某山區(qū)輸電線路鐵塔變形分析

陳曉鋒，楊 煜，萬 飛

(四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

0 引言

某輸電線路位于四川省西部山區(qū)，地形為深切割的高山斜坡。2020年進(jìn)入汛期以來，該地區(qū)連續(xù)降雨，境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。當(dāng)年9月，在項目竣工驗收過程中，驗收單位反映該線路段某塔基場地存在樁周土下沉脫開、堡坎開裂、塔基周圍土坎垮塌、鐵塔塔材變形等情況。設(shè)計單位對該塔位進(jìn)行了現(xiàn)場復(fù)核，通過對鐵塔變形進(jìn)行現(xiàn)場踏勘走訪、測繪調(diào)查、專項勘察及穩(wěn)定性分析評價，并對鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行了抽芯檢測，最終查明該鐵塔變形原因。

1 塔位變形情況調(diào)查

該鐵塔為直線塔，塔位位于北東向高山斜坡半山腰，場地地面坡度30～35°，基礎(chǔ)采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，樁長14～16 m。塔基變形主要表現(xiàn)為：B、C、D腿基礎(chǔ)樁周土與基礎(chǔ)脫開，地面呈繞基礎(chǔ)立柱半圓弧狀裂口，較基礎(chǔ)頂面相對沉降，裂縫之間并未相互貫通，均呈孤立狀分布。A腿地表基礎(chǔ)與樁周土輕微脫開、未見明顯沉降。鐵塔變形狀況主要包括：各腿主材彎曲變形；A、B腿中間的交叉斜材變形凸出約260 mm，C、D腿橫隔面斜材在橫材螺栓交接處斷裂等。

同時，調(diào)查人員現(xiàn)場對鐵塔及基礎(chǔ)進(jìn)行了變形測量，從測量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：A腿基礎(chǔ)相對于B、C、D腿基礎(chǔ)高差出現(xiàn)了58～63 mm不等的沉降；鐵塔基礎(chǔ)根開發(fā)生位移，其中A、B腿根開實測值較設(shè)計值增大了218 mm，差值比例達(dá)到了1.2%，且A腿相對其他腿基礎(chǔ)向坡下移動，鐵塔偏轉(zhuǎn)約0.1°。從測量的數(shù)據(jù)來看，鐵塔桿件及基礎(chǔ)變形較大，根開移動較多，已不滿足GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規(guī)范》[1]的要求，鐵塔無法使用。

2 邊坡變形情況

根據(jù)踏勘調(diào)查及收資走訪結(jié)果來看，塔位附近坡面變形主要表現(xiàn)為塔腿下坡側(cè)棄土松動、沉降、開裂，邊坡局部陡坎部位的蠕動拉裂，下坡側(cè)公路回頭彎處堡坎外鼓及線路左側(cè)45 m外的坡面淺層溜滑等。變形情況如圖1所示。

圖1 場地周圍坡面變形分布示意圖

2.1 棄土沉降開裂

施工棄土棄渣堆積于各塔腿基礎(chǔ)下坡側(cè)，形成一定厚度的渣坡，調(diào)查發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)邊緣與棄土間土體開裂，開裂位置為基礎(chǔ)下坡側(cè)，一般沿基礎(chǔ)呈圓弧形，距離基礎(chǔ)邊緣30～80 cm，長度約3.0～5.5 m，張開度約25～30 cm，下沉約10～20 cm，深度最大可測約1.3 m。

2.2 斜坡變形情況

塔位所處邊坡塔位坡上側(cè)距中心約30 m處有一長度約8.5 m的拉張裂縫，其張開度1～2 cm，半充填，基本無錯動，平行于等高線方向。在塔位下坡側(cè)55 m外公路內(nèi)側(cè)堡坎有局部鼓脹變形，但邊坡未見明顯的滑塌或開裂，局部擋墻內(nèi)有少量滲水。在塔位A腿北東方向約45 m處坡面有一小型的滑坡，寬度約30 m，長度約40 m，滑體厚度1～2 m，為淺層的土體溜滑。

3 塔位地質(zhì)條件

線路塔位所在區(qū)域地處四川西部高原山區(qū)，河谷深切，地形受構(gòu)造控制明顯，呈現(xiàn)出典型的高山峽谷地貌。塔位地形處于高山斜坡之上，山坡坡度一般在30°左右。據(jù)調(diào)查，斜坡原為臺階狀耕地，后退耕還林。線路方向順邊坡方向，A、D腿位于坡下側(cè)，中心坡下側(cè)約55 m、坡上側(cè)約45 m均為鄉(xiāng)村水泥路。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及鉆探結(jié)果，塔位的地層條件見表1所列，邊坡的地層情況如圖2所示。

表1 塔位地層情況表

圖2 塔位邊坡場地工程地質(zhì)剖面圖

4 塔位場地穩(wěn)定性分析評價

4.1 定性分析

通過現(xiàn)場踏勘調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)雨季誘發(fā)的滑坡體多發(fā)生在槽谷、裸露的人工切坡處，且為地下水或地表水發(fā)育、覆蓋層厚度大的地段；而該塔所處邊坡相對地勢較高，并未處于槽坡內(nèi)，地表及兩側(cè)未見明顯地表水流，亦非地表水易匯集的區(qū)域；同時，通過現(xiàn)場大量的踏勘調(diào)查，發(fā)現(xiàn)塔位所處的坡體未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象(如開裂、滑塌)，坡體上側(cè)公路、下側(cè)公路未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、錯斷等變形，在塔位坡上側(cè)的小裂縫規(guī)模很小，張開度有限，僅為表層土體的局部蠕變，鐵塔基礎(chǔ)周邊的裂縫為人工棄渣局部張開、沉降，形成不連續(xù)裂縫。

坡腳公路堡坎的局部變形主要是由于堡坎質(zhì)量差，受到降雨后，墻后土體飽水，重度增大產(chǎn)生的擠壓變形所致。

在塔位左側(cè)45 m外的凹槽形坡面泥石流為淺表層1～2 m的土體溜滑，深度有限，未形成高陡臨空面，其對塔位處整體邊坡的穩(wěn)定未造成直接影響，結(jié)合前述坡面特征，該塔位所在邊坡整體較穩(wěn)定。

4.2 定量計算

4.2.1 計算方法

根據(jù)前述，目前坡體基本穩(wěn)定，未發(fā)生滑動，僅局部有輕微蠕動變形。根據(jù)現(xiàn)行邊坡及滑坡勘察規(guī)范[2-3]，采用剛體極限平衡法、滑動面采用圓弧形滑動面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算。

4.2.2 計算剖面

根據(jù)現(xiàn)場勘查情況，線路走向與坡面方向基本一致，因此計算剖面按線路順坡向的方向。

4.2.3 計算工況

工程區(qū)所在區(qū)域的地震動峰值加速度為0.15g，對應(yīng)抗震設(shè)防烈度為7度，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時，須考慮地震的影響，故選擇以下三種工況進(jìn)行計算：

工況一：天然工況(自重)

工況二：暴雨工況(自重+暴雨)

工況三：地震工況(自重+地震)

其中，工況一和工況三的土層計算參數(shù)采用天然重度、天然內(nèi)摩擦角和天然粘聚力；工況二土層計算參數(shù)采用飽和重度、飽和內(nèi)摩擦角和飽和粘聚力，工況一、工況二和工況三的抗滑安全系數(shù)分別取1.30、1.15和1.15。

4.2.4 計算參數(shù)

根據(jù)本工程勘察結(jié)果、計算邊坡巖土結(jié)構(gòu)及實際狀態(tài)，并適當(dāng)參照類似邊坡工程勘查治理經(jīng)驗，本工程邊坡穩(wěn)定性計算時，取值見表2所列。

表2 邊坡計算參數(shù)取值表

4.2.5 計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，根據(jù)工程地質(zhì)剖面(見圖2)，分別對邊坡整體穩(wěn)定、潛在滑動面穿過裂縫、潛在滑動面穿過塔基下坡側(cè)公路和潛在滑動面穿過基巖陡坎4種情況(見圖3～圖6)，對坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算。

圖3 邊坡整體穩(wěn)定計算

圖4 穿過裂縫穩(wěn)定性計算

圖5 穿過公路穩(wěn)定性計算

圖6 穿過巖坎穩(wěn)定性計算

邊坡穩(wěn)定計算采用GEO5軟件，通過自動搜索圓弧滑動和折線滑動面，計算工況采用天然工況、暴雨工況及地震工況，得出安全系數(shù)后判定邊坡的穩(wěn)定性，其邊坡穩(wěn)定性的計算結(jié)果見表3所列。

表3 穩(wěn)定性計算成果表

由計算結(jié)果可知，現(xiàn)有巖土條件下，塔基邊坡在各種工況下是穩(wěn)定的，在暴雨工況及地震工況下安全儲備有所降低，但仍滿足邊坡整體穩(wěn)定，計算結(jié)果與現(xiàn)狀相吻合。

4.2.6 數(shù)值分析

由上述分析可得，在最受控工況(暴雨)下剖面最危險區(qū)主要位于表層的含黏性土碎石層與碎石層交界面，深度一般4～6 m。為進(jìn)一步分析論證，選用GEO5中的有限元數(shù)值分析模塊進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7～10所示。

圖7 等效塑性應(yīng)變等值面圖

圖8 總位移等值面圖

圖9 等效塑性應(yīng)變矢量圖

圖10 總位移矢量圖

由圖可知，等效塑性應(yīng)變主要發(fā)生在塔位上坡側(cè)公路的下側(cè)3 m到鐵塔區(qū)間及鐵塔下坡側(cè)25 m之間，影響深度內(nèi)土層主要是表層的含黏性土碎石層，其應(yīng)變值為0.010 97%；主要變形區(qū)位于塔位上坡側(cè)公路到鐵塔區(qū)間內(nèi)，根據(jù)模擬計算結(jié)果，其總位移最大變形量約0.205 mm。

數(shù)值模擬分析表明，在最受控的暴雨工況下邊坡的自然蠕動變形量值小(不足1 cm)，邊坡整體穩(wěn)定，數(shù)值分析計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查、極限平衡量化計算結(jié)果一致。

4.3 綜合評價

通過前面定性分析、定量計算及數(shù)值模擬分析，再結(jié)合踏勘調(diào)查、鉆探情況，綜合判斷塔位所在邊坡整體穩(wěn)定，在暴雨情況下，可能會在局部陡坎部位發(fā)生蠕動變形，在局部陡坎的變形部位可能會出現(xiàn)淺層土體拉裂現(xiàn)象，現(xiàn)有巖土工程條件下，塔位所在邊坡整體穩(wěn)定。

5 基礎(chǔ)抽芯檢測

根據(jù)上節(jié)分析，鐵塔所處邊坡場地穩(wěn)定，研判鐵塔出現(xiàn)的變形并非邊坡變形所造成的。為了驗證是否是由于基礎(chǔ)問題產(chǎn)生的變形，現(xiàn)場對A、D腿基礎(chǔ)進(jìn)行了抽芯檢測，抽芯檢測設(shè)備采用某品牌背包鉆機(jī)及XY-100型回旋鉆機(jī)(鉆探采用雙管植物膠取芯，單次回尺1.5 m，口徑91 mm)，鉆芯情況及巖芯照片見表4所列及圖11～13所示。

圖11 A腿某品牌鉆機(jī)鉆芯照片

圖12 A腿回旋鉆機(jī)鉆芯照片

圖13 D腿回旋鉆機(jī)鉆芯照片

表4 塔腿基礎(chǔ)樁身混凝土鉆探情況對比

根據(jù)回旋鉆機(jī)鉆孔與某品牌背包鉆機(jī)鉆孔鉆探情況及巖芯的比對可以發(fā)現(xiàn)，某品牌鉆機(jī)由于受鉆探工藝的影響，其鉆探巖芯普遍較差，但在一些關(guān)鍵鉆探信息上與回旋鉆機(jī)鉆探情況保持基本一致，比如鉆探漏水情況、含有木屑雜質(zhì)情況、掉鉆空洞情況、上部與下部巖芯明顯有差別的界限深度情況等。

從鉆芯的結(jié)果來看，A、D腿基礎(chǔ)的混凝土質(zhì)量差。特別是A腿，除了鉆探過程中漏水、有空洞外，還發(fā)現(xiàn)存在木屑等雜質(zhì)，說明了樁身混凝土存在較多裂隙、孔洞，也有可能出現(xiàn)斷樁、縮頸、砼離析、松散等情況。根據(jù)現(xiàn)行電力工程基樁檢測技術(shù)規(guī)程[4]，可以判定A、D腿的樁身完整性為VI類，不符合工程質(zhì)量要求。

6 鐵塔變形原因分析

針對塔基場地地面變形和塔材變形現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場踏勘調(diào)查、收資走訪，結(jié)合勘察鉆探、基礎(chǔ)鉆芯，定性定量分析及數(shù)值模擬計算等，綜合分析后得出如下意見：

1)塔位所在邊坡整體穩(wěn)定，路徑及塔位場地選擇是合理的；

2)根據(jù)氣象資料，今年雨季以來，塔位所在區(qū)域6～7月份降雨量是多年平均水平的1.63倍，8月以來降雨天數(shù)高達(dá)75.3%，具有明顯的連續(xù)、集中、持續(xù)降雨特征，對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育及各種坡面變形提供了誘發(fā)條件；

3)近期的連續(xù)降雨對塔基所在場地淺表層，特別是塔基下坡側(cè)大量堆砌的施工棄渣的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，有向下緩慢蠕動的趨勢，這是樁腿下坡側(cè)棄土開裂沉降的主要原因；

4)現(xiàn)場地表輕微變形并不足以對塔基基礎(chǔ)及塔身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生如此劇烈的變形影響，不排除樁基礎(chǔ)砼質(zhì)量與上部結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)影響問題；

5)塔基基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量差。施工時可能發(fā)生了斷樁，或者在上部荷載和土的共同作用下，樁體發(fā)生了彎折，這是導(dǎo)致塔腿基礎(chǔ)發(fā)生變形的直接原因；

6)與基礎(chǔ)設(shè)計值相比較，A腿基礎(chǔ)相對位移較大，在荷載組合的作用下，基礎(chǔ)及塔身內(nèi)力重新分配，導(dǎo)致了塔身部分區(qū)段塔材的變形；

7)塔材變形嚴(yán)重，已不滿足使用要求，需要采取塔位調(diào)整措施或改線措施，現(xiàn)有場地仍可利用，但應(yīng)考慮反復(fù)擾動的不利影響。

7 結(jié)論

西南山區(qū)輸電線路遭受地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險較高，但鐵塔出現(xiàn)變形的因素有很多，并非都是由地質(zhì)原因造成，應(yīng)具體問題具體分析，通過本文案例進(jìn)行分析總結(jié)，也有利于今后處理其他類似的問題。

1)對輸電工程，常用的樁基完整性檢測方法有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、聲波投射法及鉆芯法等，設(shè)計上應(yīng)根據(jù)工程等級、復(fù)雜程度、施工難度等因素，在施工圖階段明確適宜的樁基檢測方法和要求，同時還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)理的監(jiān)督、業(yè)主的管理職能，保證施工質(zhì)量。

2)由于基礎(chǔ)部分屬于隱蔽工程，出現(xiàn)質(zhì)量問題不宜被發(fā)現(xiàn)，鉆孔抽芯檢測是最為直觀和直接的手段。

3)對鐵塔變形的分析，應(yīng)從多方面進(jìn)行，比如施工、設(shè)計或材料、安裝等等，要具體問題具體分析，本文塔位出現(xiàn)變形的原因就是基礎(chǔ)施工質(zhì)量問題。對不易確定變形原因的，可采用排除法對可能出現(xiàn)的變形原因進(jìn)行一一排除。

4)對陡峻山區(qū)的輸電線路而言，設(shè)計上應(yīng)充分考慮地形、施工等因素對場地及基礎(chǔ)穩(wěn)定的影響。對地質(zhì)條件較脆弱的塔位，設(shè)計可采取連梁基礎(chǔ)增強(qiáng)基礎(chǔ)整體穩(wěn)定，施工時還應(yīng)特別注意棄土的合理堆放，避免因棄土沉降滑移，造成邊坡失穩(wěn)，影響基礎(chǔ)穩(wěn)定。

5)通過某品牌背包鉆機(jī)與XY-100型回旋鉆機(jī)的鉆探對比，我們可以發(fā)現(xiàn)某品牌鉆機(jī)取芯受設(shè)備、孔徑及鉆探工藝的影響，其結(jié)果有時候不能代表真實的情況，特別是對破碎層，取芯效果很差，因此應(yīng)根據(jù)不同的巖性特點(diǎn)選用適宜的鉆探設(shè)備。