工況2：創建了pile單元，在樁結構的頂部施加垂直荷載（具體值為3872kN），同時施加水平荷載（具體值為1066kN）。

以鐵塔實際情況為準，經計算分析后求得具體荷載值，上述所提及的荷載均建立在最不利工況的基礎上。

3 塔基和塔基邊坡的穩定性分析

3.1 塔基部分

針對塔基穩定性展開深入分析，選取的是FLAD3D軟件，在其支持下模擬塔基樁的受力情況，同時分析塔基樁及其周邊土層單元節點各自對應的水平位移，結果如圖1所示。

圖1 塔基樁和樁周巖土層單元節點的水平位移

由上述內容可知，因荷載作用，在一定程度上會影響塔基穩定性。樁頂處存在位移現象，具體方向為向坡外向下；同時在樁端處也伴隨有位移，方向為向坡內。相較之下，坡頂處受擾程度最為明顯，該處水平位移最大，總體位移約4.234mm；樁結構出現了水平位移現象，該值最大達到4.025mm，與設計規范對比得知，該變形在許可范圍內。除此之外，在離樁頂超過10m后，此時依然存在樁水平位移現象，但主要指向坡內，結果表明最大變形量均控制在1mm以下。現場存在白云質灰巖，由對該處單元節點的分析得知，產生的水平位移均控制在0.7mm以下，后續水平位移指向坡內，此部分的位移量都控制在0.3mm以下。

3.2 塔基邊坡的穩定性分析

對塔基邊坡的穩定性分析，使用到的是FLAD3D軟件，基于此方式可模擬應力、位移的分布情況，以及產生破壞的各個區域。

受塔基荷載的作用，雖然邊坡初始應力場發生變化，但幅度相對較小，樁基發揮出重要的承受作用，且應力變化局限在樁周邊單元處，相比之下與樁位間距較大的單元依然保持原有狀態，其應力未發生改變[3]。除此之外，樁上部向坡內側單元，該處存在拉應力；相比之下，樁上部向坡外側單元的應力狀況發生明顯變化，相較于自然狀態而言其拉應力表現出明顯增加的現象。

受塔基荷載的影響，坡頂處的狀態發生改變，出現了向坡外向下位移的趨勢，但并未出現明顯的位移現象。當形成應力荷載并作用于塔基后，產生了拉破壞單元，具體位置為坡頂處；相較之下，邊坡下部陡峭處并未出現變化，不存在破壞單元[4]。從這一現象來看，塔基周邊的塔頂處存在局部破壞，總體上坡頂下方的坡體狀況較好，其彈性變形現象控制在許可范圍內，并未出現明顯的破壞區。進一步推測，地表處存在微裂隙，但并不會對邊坡的整體穩定性造成過多的負面影響，盡管受到塔基荷載作用，依然可確保邊坡的穩定性[5]。

為展開針對性分析，此處重點關注與塔基相距4m的坡頂區域，探討該處x方向上塔基荷載產生的應力。將其與初始應力展開對比分析，整理所得結果，具體如圖2所示。

圖2 塔基邊坡坡頂處x方向上的應力對比

根據圖3可知，當存在塔基荷載后，與坡頂相距0～3m的區域雖然存在應力變化，但幅度極為微弱；與坡頂相距4～9m的區域，該處的應力呈現出明顯增加的趨勢，且9m深度以內的應力相對穩定，未出現明顯變化[6]。因此，塔基荷載作用的最終結果表現為坡體局部應力的變化，但產生的作用范圍較小，塔基邊坡依然處于較穩定的狀態。

4 結束語

研究引入了三維有限差分數值模擬的方式，借助FLAD3D軟件針對塔基邊坡加以模擬，探尋其穩定性，經分析后做如下幾點總結：

（1）荷載作用是改變塔基狀況的關鍵因素，樁頂與樁端均出現位移現象，但方向有所不同，坡頂處位移總量為4.234mm。其中以樁水平位移較為明顯，該處最大值為4.025mm，但均在許可范圍內，由此說明樁基具備有效承受塔基荷載的能力。

（2）形成塔基荷載后，致使邊坡坡頂處部分區域出現了應力變化現象，相比之下其余區域依然保持原狀態，因此塔基荷載雖然會改變邊坡應力，但并不具備過強的影響力，邊坡依然具備穩定性。

（3）形成塔基荷載后，使得邊坡的部分區域存在拉破壞現象，主要發生于坡頂處，其他區域均未受到過多影響，未產生破壞區，因此荷載對于邊坡穩定性的破壞程度極為微弱。

（4）根據文章的分析，塔基邊坡坡頂處更容易受到荷載的影響，需對該處采取加固措施，以便給特高壓直流輸電線路的穩定運行提供保障。