輸電桿塔極限荷載狀態對滑坡穩定性的影響研究

周英博 陳航 周秋鵬 段志強 高曉晶

摘要：隨著山區城市電力交通建設的迅速發展，高壓輸電線塔不可避免地修建于山坡位置，這給自然邊坡的滑坡帶來二次加載，對邊坡桿塔基礎穩定性產生不利影響。結合工程實例研究了運營期桿塔極限荷載狀態對滑坡和桿塔基礎穩定性的影響。確定了運營期輸電桿塔基礎承受的極限工況，基于規范相關規定，初步評價了桿塔基礎的穩定性。在此基礎上，采用三維數值模擬方法從基礎位移變化和土體塑性區分布入手研究了桿塔基礎荷載狀態對桿塔基礎周圍土體的擾動影響，主要從桿塔基礎位移變化和周圍土體塑性區分布變化分別進行分析，闡明了極限荷載工況下桿塔基礎穩定性與風速及桿塔基礎埋深的相關關系。研究成果可為山區高壓桿塔建設提供一定技術參考。

關 鍵 詞：輸電桿塔基礎; 極限荷載; 滑坡穩定性; 塑性區

中圖法分類號： TU44

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.029

0 引 言

近年來，隨著“西電東送”和全國聯網工程項目的大力建設，作為高負荷電能輸送的載體，輸電線路的安全運行能力一直都備受社會各界的高度關注。電力系統作為國家的重要基礎設施，其安全穩定運行關系到國家經濟和人民生活，一旦發生故障或破壞都將造成巨大的經濟損失，并引發各種次生災害[1]。

作為輸電線路重要組成部分的高壓輸電塔不可避免地要架設在山脊、陡坡邊緣、河邊。而這些區域坡體易產生滑坡災害，導致電力桿塔傾斜、斷線以及跳閘等電網事故。如500 kV跨區電網二灘-自貢輸電線路自投運以來十幾年中，幾乎每年都會發生因滑坡引起的輸電線路設備損壞事件并使線路被迫停運改造。截至2008年，因滑坡、泥石流等自然災害對二自線投入的改造資金已不少于1億元[2]。2007 年 7 月 21 日，連日大雨造成重慶市南岸區最重要的供電線電力鐵塔塔基滑坡，使供應南岸地區 60%的主電源線停止工作，40萬人受到停電影響[3]。

在復雜地質條件下，桿塔除自重外，通常承受較大的風荷載、雪荷載的瞬時或循環作用，對邊滑坡的穩定也帶來極大的威脅。荷載的大小、分布和偏心程度等都決定著基礎的受力狀態與工作特性。當荷載設計不合理或在交變荷載的作用下，地基會出現不同程度的裂縫。這為雨水的下滲提供了通道，為邊坡滑坡失穩埋下隱患。鑒于此，學者對輸電桿塔基礎邊坡滑坡做了大量的研究工作。對于桿塔基礎滑坡的穩定性評價方式和影響因素：李彬等[4]分析了適合黃土邊坡輸電線路桿塔合理位置;何運祥等[5]則利用灰色關聯分析方法研究了各影響參數對輸電桿塔臨坡基礎邊坡穩定性影響的敏感性;吳毅江等[6]基于改進的屬性識別模型，對塔基山坡穩定性進行評價分級。此外，針對外界因素如降雨、開挖和地震作用等如何影響桿塔基礎滑坡穩定性的問題，郭春松等[7]以吳寧-朱云220 kV 線路工程中某塔位作為研究對象，對塔位開挖棄土進行堆積前后穩定性及位移場分析，研究鐵塔基開挖棄土誘發滑坡的變形破壞機制。趙健等[8]以某輸電線路新建鐵塔巖質邊坡工程為依托，分析了開挖陡坡對新建鐵塔巖質邊坡的穩定性的影響。樊柱軍[9]、胡江運[10]、王偉[11]等則分析了暴雨、地震及其組合等工況下輸電桿塔基礎滑坡的穩定性。然而目前研究很少分析桿塔基礎荷載對滑坡及其自身穩定性的影響，對極限荷載工況影響滑坡穩定的研究則更少。

本文研究對象燕子滑坡為一老滑坡，滑坡區平面上呈長舌形，后緣具圈椅狀地形，剖面上呈臺階狀。2016年1月26日在該滑坡中部進行G209國道巴東長江大橋南岸繞城線公路切坡施工過程中，繞城線公路施工方發現滑坡中后部國家電網盤龍一回500 kV過江鐵塔塔基出現變形，原有地表裂縫變形擴展加劇，對過江鐵塔安全構成威脅，且地表裂縫沿北側擴展延伸，使滑坡北側向3戶住房出現嚴重變形，對3戶居民的生命財產安全構成威脅。因此，本文以燕子滑坡及滑坡上500 kV輸電桿塔基礎為研究對象，研究運營期輸電桿塔極限荷載狀態對滑坡和桿塔基礎穩定性的影響。

1 工程背景及桿塔基礎荷載

燕子滑坡區地形坡度前陡后緩，前緣坡度約為25°～40°，后緣坡度為15°～25°，主滑方向310°，居民多將緩坡地帶改造為耕地。滑坡體縱長約400 m，橫寬約150 m，面積約6.00萬m2，滑體平均厚度約10 m，體積約60.0萬m3。500 kV盤龍一回200號塔為巴東大跨越跨江塔，200號桿塔位于巴東縣城信陵鎮西壤坡社區的燕子滑坡體內。圖1是燕子滑坡及200號輸電桿塔現場照片。

以燕子滑坡上的200號輸電桿塔為對象，根據當地的氣象條件，分析了輸電桿塔在正常運行情況（包括最大風速、覆冰）和斷線等情況下桿塔基礎所承受的荷載，如圖2所示。a、b為塔腿根開，θ為側面主材與地面的夾角，其余符號均為在正常運行情況和斷線等情況下計算的荷載符號，包括重力、風壓力、斷線張力等。可以確定，當風速大于20 m/s時，此時為桿塔基礎承受的最大荷載工況。

此外，計算出了桿塔基礎荷載大小與風速之間的關系，如圖3所示。可以看出，桿塔基礎的豎向荷載（包括下壓力N和上拔力N′）和水平荷載（Hx和Hy）基本與風速近似成線性關系，但豎向荷載的增長幅度大于水平荷載。其中y方向是滑坡主滑方向，x方向為垂直滑坡主滑方向。

2 輸電桿塔基礎穩定性驗算

桿塔基礎穩定性主要包括基礎上拔穩定、基礎傾覆穩定、基礎地基承載力，基礎傾覆穩定又分為上拔傾覆和下壓傾覆穩定。綜合現場地形地質因素，假設桿塔基礎為混凝土臺階基礎，基礎主柱和底板均為圓形，如圖4所示。

根據GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》的規定，對于承受較小的橫向荷載的基礎，一般埋深不小于0.6 m，對于承受上拔力較大的鐵塔基礎，應盡量埋深，但不宜超過抗拔土體的臨界深度。根據大量土工試驗，利用土重法可知，對于圓形底板基礎，在堅硬的黏性土下，基礎上拔臨界深度為2倍的圓形底板直徑。因此，為分析桿塔基礎在極限條件下的穩定性，設置了基礎埋深為1，2 m和3 m等3種工況，分別分析桿塔基礎在不同埋深下以及不同荷載下的穩定性。

2.1 基礎上拔穩定性驗算

根據土重法可知，桿塔基礎上拔穩定性需要滿足式（1）。

γfTE≤γEγsγθ1Vt-ΔVt-V0+Qf（1）

式中：γf為基礎附加分項系數，TE為基礎上拔力，γE為水平力影響系數，γs為基礎底面以上土的加權平均重度，γθ1為基礎底板上平面坡角影響系數，Vt為基礎埋深內土和基礎的體積，ΔVt為相鄰基礎影響的微體積，Qf為基礎自重力。為分析方便，把上述不等式的左邊稱為基礎上拔力，右邊為基礎抗拔力。

圖5是不同埋深桿塔基礎上拔力與抗拔力在不同風速下的值。可以看出，基礎抗拔力只與桿塔基礎形式和土體有關，桿塔基礎埋深越大，基礎抗拔力也越大。而基礎上拔力是與風速近似成正線性關系，與埋深無關。對于桿塔基礎埋深超過2 m，其基礎滿足上拔穩定性，而對于基礎埋深為1 m時，當風速小于26 m/s時，基礎滿足上拔穩定性，但當風速大于26 m/s，則不滿足。

2.2 基礎上拔傾覆穩定性驗算

當基礎的水平力和基礎的上拔力同時作用于基礎頂面，由于基礎在上拔工況時產生上拔水平分力，與其平衡的是基礎和土的自重。由力矩的平衡方程可知，桿塔基礎上拔傾覆穩定性需滿足：

γfTEL+HEh1+h2≤QbL（2）

式中：HE為基礎所受水平力，h1為基礎立柱露出設計地面的高度，h2為基礎的埋置深度，L為基礎傾覆穩定時的力臂，Qb為基礎自重力與抗拔土范圍內土體自重力之和。為分析方便，把不等式（2）的左邊稱為基礎上拔傾覆力矩，右邊為抗拔傾覆力矩。

圖6是桿塔基礎上拔傾覆力矩和上拔抗傾覆力矩隨風速變化關系圖。從圖6可以看出，基礎埋設深度為3 m以上時，基礎上拔傾覆穩定性滿足要求;而小于3 m時，則基礎上拔傾覆穩定性需要風速來決定。對于埋深為2 m的基礎，當風速小于27 m/s時，滿足上拔傾覆穩定性。對于埋深為1 m的基礎，當風速大于22 m/s時，達不到上拔傾覆穩定性。

2.3 基礎下壓傾覆穩定性驗算

同樣，在水平推力和基礎下壓作用下，基礎也會產生傾覆的可能。因此，為滿足基礎下壓傾覆穩定性，需要滿足式（3）。

γfHEh1+h2≤Qy+NEL（3）

式中：Qy為基礎正上方的土體重和基礎自重之和，NE為基礎下壓力。同樣地，為分析方便，把上述不等式的左邊稱為基礎下壓傾覆力矩，右邊稱為基礎下壓抗傾覆力矩。

圖7是桿塔基礎下壓傾覆力矩和下壓抗傾覆力矩與風速之間的關系圖。可以看出，基礎下壓傾覆力矩和下壓抗傾覆力矩均隨風速增大而增大。桿塔基礎埋深越大，基礎下壓傾覆力矩和下壓抗傾覆力矩也均相應越大，且增長幅度基本一致。可以發現，不同埋深下的基礎都滿足下壓傾覆穩定性要求。

2.4 地基承載力驗算

輸電鐵塔屬于雙向偏心受力基礎，下壓時需同時滿足式（4）和式（5）。

軸心受壓時：γrfP≤fa（4）

偏心受壓時：γrfPmax≤1.2fa（5）

式中：γrf為地基承載力調整系數，取0.75;P為地基地面處的平均壓力;Pmax為基礎底面邊緣最大壓力;fa為修正后的地基承載力特征值。圖8是桿塔基礎偏心受壓和軸向受壓時基礎底面邊緣最大壓力以及地基承載力與風速的關系圖。

從圖8可以看出：隨著風速的增加，偏心受壓時基礎底面邊緣最大壓力也隨之呈現近似線性增長，但是軸向受壓隨風速的增長幅度小于偏心受壓情況。不同基礎埋深時，軸向受壓、偏心受壓的力均小于對應的承載力，滿足地基承載力要求。

3 桿塔基礎荷載對基礎周圍土體影響

3.1 模型的建立

根據三維地形地質圖，結合GOCAD、Sufer圖形處理軟件以及Ansys有限元建模模塊建立了燕子桿塔基礎滑坡數值模型，進而采用FLAC3D有限差分法進行數值模擬分析。局部三維地質模型及剖面布置圖如圖9所示，以垂直滑坡方向為x軸，以滑坡方向為y軸，以垂直方向為z軸。

建模過程中綜合考慮燕子滑坡的地質結構與巖土特征，燕子滑坡體主要可以分為兩層：上層為堆積的黏土夾碎塊土體，下臥層為泥灰巖。兩層土體均采用彈塑性本構模型，屈服準則采用摩爾庫侖強度準則，其物理力學性質如表1所列。

兩種土層滑面采用接觸單元。模型采用四面體單元進行網格劃分，共劃分單元116 730個，節點22 741個。桿塔基礎采用樁基礎，采用實體單元模擬，桿塔基礎與巖土體之間采用接觸單元。模型中側面為法向約束，底面為固定約束。

為分析桿塔基礎荷載通過桿塔基礎對周圍土體的影響，設置了1-1和2-2剖面，如圖9所示。桿塔基礎按逆向分別為1，2，3號和4號。對于受荷載情況，風速假設沿x正方向，因此，1號和4號桿塔基礎受上拔作用，2號和3號桿塔基礎受下壓荷載。

3.2 位移結果分析

圖10是風速為30 m/s時桿塔基礎的位移，桿塔基礎的最大位移都集中在桿塔基礎頂部，最大值在10-4 m級別，而且桿塔基礎在地表以上部分的位移要比在地面以下大，這是因為基礎受土體約束的影響。受桿塔基礎荷載分布的影響，在x方向，各個桿塔基礎的位移為：4號>3號>1號>2號。在y方向，位移大小排序為：3號>4號>2號>1號。在z方向的位移排序為：3號>2號>4號>1號。對于總位移，排序為：4號>3號>2號>1號。

為了分析桿塔基礎的地基變形是否滿足要求，對各桿塔基礎的頂部和頂部在z方向的位移情況進行整理，如圖11所示。可以看出，在不同風速下，4號桿塔z方向正向位移是最大的，3號桿塔z方向沉降位移基本上是最大的。因此，針對剖面1-1，即3號和4號桿塔，分析了不同風速下桿塔基礎的最大傾斜率，如圖12所示。可以發現，桿塔基礎的最大傾斜率不大于0.000 12，根據規范要求（見表2）可知，桿塔基礎地基變形是滿足要求的。

3.3 塑性區分析

圖13，14是不同風速下桿塔基礎及周圍土體塑性區分布圖。由圖可知：對于剖面1-1，塑性區主要集中在靠近地表的桿塔周圍土體，隨著風速的增加，桿塔基礎周圍土體的塑性區在增加。當風速達到35 m/s時，桿塔基礎周圍土體塑性區面積明顯增大，而且3號桿塔基礎周圍土體塑性區面積一直大于4號桿塔基礎。對于剖面2-2，塑性區的變化和分布基本與剖面1-1一致。此時，4號桿塔基礎周圍土體塑性區面積一直大于1號桿塔基礎。總的來說，桿塔荷載對桿塔周圍土體塑性區影響不大，而且相鄰桿塔基礎的影響也可以忽略不計。

4 結 論

（1） 根據當地的氣象條件，分析了輸電桿塔在正常運行情況（包括最大風速、覆冰）和斷線等情況下桿塔基礎所承受的荷載。結果表明，當風速大于20 m/s時為正常運行情況下桿塔基礎承受的極限荷載工況。

（2） 桿塔基礎埋深超過2 m，基礎滿足上拔穩定性，而對于基礎埋深為1 m時，當風速大于26 m/s則不滿足;基礎埋深為3 m以上時，基礎上拔傾覆穩定性滿足要求，而小于3 m時，基礎上拔傾覆穩定性由風速決定;不同埋深下的基礎都滿足下壓傾覆穩定性要求和地基承載力要求。

（3） 隨著風速的增加，整體滑坡的安全一直保持不變，而對于局部滑坡，其安全系數雖有一定的減少，但是不超過0.003。

（4） 桿塔基礎的最大位移都集中在桿塔基礎頂部，而且最大值不超過0.5 mm，相鄰桿塔基礎基本互不影響。隨著風速的增加，桿塔基礎位移也在增加，增加的幅度與風速增加幅度基本一致;桿塔基礎的最大傾斜率不大于0.000 12，根據規范要求可知桿塔基礎地基變形滿足要求。

參考文獻：

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[11] 王偉，施忠然，王榮.深圳地區降雨引發塔基邊坡災害及防治[J].電力勘測設計，2015（增1）：5-10.

（編輯：鄭 毅）

Influence of extreme load conditions of transmission towers on stability of landslide

ZHOU Yingbo1，CHEN Hang2，ZHOU Qiupeng1，DUAN Zhiqiang1，GAO Xiaojing1

（1.Economic Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Company Limited，Wuhan 430077，China; 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the rapid development of urban electric and transportation construction in mountainous areas，the high-voltage transmission line towers are inevitably built on hillsides or landslides，which is easy to cause secondary loading to the natural side of the landslide，and has a negative impact on the stability of tower base.In view of this，we present a study on the influence of the ultimate load state on stability of the tower foundation and the landslide in the operation period with an engineering example.Firstly，the extreme working conditions of the transmission tower foundation under different operating conditions were determined.Based on the Code for Design of 110-750 kV Overhead Transmission Line（GB 50545-2010），the stability of tower foundation was preliminarily evaluated.On this basis，we used three-dimensional numerical simulation method to study the disturbance from foundation load on soil around the foundation in term of foundation displacement and plastic zone of surrounding soils.We illuminated the relation between foundation stability and wind speed and the embedded depth of foundation.The research results can provide some technical references for construction of high-voltage transmission line tower in mountainous area.

Key words：

transmission tower foundation;ultimate load;landslide;stability;plastic zone