極端工況下滑坡區(qū)超高壓輸電線路桿塔基礎失穩(wěn)評估分析

黃晨忱,殷坤龍,梁 鑫,劉真意,劉謝攀

(中國地質大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074)

高壓架空輸電線路是一種由桿塔支撐連接而成的跨區(qū)域線性工程，桿塔的穩(wěn)定對輸電線路的安全運行起著決定性的作用。然而，高壓架空輸電線路穿越的復雜地貌單元極易發(fā)生地質災害，滑坡作為最常見的地質災害會破壞桿塔基礎或促進桿塔整體運動，威脅到高壓輸電線路的穩(wěn)定運行。滑坡地質災害引起的地面變形，使得坡體上的桿塔基礎隨著地面變形產生移位，繼而桿塔鋼材出現(xiàn)彎曲變形，從而導致桿塔產生傾斜。當桿塔傾斜度超過一定程度，會使輸電線路發(fā)生故障，線路中斷而不能正常輸電，相應的后果(如倒塔、大規(guī)模停電)將會造成嚴重的社會不利影響和經濟損失。因此，對滑坡上的桿塔傾斜度進行定量計算，對于保障架空輸電線路平穩(wěn)運行具有十分重要的作用。

國內外許多學者已經針對極端降雨和人類工程活動兩種滑坡誘發(fā)因素進行了全面性的研究。強降雨是誘發(fā)淺層滑坡的關鍵因素，如常金源等以Green-Ampt入滲模型為基礎，考慮了動水壓力的作用，建立了降雨入滲條件下淺層滑坡的概念模型，分別推導了降雨前有、無地下水水位條件下的邊坡安全系數與降雨時間的關系表達式；梁鑫等基于有限元方法建立了滑坡流-固耦合計算模型，在考慮滑坡瞬態(tài)滲流引起的土骨架變形和滲透系數變化的基礎上，分析了降雨條件下滑坡滲流、應力-應變和穩(wěn)定性的變化規(guī)律。修建公路產生的坡腳開挖也是造成滑坡變形破壞的重要因素，如彭男等研究了不同開挖角度和不同降雨強度下滑坡的變形破壞規(guī)律,得出滑坡開挖角度越大，滑坡受降雨的影響越小的規(guī)律；Wasowski通過研究意大利卡拉曼尼科地區(qū)的滑坡發(fā)現(xiàn)，人為或自然因素產生的滑坡形態(tài)改變以及強降雨作用都是滑坡發(fā)生的重要因素;Younus等利用兩種不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法，模擬了檳城島Tun-Sardon地區(qū)發(fā)生在3.9 km處的淺層滑坡的破壞機理，結果表明淺層滑坡破壞是在邊坡內部局部引發(fā)的，然后進一步傳播從而引起邊坡整體破壞。

雖然輸電線路桿塔基礎會選擇安全穩(wěn)定的地帶，但由于其一般處于山區(qū)，極易受滑坡等地質災害的影響。架空輸電線路是“點—線”工程，主要是桿塔基礎受到地質災害的直接作用，很多學者針對輸電線路桿塔基礎受地質災害影響之后的治理工程展開了研究。如陳英等以黃(巖)達(州)線157號塔基滑坡災害為例，研究了超高壓輸電線路塔基滑坡災害特征與治理措施；郭禮波等以川藏聯(lián)網輸電線路工程西藏段為例，針對沿線不同的地質災害類型，開展了地質災害對桿塔穩(wěn)定性影響機理的分析；張衡等總結了滑坡對線路工程的危害,分析得出了巖質滑坡和土質滑坡邊緣至桿塔基礎底面外邊緣的水平距離的計算公式；馮德泉結合桿塔基礎的特點，分析了桿塔基礎處常見的滑坡災害形式，并研究分析了滑坡治理措施。

現(xiàn)有的研究主要針對的是滑坡災害，鮮有學者考慮慢速堆積層滑坡累積變形對輸電線路桿塔的持續(xù)影響，以及輸電線路桿塔變形的定量化表征問題。巴東縣燕子滑坡受G209國道公路切坡施工的影響產生了變形，處于此滑坡體中部的“盤龍I回”500 kV輸電線路某跨江桿塔基礎底面原有地表裂縫也隨著滑坡變形擴展加劇，桿塔基礎變形對桿塔整體穩(wěn)定構成了巨大的威脅。為此，本文以巴東燕子滑坡以及位于滑坡體上的“盤龍I回”500 kV超高壓輸電線路某跨江桿塔為研究對象，基于野外實際調查和專業(yè)監(jiān)測數據，利用數值模擬手段，研究了極端降雨和開挖條件下燕子滑坡的穩(wěn)定性和地表變形特征，并建立了滑坡地表變形與超高壓輸電線路桿塔傾斜度的定量化轉化公式，可用于認別慢速滑坡多發(fā)地區(qū)超高壓輸電線路桿塔的傾斜程度。

1 滑坡基本特征

1.1 滑坡概況

燕子滑坡位于巴東縣信陵鎮(zhèn)西壤坡社區(qū)九組，地理坐標為110°19′49″E、31°2′19″N。滑坡前緣高程為293 m，后緣高程為400 m，面積約6 m，體積約60萬m。該滑坡的形態(tài)呈長舌狀，縱向長為400 m，橫向寬為150 m，“盤龍I回”500 kV超高壓輸電線路某跨江桿塔位于滑坡中部，見圖1。

圖1 燕子滑坡平面圖

1.2 滑坡地形地貌及物質組成

燕子滑坡所處地區(qū)屬構造剝蝕斜坡地帶，處于長江南岸，原始地面坡度多為10°～25°，某跨江桿塔西北側由于209國道開挖形成高約10～16 m的邊坡，坡向西北，坡度為60°～70°,見圖2。

圖2 燕子滑坡剖面圖

燕子滑坡內地形相對平緩的斜坡表部多為第四系殘坡積物(Q)覆蓋，厚度約為0.5～3.0 m不等，由粉質黏土夾碎塊石組成，碎塊石成分為砂巖，塊石粒徑為3～10 cm，大者達30 cm，土石比為6∶4，結構松散。燕子滑坡區(qū)及周邊出露的地層主要為三疊系巴東組第二段(T

b

)紫紅色砂巖，上覆不同成因類型的第四系松散堆積物。

1.3 滑坡變形情況

燕子滑坡自2002年以來，受降雨作用的影響，發(fā)生過多次蠕滑變形，滑坡體中后緣出現(xiàn)多處地表拉張裂縫。2016年因燕子滑坡中部進行公路切坡，公路施工方發(fā)現(xiàn)該滑坡中后部的“盤龍I回”500 kV超高壓輸電線路某跨江桿塔基礎出現(xiàn)了變形(見圖3)。該桿塔基礎裂縫總寬度為105 mm，桿塔基礎護面及周邊土層存在原有約7 cm的裂縫,見圖4。

圖3 2016年2月5日至3月16日桿塔基礎的變形情況

圖4 桿塔基礎的變形情況

由圖3可見，從2016年2月5日至3月16日，該桿塔基礎裂縫寬度共累計增加了35 mm。其中，2月5日至2月16日，該桿塔基礎裂縫寬度累計增加了18 mm，平均日增量為1.5 mm；2月16日至3月3日，該桿塔基礎裂縫寬度累計增加了4 mm，平均日增量為0.25 mm，裂縫寬度變化趨于緩慢；從3月4日開始，該桿塔基礎裂縫寬度按平均日增量1.0 mm增長，且仍有增大的趨勢。同時，該桿塔主材、斜材出現(xiàn)輕微彎曲，4根基腳發(fā)生彎曲移位。為了保證電力的正常輸送，防止該桿塔發(fā)生進一步的變形，選擇將該跨江桿塔遷移至滑坡外東南方向，距老桿塔約200 m處，見圖5。

圖5 桿塔位置示意圖

2 滑坡穩(wěn)定性和桿塔傾斜度計算方法

本文采用有限元數值模擬軟件Geo-Studio計算滑坡的穩(wěn)定性和應力-應變。

2.1 非飽和滲流理論

本文采用Geo-Studio軟件中的SEEP/W模塊模擬降雨，該模塊主要基于達西定律進行計算，其計算公式為

q

=

ki

(1)

式中：

q

為單位體積的流量(m/s);

k

為滲透系數(m/d);

i

為總水頭梯度(無量綱)。在非飽和土中，滲透系數

k

等于達西流速除以單位體積的含水量，而SEEP/W模塊中使用的正是達西流速，即：

v

=

ki

(2)

式中：

v

為達西流速(cm/s)。

2.2 滑坡穩(wěn)定性計算方法

本文采用Geo-Studio軟件中的SLOPE模塊模擬斜坡穩(wěn)定性，該模塊提供了多種基于極限平衡力的滑坡穩(wěn)定性計算方法。

極限平衡原理中的Morgenstern-Price法是一種適用于任意形狀的滑動面、且滿足各土條力的主向量為零和主力矩為零的靜力平衡原理下的滑坡穩(wěn)定性計算方法。根據其力學模型、幾何條件和靜力平衡方程，有:

(3)

可解得其平衡條件為

(4)

式中：

α

、

α

-1、…、

α

均為條塊底邊與水平線的夾角(°);

P

、

P

-1、…、

P

均為條塊底面所受的法向力(kN)；

e

、

e

-1、…、

e

均為條塊底面所受的垂向力(kN)。為了使滑坡體達到極限平衡狀態(tài)，必須在滑坡體上施加一個臨界水平加速度

K

。當

K

為正時，方向向坡外;當

K

為負時，方向向坡內。

K

的大小由公式(4)確定。

2.3 桿塔傾斜度計算原理

桿塔基礎通過與塔腳連接，把桿塔上部荷載傳遞至穩(wěn)定的地基。桿塔基礎的穩(wěn)固、安全是整個架空輸電線路能否正常運行的根本。對于處于滑坡內部的桿塔而言，滑坡直接作用于桿塔的基礎部分。在滑坡推力作用下，桿塔基礎將發(fā)生變形。經過調查發(fā)現(xiàn)，滑坡對于桿塔的主要破壞模式為滑坡的局部變形使得桿塔基礎產生裂縫，進而造成桿塔傾斜。傳統(tǒng)的鉛錘法、經緯儀、平面鏡法測量桿塔傾斜度，主要適用于因風振動或覆冰造成的桿塔上部傾斜，然而缺少慢速堆積層滑坡的長期影響下桿塔基礎傾斜的定量化計算。

當桿塔基礎地表因慢速滑坡蠕變而發(fā)生緩慢位移時，桿塔基礎受到滑坡土體的推擠而產生變形，桿塔基礎的4個樁會產生一定的拉伸變形(見圖6)，由于桿塔是一剛性物體，因此桿塔會隨著基礎的變形產生傾斜。在《架空輸電線路運行狀態(tài)評估技術導則》(DL/T 1249—2013)中對于桿塔傾斜度的定義是：桿塔傾斜度=桿塔頂端與桿塔垂直軸線傾斜距離/桿塔高度×100%。因為一個桿塔有4個基礎，桿塔頂端投影幾乎與桿塔基礎地面中心點重合，見圖7。考慮到滑坡對于桿塔的破壞是針對桿塔基礎的破壞，且桿塔頂端的變形不易測量，而500 kV高度50 m以上超高壓輸電線路的桿塔最大允許傾斜度為0.5%，即桿塔允許的傾斜角度

θ

極小，由于當

θ

極小時,tan

θ

=sin

θ

即

BD

=

BC

(見圖6)，故可以認為桿塔頂端與桿塔垂直軸線傾斜距離近似地與桿塔基礎水平運動距離相等。

圖6 桿塔傾斜立面示意圖

圖7 桿塔基礎發(fā)生變形導致的傾斜示意圖

桿塔傾斜度可以表征為

(5)

式中：

Q

為桿塔傾斜度(%)；

d

為桿塔基礎中心點偏移距離(m)；

H

為桿塔高度(m)。

桿塔基礎的變形與其所處位置的地表變形相關。桿塔基礎受到滑坡土體的推擠而產生變形，因此地表變形不能完全等效于桿塔基礎變形，而通過地表水平變形折減系數，可將地表變形轉換成桿塔基礎變形。但由于缺乏對于桿塔基礎變形與地表變形相關關系的研究，此處參考建筑物變形與地表變形的計算公式，提出桿塔基礎變形與地表變形之間的定量化轉化計算公式，以此來分析桿塔基礎變形與地表變形的關系。其計算公式如下：

ε

=

α

ε

+

b

(6)

式中：

ε

為桿塔基礎水平變形量(mm);

ε

為地表水平變形量(mm)；

α

為地表水平變形折減系數(無量綱);

b

為線性常數(無量綱)，一般很小，可忽略不計。

3 滑坡計算參數及工況選取

3.1 計算參數選取

根據燕子滑坡勘察報告中的室內試驗數據，結合三峽庫區(qū)滑帶土抗剪強度參數的統(tǒng)計規(guī)律研究，采用工程地質類比法及反演分析來綜合確定燕子滑坡巖土體的物理力學參數，見表1。

表1 燕子滑坡巖土體的物理力學參數

因2016年2月6日至17日該滑坡每日平均地表位移量最大，故采用當時實際降雨量用于模擬，選用的滑坡巖土體的物理力學參數見表1，擬得到實際降雨強度下燕子滑坡地表位移量，見圖8。

圖8 參數反演2016年2月5日至2月16日燕子滑坡1號裂縫處地表位移量

由圖8可見，通過模擬得到的燕子滑坡1號裂縫處地表位移量為17.76 mm，與實際情況(2月12日該滑坡地表位移量為18 mm)基本吻合；同時，該滑坡的整體穩(wěn)定性很好，其穩(wěn)定性系數達到1.270。因此，可以認為表1選用的滑坡巖土體物理力學參數合理。

3.2 計算工況

本文結合巴東縣降雨情況和G209國道現(xiàn)有公路開挖情況(見圖9)，對燕子滑坡計算工況進行了分析。降雨工況通過統(tǒng)計1970—2019年巴東縣的降雨數據獲得。首先根據巴東縣50年降雨滑坡事件所對應的當日至前十日逐日降雨數據，綜合考慮當日降雨及前期降雨的共同影響，利用 SPSS 軟件內雙變量分析方法中的皮爾遜模型對滑坡發(fā)生與1～10日前期降雨因子進行相關性分析，并計算相關性系數，結果顯示巴東縣滑坡發(fā)生與前6日連續(xù)降雨的相關性最大；然后采用耿布爾模型計算極值降雨重現(xiàn)期，取20年、50年一遇6日連續(xù)降雨和24日滲流作為降雨計算工況。開挖工況根據《架空輸電線路運行狀態(tài)評估技術導則》(DL/T 1249—2013)中對于桿塔基礎周圍巖土體缺失情況的規(guī)定進行選取，該導則中規(guī)定桿塔基礎周邊巖土體缺失，距桿塔塔腳不得小于5 m。因此，選取距桿塔塔腳5 m和10 m分別進行開挖工況模擬。燕子滑坡具體計算工況，見表2。

圖9 G209國道現(xiàn)有公路開挖情況

表2 燕子滑坡計算工況

3.3 計算模型

根據燕子滑坡Ⅰ-Ⅰ′剖面建立二維計算模型，滑體設置為粉質黏土夾碎塊石，基巖為泥質粉砂巖。運用Geo-Studio軟件中的SEEP/W模塊進行降雨滲流模擬，SIGMA模塊進行滑坡地表變形模擬，SLOPE模塊進行滑坡穩(wěn)定性計算。

4 滑坡變形破壞分析

對20年、50年一遇兩種降雨情況分別進行瞬態(tài)滲流計算，連續(xù)降雨6日、滲流24日，共歷時30日。將降雨滲流結果導入到SLOPE模塊中，采用Morgenstern-Price法對不同工況下燕子滑坡整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性進行計算，得出滑坡整體和最危險滑動帶的穩(wěn)定性系數，其計算結果見圖10、圖11和表3。

由圖10、圖11、表3可以看出：

圖10 1-1工況下燕子滑坡整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性示意圖

圖11 1-2工況下燕子滑坡整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性示意圖

表3 燕子滑坡穩(wěn)定性計算結果

(1) 對比同一開挖情況下不同的降雨量工況，降雨量增加后燕子滑坡整體穩(wěn)定性系數以及根據地表變形情況搜索出的最危險滑動面的穩(wěn)定性系數均會降低。可見，暴雨對燕子滑坡的穩(wěn)定性有巨大的影響。

(2) 按工況2進行道路修坡開挖后，燕子滑坡的穩(wěn)定性相較于另外兩種工況有明顯的提高，這是因為此行為起到了削方減載的作用，使得滑坡的方量減少，從而導致滑坡的穩(wěn)定性升高；按工況3進行道路修坡開挖后，燕子滑坡的穩(wěn)定性相較于另外兩種工況有明顯的降低，這是因為開挖量較小，開挖位置處于滑坡中部，這一行為改變了滑坡體中部的應力分布，抗滑段土方開挖導致滑坡抗滑力減小、下滑力增大，因此滑坡整體穩(wěn)定性降低。

(3) 經計算，在各工況下燕子滑坡整體穩(wěn)定性系數大于1.15，因此認為燕子滑坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；但該滑坡在降雨作用下，局部滑動面的穩(wěn)定性系數小于1.05，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，因此需要對燕子滑坡局部進行治理。

5 桿塔傾斜分析

為了研究極端工況下滑坡地表變形對于桿塔傾斜的影響，對極端降雨和不同開挖情況下桿塔基礎中心點處的地表水平位移量進行了模擬，其模擬結果見圖12和圖13。

圖12 20年一遇降雨條件下桿塔基礎中心點的地表水平位移量

圖13 50年一遇降雨條件下桿塔基礎中心點的地表水平位移量

由圖12和圖13可見，在不同開挖情況下，桿塔基礎中心點處地表均產生了拉伸變形，其地表水平位移量呈現(xiàn)先減小后微小回彈并趨于穩(wěn)定的趨勢，這主要是由于在降雨作用下滑坡體地表變形較為明顯，隨著降雨的停止，降雨滲入土體深處，地表變形趨于穩(wěn)定；工況3導致的桿塔基礎中心點處地表水平位移量是最大的，這是因為開挖量最小，桿塔前方仍有大量的土體，在降雨之后，滑體物質重度增大，使得滑坡體地表水平位移量增大。

雖然桿塔基礎中心點處地表存在變形，但是并不能完全等效為桿塔基礎的位移量，參考建筑物地表水平變形比例系數，選取

α

=0.892 7。根據公式(6)，將桿塔基礎中心點處地表水平位移量轉換成桿塔基礎地表水平位移量。根據桿塔設計資料，“盤龍I回”500 kV超高壓輸電線路某跨江桿塔高為50 m，即

H

=50 m，利用公式(5)可計算出該桿塔已有傾斜度為0.187%。不同工況下該桿塔傾斜度計算結果，見表4。

表4 桿塔傾斜度計算結果

《架空輸電線路運行狀態(tài)評估技術導則》(DL/T 1249—2013)中規(guī)定50 m及以上高度鐵塔最大允許傾斜度為0.5%。由表4可知，桿塔傾斜度模擬值均未超出標準規(guī)定的允許傾斜度，但利用累計位移(模擬位移值與已有裂縫寬度之和)得出的桿塔傾斜度在現(xiàn)有開挖情況下已處于臨界狀態(tài)，在工況3-2下桿塔傾斜度模擬值已經超出標準規(guī)定的允許傾斜度，因此該桿塔需要搬遷。現(xiàn)實情況是桿塔已經搬遷，說明計算公式對于判斷桿塔的安全穩(wěn)定性具有有效性。

通過對燕子滑坡穩(wěn)定性和桿塔傾斜度進行分析可知，對桿塔基礎穩(wěn)定性造成重大威脅的是滑坡變形，但滑坡產生變形不一定意味著滑坡整體失穩(wěn)。在更普遍的情況下是滑坡雖有變形，但并未發(fā)生整體滑動，然而鐵塔的基礎正好處于滑坡局部較大變形區(qū)域，而且由于桿塔所能承受的變形量極小，當慢速滑坡發(fā)生緩慢變形時，桿塔基礎將會隨著滑坡變形而發(fā)生傾斜破壞。

6 討 論

巴東地區(qū)三疊系巴東組紅層邊坡中存在多層軟弱夾層，川東紅層滑坡因靜水壓力作用導致滑帶土受剪切致使其剪切強度下降，因此滑坡緩慢滑動產生地表變形。巴東縣燕子滑坡因為修路開挖形成局部的臨空面，局部開挖導致臨空坡腳和局部坡頂產生剪應力集中，因此坡頂部位產生拉張變形。當滑帶所受剪切應力達到或超過滑帶土的流變下限時，斜坡便可能出現(xiàn)緩慢蠕滑變形。降雨入滲導致滑坡體內地下水水位抬升，滑體重度增加，從而增加滑坡的下滑力。公路開挖形成的高陡臨空面在雨水浸泡作用下，滑坡體內的軟弱夾層發(fā)生軟化，使其抗剪強度減弱，滑坡整體抗滑力也相應減小。

開展輸電線路桿塔風險評價可以有效保障輸電線路的穩(wěn)定運行。現(xiàn)有的電器設備易損性研究主要考慮地震災害作用,而基于滑坡地質災害的桿塔易損性研究仍十分匱乏。對于慢速蠕變滑坡上的桿塔，通過桿塔基礎中心點處的地表變形，能及時發(fā)現(xiàn)桿塔的變形情況，從而減少損失。

7 結 論

本文以巴東縣燕子滑坡以及位于滑坡體上的500 kV超高壓輸電線路桿塔為研究對象，采用有限元方法開展了極端降雨和公路開挖條件下燕子滑坡的穩(wěn)定性研究，通過將桿塔基礎中心點處的地表變形轉化成桿塔變形，定量計算了滑坡上桿塔的傾斜度，并得出如下結論:

(1) 燕子滑坡的穩(wěn)定性主要受降雨和開挖作用的影響。降雨量增大、局部不同形式的道路開挖都會使得滑坡整體穩(wěn)定性下降，但該滑坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而對于最危險滑動面而言，局部的削方減載作用會使得滑坡局部穩(wěn)定性上升。

(2) 滑坡的局部變形對桿塔的穩(wěn)定性有巨大的影響。通過利用桿塔基礎中心點處地表水平位移量計算桿塔的傾斜度，可以有效地得出桿塔的傾斜程度；慢速滑坡的累積變形會造成桿塔傾斜過大。此桿塔傾斜度定量計算方法對于慢速滑坡多發(fā)地區(qū)識別桿塔傾斜有十分明顯的作用。