高壓鐵塔邊坡支護措施的數(shù)值模擬研究

倪 力

(國網(wǎng)安徽省電力有限合肥供電公司，合肥 230022)

1 概 述

現(xiàn)階段，邊坡和滑坡的治理已取得較好的效果，學(xué)者們對此也進行了一系列的研究。郭釗等[1]通過無人機對坡體進行觀察和研究，發(fā)現(xiàn)地下水滲流會對滑動面造成一定的影響。霍逸康等[2]利用數(shù)值模擬軟件對軟硬互層邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，研究結(jié)果表明邊坡傾角和巖層傾角對坡體穩(wěn)定性有較大的影響。劉永旺等[3]利用MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對高邊坡的穩(wěn)定性進行了研究，研究結(jié)果表明滑動面的查找對于治理邊坡意義重大。王海芝等[4]對滑坡的穩(wěn)定性進行了研究，認(rèn)為穩(wěn)定性系數(shù)和滑動面的位置，不應(yīng)當(dāng)僅通過數(shù)值模擬完成，還必須結(jié)合勘察方法。代雪等[5]通過Geostudio、理正軟件和ANSYS軟件，采用M-P法、Bishop法和強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的研究，研究結(jié)果表明強度拆減系數(shù)法最合理。

以上的研究均聚焦到坡體的穩(wěn)定性方面，而對于特殊邊坡治理不能只考慮坡體的穩(wěn)定性，如鐵塔邊坡，此類邊坡還須嚴(yán)格控制坡體的水平和沉降位移。因此，本文通過MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件對鐵塔邊坡的沉降和位移、穩(wěn)定性、支護措施的受力進行研究，研究結(jié)果可以為類似的鐵塔邊坡治理提供參考。

2 工程地質(zhì)

選擇安徽省合肥市某高壓鐵塔邊坡為研究對象，結(jié)合現(xiàn)場勘察情況可知，該鐵塔邊坡長×高為80 m×56 m(圖1)，邊坡巖土體從上至下依次分為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖。巖土體的力學(xué)參數(shù)詳見表1。

圖1 高壓鐵塔邊坡結(jié)構(gòu)示意圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

該鐵塔邊坡項目采用抗滑樁+錨桿組合的傳統(tǒng)支護形式，為保證鐵塔的穩(wěn)定性，鐵塔承臺采用C20砼，承臺下方為雙排樁。通過室內(nèi)實驗可知，C20砼彈性模量為2.12e8 kN/m2,泊松比為0.21，容重為21.2 kN/m3；抗滑樁彈性模量為1.48e7 kN/m2，泊松比為0.31，容重為25.2 kN/m3；錨桿彈性模量為2.18e8 kN/m2,泊松比為0.19，容重為76.2 kN/m3。

3 數(shù)值模擬

利用MIDAS數(shù)值模擬軟件對鐵塔邊坡進行模擬，因為本文研究的重點在于鐵塔的位移控制和邊坡的穩(wěn)定性，因此暫不考慮土拱效應(yīng)的影響[6-9]。

由圖2可知，錨桿與水平面的夾角為12°，錨桿間隔3 m進行布置，抗滑樁每0.2 m進行網(wǎng)格劃分，雙排樁每0.5 m進行網(wǎng)格劃分，且抗滑樁與雙排樁均采用析取的命令進行建模。為保證數(shù)值模擬計算的連續(xù)性，承臺、風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖均采用每0.8 m進行網(wǎng)格劃分；結(jié)合工程實際坡面采用砼進行噴射，噴射厚度為0.15 m。

圖2 高壓鐵塔邊坡數(shù)值模擬圖

高壓鐵塔邊坡共計363 396個單元，426 398結(jié)點，數(shù)值模擬計算至邊坡最大不平衡力小于1e-5 N時結(jié)束。

3.1 位移分析

MIDAS數(shù)值模擬計算平衡以后，高壓鐵塔邊坡的水平位移和沉降位移見圖3。

圖3 高壓鐵塔位移(單位：mm)

由圖3(a)可知，95.6%巖土體的水平位移小于2 mm。說明此暴雨工況下坡體的位移控制在合理的范圍內(nèi)，鐵塔也不至于因為坡體位移發(fā)生較大偏移，保證了鐵塔的正常運轉(zhuǎn)。

由圖3(b)可知，94.6%巖土體的沉降控制在1.4 mm左右，沉降不超過2 mm，其余巖土體的沉降幾乎沒有變化。說明此支護措施下，邊坡的沉降也得到了有效的控制。

由圖3可知，暴雨工況下邊坡的水平和沉降位移均得到有效的控制，不會影響鐵塔的正常使用，說明支護措施有效。

3.2 受力分析

錨桿的受力見圖4。錨桿的受力自上而下，軸力由1.2e2 kN逐漸增加至9.6e2 kN，此時最大軸力位于坡體中部，也是錨桿中部。隨著距離抗滑樁的距離減小，錨桿軸力值逐漸減小至1.5e2 kN。由錨桿所受軸力值可知，坡體中部為錨桿受力最大處，因此可認(rèn)為在此處可適當(dāng)增加錨桿的數(shù)量或縮小錨桿的間距，而邊坡上下兩端可適當(dāng)減少錨桿數(shù)量或增加錨桿間距，這樣在保證工程穩(wěn)定性要求的同時，也降低了工程造價。

圖4 錨桿所受軸力(單位：kN)

雙排樁所受軸力見圖5，取靠近坡面的錨桿為例進行說明。錨桿所受軸力從上至下依次增加，由45 kN逐漸增大至170 kN，此軸力數(shù)值依然小于錨桿所受軸力的最大極限，滿足工邊坡工程穩(wěn)定性要求。

圖5 雙排樁所受軸力(單位：kN)

抗滑樁彎矩圖見圖6。抗滑樁所受彎矩最大值為172 kN·m，此彎矩最大處位于距樁頂約1/6處，同時近2/3處抗滑樁所受彎矩幾乎為0。說明此處巖土體位移較少，導(dǎo)致抗滑樁下部所受彎矩較少，一定程度上說明坡體位移較小，坡體較為穩(wěn)定。

圖6 抗滑樁所受彎矩(單位：kN·m)

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析

利用MIDAS對邊坡進行拆減系數(shù)法，剪應(yīng)力平面圖見圖7。

圖7 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析(一)

邊坡滑動面并沒有貫通，說明坡體是穩(wěn)定的，安全系數(shù)為1.74，此安全系數(shù)大于1.2(大于暴雨工況要求的安全系數(shù))，滿足工程穩(wěn)定性要求。據(jù)規(guī)范要求，邊坡支護后安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)控制在1.3～1.6，此安全系數(shù)明顯略超過1.6，說明支護措施過強，可考慮適當(dāng)減小支護。

因暴雨工況下邊坡的滑動面并未貫通，通過MIDAS GTS軟件進一步搜索潛在滑動面(圖8)，滑動面已貫通。由貫通的滑動面可知，應(yīng)力集中區(qū)位于坡面，應(yīng)當(dāng)于坡面中部加強支護，同時抗滑樁位置可適當(dāng)往后布置，達(dá)到充分發(fā)揮抗滑樁的阻滑功能。

圖8 暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性分析(二)

3.4 數(shù)值模擬總結(jié)

1) 邊坡支護后，坡體巖土體水平位移和沉降位移均不超過2 mm，滿足邊坡穩(wěn)定性要求。因為坡體巖土體位移控制得較好，所以鐵塔不會受到位移的影響，能夠發(fā)揮鐵塔輸電的功能。

2) 結(jié)合滑動面和應(yīng)力集中區(qū)域可知，應(yīng)當(dāng)在坡面中部多布置錨桿，而在坡面上下部位適當(dāng)增加錨桿間距或減少錨桿布置，以達(dá)到充分節(jié)約工程造價的目的。

3) 抗滑樁所受的彎矩下部數(shù)值較小，一方面可以說明坡體位移較小，另一方面說明抗滑樁沒有完全發(fā)揮其抗滑和阻滑的作用。可以通過調(diào)整抗滑樁的位置，達(dá)到發(fā)揮抗滑樁抗滑的作用。

4) 通過拆減系數(shù)法求得暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)超過1.6，說明治理措施過于保守，可考慮適當(dāng)減少支護。

4 結(jié) 論

結(jié)合鐵塔邊坡工程，本文采取的加固措施為抗滑樁+錨桿。通過MIDAS數(shù)值模擬對鐵塔邊坡進行研究，結(jié)論如下：

1) 邊坡的位移和沉降均控制在合理的范圍內(nèi)，不會對鐵塔造成不良影響，該支護措施能夠保證鐵塔發(fā)揮其正常功能。

2) 邊坡在暴雨工況下穩(wěn)定性系數(shù)為1.7，說明支護措施略保守，可在錨桿的布置和抗滑樁布置位置重新進行選擇，以達(dá)到節(jié)約工程造價的目的。

3) 本文沒有考慮土拱效應(yīng)的影響，此方面的研究有待進一步深入。