持續強降雨條件下黃土-紅層地區輸電線路塔基場地

王國尚 李朝暉 趙棟 張國明 何永強 魏明強

摘 要：特殊巖土復合地貌區域輸電線路塔基在極端降雨天氣極易出現塔基不穩定問題。通過對臨夏地區黃土-紅層二元結構斜坡上塔基持續強降雨后出現的病害調查，發現黃土-紅層斜坡構成的建筑場地地基穩定性主要受以下因素影響，即地貌人工改造，黃土-紅層的特殊巖土工程性質，持續強降雨對巖土特性劣化，坡體滲流場的變化等。研究表明臨夏地區黃土-紅層斜坡以淺層破壞為主，具有蠕變塌滑特征。持續強降雨導致二元結構斜坡出現平行坡面滲流與土層基巖界面滲流。在考慮飽和狀態下土層參數及滲流場的影響時，斜坡穩定系數遠小于1，因此在氣候變暖極端天氣增多的大氣候條件下，輸電線路工程應考慮暴雨重現期和降雨持時的影響，塔基基礎應嵌入紅層以下一定深度，設計應當考慮淺層土體水平變形，或采用其他工程措施抵消水平應力。

關鍵詞：塔基病害;持續強降雨;塔基穩定;黃土;紅層

中圖分類號：TU433 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0096-06

Abstract：The instability of the tower base of transmission line in the special soil-rock complex landform area is easy to occur in extreme rainfall weather. Through the investigation of the diseases that appeared after continuous heavy rainfall on the tower foundation on the loess-red layer dual structure slope in Linxia area， it is found that the stability of the building site composed of loess-red beds slope is mainly affected by the following factors： artificial transformation of geomorphology， special geotechnical engineering properties of loess-red beds-slope， deterioration of rock and soil characteristics by continuous heavy rainfall， the change of the seepage field of the slope， etc. The study shows that the loess-red beds slope in Linxia area is dominated by shallow failure， with creep-slump characteristics. Continuous heavy rainfall results in parallel slope seepage with dual structure and soil bedrock interface seepage. The slope stability coefficient is much less than 1 when considering the influence of soil parameters in saturated state and seepage. Therefore， the heavy rain recurrence period and rainfall holding time should be taken into account in the transmission line project under the condition of increasing extreme climate. The tower foundation should be embedded in a certain depth below the red beds layer， and the horizontal deformation of shallow soil should be considered in the design， or other engineering measures should be adopted to counteract the horizontal stress.

Key words：disease of tower foundation;continuous heavy rainfall;stability of tower foundations;loess;red beds

0 引言

輸電線路工程地域跨度大，工程環境相對惡劣。隨近年來全球氣候變化，極端惡劣的災害性天氣對電力系統的影響更加頻繁，據統計因全球氣候變化以及極端天氣帶來的電力系統經濟損失在過去的40年里平均上升了10倍[1]。輸電線路遇到地質災害會造成線路損傷，例如地基沉降導致桿塔傾斜[2，3]，降雨、不當削坡棄土導致滑坡與垮塌，山洪、泥石流等造成輸電線路故障。臨夏回族自治州位于甘肅省中部，按照中國地質災害類型區劃[4] 臨夏屬于黃土水土流失、濕陷、崩塌、滑坡、泥石流為主的地質災害區，是全省氣象災害最嚴重的地區之一。截止2015年共41年的統計資料表明，全州共發生294 起地質災害，其中7起危害較大如永靖縣鹽鍋峽鎮黑臺方臺滑坡，東鄉縣灑勒山滑坡，東鄉縣那勒寺鄉三甲村奴拉山滑坡等，其誘發因素均與暴雨有關[5]。臨夏某段330kV輸電線路工程共有塔位70余基，分布于中-高山山坡地帶。2018年9月，輸電線路工程區出現不同程度的斜坡滑塌失穩病害，發生病害的塔基約21基，大部分處于中-高山斜坡區域。斜坡以覆蓋型紅層邊坡為主，即上部土體以黃土為主，下覆第三系紅層，構成土巖組合型斜坡。該區域黃土具有濕陷性，遇水沉陷;第三系紅層成巖時間短，成巖程度差、水敏感性強，斜坡巖土體均屬于特殊性巖土。斜坡坡度在30°左右，坡形呈局部直線或臺階狀。2018年7-8月臨夏地區遭遇了50年一遇的暴雨天氣，降雨量大，持續時間長。本文針對臨夏段塔基病害進行系統調查，從特殊巖土分布特征、強度參數水敏特性、黃土-紅層斜坡滲流特性、極端氣候暴雨至災因子等方面對輸電線路塔基穩定性與斜坡穩定性進行綜合研究，為今后類似地區，特殊巖土組合斜坡下疊加極端天氣條的塔基穩定評價、地基基礎設計、施工維護提出建議和參考。

1 研究區黃土-紅層地貌地質特征

1.1 區域地形地貌及地質構造

臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，地勢西南高、東北部低呈傾斜盆地狀態。境內的積石山、太子山、蓮花山海拔在3000m以上，形成了西南屏障。平均海拔2000m，相對高差達3000m以上，山地面積占總面積的90%。境內溝谷縱橫，沖刷切割劇烈。境內多黃土，大部分山梁、丘陵及峁、嶺、塬、坪、川、谷、盆地，均被黃土層覆蓋，厚度幾米至數十米不等，局部地區的黃土覆蓋厚度更大。由于獨特的黃土地貌和人類活動的影響，使臨夏州成為地質災害最嚴重的地區之一。

研究區屬祁呂賀山字型構造體系前緣西翼東南端，臨夏——臨洮凹斷陷的一部分。由青藏高原東北緣雷積山深大斷裂、秦嶺北深大斷裂和祁連山東延余脈馬銜山圍成的一個具有山前拗陷性質的盆地，屬第三紀大型隴中盆地的西南隅。盆地中新生界非常發育，大致以臨夏市大夏河近南北向的正斷層為界，可將盆地一分為二。西盆地主要位于正斷層的下降盤并緊接青藏高原，第三紀紅層厚達1600多米，并已強烈變形和褶皺，東盆地主要位于正斷層的上升盤，僅南側與西秦嶺相接，構造相對穩定。第三紀紅層在盆地中部僅厚約400～500m，地層水平，延伸穩定[6]。

1.2 線路區地形地貌

研究區線路走徑區地形地貌屬于山地及丘陵地貌，地形起伏，相對高差較大。山區溝壑發育，溝谷切割密度高，坡陡谷深，多數溝谷呈“V”字型，溝床比降一般大于7%，切割深度一般較大，沖溝內多無常流水，但季節性流水較大。發生斜坡變形的區域在地貌上基本都屬于山地斜坡地貌，微地貌呈現出不同坡度的斜坡與寬窄不一的平臺、陡坎交互分布特征。塔基基本位于平臺區域或坡度相對較緩的斜坡上。典型地貌詳見圖1。經測繪分析出現病害的塔基地形坡體總體坡度20～30°，坡體經人工改造形成多級梯級，平臺為耕地，坡體完整，均具有局部陡坎或局部陡坡，坡度17～26°，分布于坡體中部，塔基區域坡度9～11°，平緩區域寬窄不一，隨山體整體地形變化。塔基所處場地地形整體特點是平臺區域后緣是上一級斜坡陡坎下的坡腳，平臺前緣也是下一級斜坡陡坎之上的坡肩，平臺陡坎分布示意詳見圖2所示。

2 研究區塔基病害調查及分析

通過現場調查發現，塔基病害表現為以下幾種形式：塔基暫時穩定，塔體保持設計的垂直度，沒有出現傾斜，塔體桿材沒有出現變形，塔基場地平臺前緣塔腿基礎附近出現平行于斜坡走向的拉裂縫或前緣陡坎產生塌滑如圖3;塔基場地出現不均勻沉降和水平變形，平臺后緣陡坎及平臺前緣陡坡均發生塌滑，裂縫從塔腿之間延展。

出現病害的時間主要集中在7-8月，現場調查時既有地表水沿塔基平臺區域流淌，也有地下水沿土巖界面從平臺下方陡坎出露，水量較大。某些塔基平臺前緣陡坎出現含水率差異分布，陡坎底部聚水。某塔基現場開挖基樁樁底已浸泡于水中如圖4所示。

除1個病害塔基位于階地外，其他均位于中高山斜坡區域。塔基基礎為人工挖孔灌注樁，進入黏土巖1m左右。病害塔基場地地層均為上部黃土下部黏土巖夾砂巖。黃土層以粉土、粉質粘土為主，土層厚度0.5～2.8m的病害塔基場地占90%。

3 黃土紅層二元斜坡的物理力學特性及水理特性

3.1 黃土物理力學特性

選擇研究區典型病害塔基場地開挖探井采用原狀土樣，按照國標土工試驗方法標準進行室內物理力學性質試驗[7]，力學實驗主要指固結快剪試驗。試驗結果分別見表1～表3。飽和狀態下斜坡上覆黃土層的粘聚力下降9.1%～30%，內摩擦角下降11.8%～20.1%。粉土具有Ⅱ級自重濕陷性，粉質粘土具有Ⅰ～Ⅱ級自重濕陷性。

3.2 紅層物理力學特性

研究區下伏地層為第三系基巖，大多呈褐紅色-橘紅色等，因此又稱為第三系紅層。該層成巖時間短，膠結弱，隨黏土礦物含量不同出現不同的膨脹特性，遇水易產生崩解、失水干裂，易受擾動，工程穩定相差，開挖暴露后風化速度極快，強度急劇降低。據文獻報道，水利工程中因基礎失穩而失事的13座重力壩中就有9座壩基為紅層[8]，說明紅層壩基穩定存在較大問題。西南地區 50 年代修建的成昆鐵路、成渝鐵路、寶成鐵路等鐵路不同程度的穿過紅層分布地區[9]。在鐵路工程建設過程因坡體開挖和填筑路基誘發了大量的工程滑坡和古滑坡復活。

本研究采用荷蘭帕納科（PANalytical）公司粉末X射線衍射儀，對場地典型巖樣進行了化學成分分析，結果表明SiO2含量為主，在砂質泥巖和黏土巖中含量分別為69%和44%。Al2O3、MgO各占8%～9%，Fe2O3、FeO、K2O、MgO、Na2O、TiO2、含量小于3%，其他約占3%。臨夏地區第三系紅層物理力學指標見表4。

3.3 黃土-紅層水理特性

研究區黃土成分為粉土和粉質粘土，縱向分布不均勻，現場取樣按照天然平均含水率18%，天然干密度度17g/cm3制作擾動樣，進行變水頭滲透試驗滲透系數范圍值7.05×10-7cm/s～3.85×10-7cm/s。臨夏紅層水理性質[10]見表5。甘肅省第三系紅層吸水率在0.56%～18.12%，平均值為7.46%。泥巖最大為 10.79%，底礫巖最小為 1.44%.砂巖 6.82%，砂礫巖 6.98%。隨細顆粒含量增加，巖石吸水率增高。甘肅紅層含水率在 1.38%-18.08%，平均值為 9.25%。泥巖 12.35%，砂巖 12.28%，砂礫巖 7.12%。新近系平均 10.94%，古近系8.29%。隨細顆粒增多，泥巖含水率大于砂礫巖含水率[10]。研究區黏土巖磚紅色，層狀結構，塊狀構造，泥質膠結，水平層理明顯，產狀近于水平，巖體破碎，粘土巖遇水易軟化，表層1.0～2.0m強風化。膨脹性較弱透水性較差。

研究區潛水主要賦存于巖體裂隙及部分土體的孔隙中，埋深較小。水力坡降主要受地形控制，同時降雨量對其埋深及水力起降影響較大。主要受大氣降水、高山冰雪融化水的補給，水量較豐沛，排泄于臨近的地表水系中。斜坡土層有上層滯水分布，主要賦存于表層黃土層中的局部隔水層之上，大氣降水補給，水量完全受大氣降水控制，對斜坡穩定性影響極大。

4 塔基病害區域降雨特征

降雨是引起滑坡的主要原因之一。1949～1995年期間我國滑坡災害中68.5%由降雨引起[11-12] 。研究表明，降雨顯著降低邊坡的穩定性，主要表現在以下幾個方面：降雨入滲引起土體內部基質吸力降低，從而導致土體強度降低;土壤含水率在降雨中上升，同時地下水位上升引起邊坡破壞;降雨期間加大了土體的滲透系數。暴雨往往是紅層地區地質災害的直接誘發因素。基于甘肅省29個氣象站1968～2017年的降水數據[13-15]，甘肅省暴雨主要出現在汛期（5～9月），特別是主汛期（7～8月）是暴雨發生最集中的時段。甘肅臨夏地區和政氣象站距離發生病害的塔基約11km，可以地代表發生塔基病害的典型區域的氣象特征。該氣象站海拔高程約2162.8m，選擇和政氣象站為參證站，收集了和政站近37年及2018年逐日降雨資料。圖5、圖6圖7分別是研究區和政氣象站1981～2017年累年各月平均降雨量、2018年各月降雨量和2018年7～8月日降雨量。可以看出2017年以前月最大降雨量小于120mm，而2018年8月降雨量為294mm，近37年以來，和政平均日最大降雨量約45mm，2018年7月份日最大降雨量為72mm （發生在2018年7月19日），是平均值的1.6倍。2018年7、8月份降雨。

量遠大于近40年中的最大值;該地區各塔基工點降雨量大小受微地形地貌影響具有較大差異，大暴雨中心強度常出現在迎風坡等上升區域內（地形與風場切變區域）;大暴雨之前有較長的前期降水量累計，5、6月份即開始進入降水量增長期，前期降水量使得地層含水量逐步達到飽和狀態。

5 塔基場地穩定性分析

場地在建筑抗震設計規范[16]中是這樣定義的“工程群體所在地，具有相似的反應譜特征。其范圍相當于廠區，居民小區和自然村或不小于1.0km2的平面面積”。場地穩定性根據巖土工程勘察基本術語標準的定義，指擬建場地是否存在導致場地滑移、大的變形和破壞等嚴重情況的地質條件，如存在這種條件，即認為場地不穩定。輸電線路工程中塔基的場地占地范圍相對小，每個塔基所在區域只有塔基和塔體，因此輸電線路塔基場地穩定問題基本就是塔基地基穩定問題。

研究區黃土-紅層斜坡地貌上出現病害的輸電線路塔基基本上采用樁基礎，隨黃土層厚度和基巖埋深變化樁長范圍值4.7～9.1m，樁端嵌入第三系紅層深度0.7～3.0m。研究區2017年以前的整個線路勘察設計表明相似的地貌單元地層巖性上的塔基保持著正常的使用狀態。而2018年7～8月之后，發生大范圍的塔基基礎變形和水平位移。根據現場調查，發生塔基嚴重變形的場地表現為上部土體發生塌滑，土巖界面有地下水滲出，斜坡以淺層破壞和土巖界面破壞為主要特征，塌滑擾動深度大部分在2.0m左右。因此在全球氣候逐漸變暖，極端天氣增多，持續強降雨條件下，黃土-紅層二元斜坡地貌上的輸電線路塔基場地穩定性評價，以及塔基基礎設計應當引入氣候變化因子，具體可以從以下角度進行穩定分析評價。

5.1 持續強降雨條件下的斜坡穩定分析

采用持續強降雨條件下的土層參數、土巖界面參數、滲流模型，進行土坡穩定計算和評價，根據計算結果進行塔基基礎形式選擇設計計算，嵌固深度要考慮第三系紅層上部容易受水浸濕，強度劣化的特點。根據現場出現病害的樁基礎，嵌入紅層深度普遍小于2.0m，考慮持續強降雨條件下的樁基嵌入基巖深度應大于3m，并考慮上部土層的水平側壓力。以144#塔基為例，塔基場地天然工況設計參數為粉質粘土容重20.7kN/m3，泊松比0.4，楊氏模量2162kPa，內摩擦角17.4°，粘聚力14.65kPa;強風化紅層容重25.1kN/m3，楊氏模量30000kPa，內摩擦角24°，粘聚力32kPa。分別采用極限平衡法和有限元強度折減法，對正常工況和暴雨工況的斜坡進行穩定性計算，計算剖面見圖8，圖9，計算結果表明，天然工況下采用極限平衡法進行穩定性分析，穩定性系數為1.263，采用有限元分析，強度折減系數為1.09;暴雨工況下，采用極限平衡法進行穩定性分析，穩定性系數為0.863，采用有限元分析強度折減系數為0.89。該分析計算結果與現場實際調查結果相一致，即在2018年以前斜坡整體穩定性好，2018年持續強降雨條件下，斜坡產生滑塌破壞。

5.2 臨界暴雨強度判斷斜坡穩定性

暴雨往往是紅層地區地質災害的直接誘發因素，氣象預報關于降雨等級的劃分為：大雨 > 25mm /24h， 暴雨 > 50mm /24h。滑坡臨界暴雨強度是指造成一個地區大量出現滑坡的最小降雨量，一般采用日降雨量確定一個地區的臨界暴雨強度[17]。研究表明四川盆地滑坡臨界暴雨強度為200mm/d，陜南地區的暴雨滑坡與前期雨量有較為明顯的關系，滑坡臨界暴雨強度為70mm/d。不同地區臨界暴雨強度有很大不同，受地層、巖性、構造、滑坡特征、多年降雨量等因素影響。臨夏地區的斜坡蠕變滑塌具有堆積滑坡的諸多特點，即滑面相對較陡，滑體重力對滑坡穩定性影響較大，所以滑體的飽水、滑帶力學強度的降低、滑面充水形成的浮托力對滑坡的穩定性均會產生明顯的不利影響，堆積土滑坡臨界暴雨強度值比較低，同時臨界暴雨強度還與前期降雨量有關。

根據臨夏地區近年來降雨資料特別是2018年5～9月降雨資料，分析發現，5～6月平均降雨量低于歷年平均降雨量，斜坡土體處于相對干旱氣候，進入7月后遭遇近40年最大月降雨量，其中7月18日降雨量達到73.3mm/d，為暴雨，暴雨之前7月上旬連續斷續降雨多達6d，其中3d降雨量超過20mm/d，7月15日降雨量10.5mm，7月18日遭遇暴雨，在暴雨之前有明顯的數量可觀的前期降雨累積，因此7月18日當天及其后2～3d發生了大量的斜坡滑塌、泥石流等地質災害。8月2日又遭遇暴雨，日降雨量達到69.6mm/d，之后有13天經歷降水，其中出現5d日降雨量超過20mm/d。8月2后之后又有大量斜坡滑塌以及淺層滑坡出現。

根據以上和政縣氣象降雨資料、斜坡失穩、泥石流災害發生時段調查，可以明確判斷出大量斜坡塌滑與暴雨日和前期降雨量關系密切。研究區斜坡構造大多為土巖組合斜坡，即堆積土斜坡，且堆積土厚度不大，以粉土粉質黏土為主，飽和滲透系數根據室內室內滲透試驗為0.33～0.61mm/d，根據植被覆蓋、降雨誘發滑坡資料等，建議臨界暴雨強度按60mm/d考慮。根據該參數可以對研究區內塔基斜坡進行極端氣候觀測預警，也可根據近年來降雨降雨量趨勢，調整設計對斜坡的設防等級。

6 結語

通過對臨夏黃土紅層地區輸電線路塔基病害調查分析，開展構成斜坡土體巖體的特殊工程特性與水理特性研究，以及研究區極端氣候持續強降雨特征，得出以下結論。

（1）臨夏黃土紅層輸電線路塔基場地在自然條件下基本呈穩定狀態，具有一定的斜坡安全性儲備。但在持續降雨極端天氣和暴雨天氣條件下，斜坡上部土體飽和，強度降低，土層中局部出現上層滯水，土巖結合面出現滲流，潛在破壞面逐漸發展聯通，形成以塌滑、蠕滑表層變形的斜坡破壞模式。

（2） 研究區2018年汛期遭遇近40年極端天氣，暴雨大雨天氣頻繁，暴雨之前有較大的前期降雨量，具備淺層滑坡的觸發因素。初步推斷臨夏地區臨界暴雨強度約為60mm/d。

（3） 塔基設計中要充分考慮斜坡蠕變塌滑產生的水平應力，加深基礎在基巖中的嵌固深度，扣除可能浸水軟化的深度，建議樁端進入中風化基巖，抵抗基巖浸水軟化后強度降低產生的不利影響。

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