明渠建設(shè)與運(yùn)營對塔基水平承載能力的影響

王緒民， 何宇棋， 李 劍

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所， 湖北 武漢 430071)

在中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的階段，各類工程建設(shè)不斷增多，在惡劣環(huán)境下發(fā)生的輸電塔倒塌等事故也不斷增多。因此，在塔基周圍建設(shè)工程時需要對塔基進(jìn)行承載能力影響研究，以確保輸電塔基的安全問題。為此，許多學(xué)者作了一系列的研究。楊泰華[1]等以葛武線為例，制作出兩種形式桿塔塔基進(jìn)行試驗，為輸電塔塔基改造提供了有力依據(jù)。姜銀華[2]等以人工挖孔灌注樁為基礎(chǔ)，研究樁基水平荷載下的應(yīng)力分布以及變形規(guī)律，為類似工程塔基定位提供幫助。李洪江[3]等提出了一種p-y曲線的雙折線簡化模型，用來控制軟土地基剛、柔性樁水平承載位移的標(biāo)準(zhǔn)。劉術(shù)儉[4]等分別采用兩種方法進(jìn)行建模計算，研究在堆載作用下，低樁承臺駁岸的水平位移變形規(guī)律。孫孝敏[5]通過FLAC3D的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬研究群樁基礎(chǔ)的水平承載力，并總結(jié)樁徑、樁間距等因素對水平承載力的影響。謝壽平[6]等利用FLAC3D軟件對湖南某輸電線路工程中的一個鐵塔進(jìn)行建模分析，評價塔基邊坡在工程活動下的穩(wěn)定性，以保證塔基的長期穩(wěn)定。王開洋[7]等對鋼花管型微型樁進(jìn)行了改善，采用了二次注漿技術(shù)，提高了樁基的水平承載力。周世良[8]等采用有限元的方法對群樁的水平承載能力進(jìn)行了模擬分析，分析了不同坡度和不同深度條件下群樁的水平承載能力。沈建霞[9]等結(jié)合算例分析了各種影響因素對樁基水平承載能力影響權(quán)重，并指出不同情況所需要采用的樁頂連接形式。為樁基礎(chǔ)的水平承載能力提供了借鑒作用。

本文基于Flac3D對某水利水電工程導(dǎo)流明渠建設(shè)以及后期運(yùn)營過程進(jìn)行模擬，并對其周邊輸電塔的塔基水平承載能力進(jìn)行分析，對類似工程穩(wěn)定性評價提供參考依據(jù)。

1 工程概述和模型建立

1.1 工程概述

該水利水電工程左岸副壩填筑施工及后期庫區(qū)蓄水后對周圍特高壓大跨度輸電塔的塔基變形產(chǎn)生影響。在開挖的邊緣處設(shè)置了副壩，起到擋水的作用。副壩回填最外邊線距離現(xiàn)狀塔基的圍墻距離11.5 m，距離現(xiàn)狀塔基座邊緣25.3 m，如圖1所示，根據(jù)初步設(shè)計，左岸為導(dǎo)流明渠，水位設(shè)計高程50.72 m，副壩頂面高程53.8 m，副壩外側(cè)地面高程47.0 m。該地區(qū)地層自上而下可分為四層：1)砂壤土/壤土層10.0 m；2)粉細(xì)砂層9.0 m；3)砂礫石層9.0 m；4)其下為泥質(zhì)粉砂巖層。

圖1 工程設(shè)計及水位線

輸電塔底座為圓形，底徑30.4 m，桿塔全高148.8 m。基礎(chǔ)承臺2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承臺下沿環(huán)向均勻布置80根擠土樁，樁徑1.0 m，埋深20.0 m，樁身采用鋼筋混凝土。

1.2 模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果以及104號塔基設(shè)計，建立數(shù)值模型。模型沿江方向長度為100 m，垂直江水方向長度為350 m，地表壤土層厚度10.0 m，粉細(xì)砂層厚度9.0 m，砂礫層厚度9.0 m，其下為泥質(zhì)粉砂巖。整體數(shù)值模型如圖2所示。該圖中，由塔基指向副壩為X軸正向，垂直于X軸指向遠(yuǎn)端為Y軸正向，垂直于整個模型向上為Z軸正向。

圖2 數(shù)值模型

同時根據(jù)設(shè)計尺寸建立塔基數(shù)值模型如圖3所示，該塔的塔型為ZK-122，基礎(chǔ)分布圓底徑30.4 m，基礎(chǔ)承臺2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承臺下沿環(huán)向均勻布置80根擠土樁，樁徑1.0 m，埋深20.0 m，樁身采用鋼筋混凝土，混凝土的計算參數(shù)如表1所示。

圖3 塔基數(shù)值模型

1.3 本構(gòu)模型選擇

本次計算采用巖土工程中經(jīng)典的摩爾-庫侖本構(gòu)模型，由于摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則可很好地描述大多數(shù)巖土材料的強(qiáng)度特性，在FLAC3D計算應(yīng)用最為廣泛。摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則如下所示：

式中：I1，J2，θσ分別為應(yīng)力張量的第一不變量、應(yīng)力偏量的第二不變量和羅德角；c,φ分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4 計算參數(shù)選擇

根據(jù)初步設(shè)計中對該區(qū)域左岸地層物理力學(xué)參數(shù)的描述，左岸地層力學(xué)參數(shù)按照實際的試驗結(jié)果，比對工程地質(zhì)手冊，綜合選取計算模型參數(shù)，具體如表1所示。

表1 計算模型參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 副壩建設(shè)完成后的水平變形影響分析

在副壩建設(shè)完成但是尚未通水時，模型水平變形增量云圖如圖4所示，塔基水平變形分布云圖如圖5所示。從圖4可以看出，由于副壩自重荷載引起了地層的壓縮沉降，所以在副壩的坡腳位置出現(xiàn)了向外的水平變形，水平變形量值約為-15.4mm。并且副壩自重荷載產(chǎn)生的壓縮變形擠壓了水平方向上土體，故副壩左側(cè)的水平變形逐漸向塔基擴(kuò)展，將致使塔基發(fā)生一定的水平變形。從圖5可以看出：由于豎向壓縮擠壓副壩周圍土層，土層的水平位移影響范圍較大，將引起塔基發(fā)生遠(yuǎn)離副壩方向的水平變形。樁基最大水平位移為-3.75 mm。

圖4 副壩自重荷載作用下模型水平變形

圖5 副壩自重荷載作用下樁基水平變形

2.2 導(dǎo)流明渠通水后水平變形影響分析

導(dǎo)流明渠通水后，模型水平變形云圖如圖6所示，引起的塔基變形分布云圖如圖7所示。在圖6中，由于導(dǎo)流明渠內(nèi)水荷載作用在副壩及其下部的邊坡上，方向垂直與坡面，因此使副壩及其下部土層發(fā)生了向塔基的水平變形，從水平變形云圖上看，副壩靠塔基一側(cè)坡腳的水平變形由-15.4 mm增大至-18.2 mm，將進(jìn)一步影響塔基水平變形。從圖7中得知，由于水荷載使得副壩及其下部土體繼續(xù)向塔基發(fā)生水平變形，進(jìn)一步推動塔基向遠(yuǎn)離副壩的方向變形，因此，塔基水平變形增量由-3.75 mm增加至-4.81 mm。由于塔基在原設(shè)計荷載下水平變形約為-4.8 mm，所以導(dǎo)流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-9.61 mm。該數(shù)值略大，不符合規(guī)范要求，因此需要采取加固措施，減小因修建副壩及通水引起的輸電塔水平變形增量。

圖6 水荷載作用下模型水平變形

圖7 水荷載作用下樁基水平變形

3 加固方案

3.1 數(shù)值模型

加固區(qū)邊界位于邊坡高度2.0 m處，且邊坡范圍內(nèi)的一半加固深度取5.0 m，副壩中部加固深度取10.0 m。加固區(qū)縱向長度方面，輸電塔上部荷載通過塔基作用在地基上的應(yīng)力擴(kuò)散角按22°考慮，傳遞至副壩后，影響副壩的長度約50.0 m，因此，縱向加固長度方向上取塔基中心線兩側(cè)各25 m，共50.0 m。如圖8所示。加固后，加固區(qū)力學(xué)參數(shù)按照以下標(biāo)準(zhǔn)：密度1950 kg/m3，彈性模量150 MPa，泊松比0.30，粘聚力50.0 kPa，內(nèi)摩擦角35°。其他區(qū)域計算參數(shù)不變。

圖8 加固區(qū)數(shù)值仿真模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1副壩建設(shè)完成后的水平變形影響分析當(dāng)副壩建設(shè)完成、尚未通水時，模型的水平變形云圖如圖9所示，塔基的水平變形云圖如圖10。

圖9 加固后副壩自重荷載作用下模型水平變形

圖10 加固后副壩自重荷載作用下樁基水平變形

在圖9和圖10中，由于加固區(qū)上部副壩沉降減小明顯，因此，加固區(qū)副壩外坡腳水平變形也減小，水平變形約為-5.0 mm，而未加固區(qū)副壩外坡腳水平變形約為-14.5 mm。同時，由于輸電塔應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)副壩下部地基進(jìn)行了加固，故由于副壩自重荷載引起的塔基水平變形增量減小，樁頂最大水平位移增量-0.32 mm。

3.2.2導(dǎo)流明渠通水后水平變形影響分析導(dǎo)流明渠通水后，模型的水平變形云圖以及樁基的水平變形云圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 加固后水荷載作用下模型水平變形

圖12 加固后水荷載作用下樁基水平變形

從云圖上看，在加上水荷載之后，加固區(qū)副壩靠塔基一側(cè)坡腳的水平變形由-5.0 mm增大至-7.5 mm，未加固區(qū)副壩靠塔基一側(cè)坡腳的水平變形由-14.5 mm增大至-16.9 mm。對于樁基而言，由于輸電塔應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)副壩下部地基進(jìn)行了加固，因此水荷載引起的塔基水平變形增量減小，樁頂最大水平位移增量增加至-0.7 mm。

4 結(jié)論

利用FLAC3D軟件對某水利水電工程導(dǎo)流明渠建設(shè)以及后期運(yùn)營過程進(jìn)行模擬，分析了明渠建設(shè)及運(yùn)營后對周圍塔基的水平位移影響，結(jié)果顯示：

1)副壩自重致使塔基發(fā)生遠(yuǎn)離副壩方向的水平變形，樁基最大水平位移為-3.75 mm。水荷載將進(jìn)一步推動塔基向遠(yuǎn)離副壩的方向變形，因此，塔基水平變形由-3.75 mm增加至-4.81 mm，由于塔基在原設(shè)計荷載下水平變形約為-4.8 mm，所以導(dǎo)流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-9.61 mm。該數(shù)值略大，需要采取加固措施。

2)在副壩下方修建一個加固區(qū)后，導(dǎo)流明渠通水后引起的塔基水平變形增量為-0.7 mm。塔基在原設(shè)計荷載下水平變形約-4.8 mm，導(dǎo)流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-5.5 mm，滿足單樁水平承載力特征值的標(biāo)準(zhǔn)。