濕陷性黃土區輸電塔基礎增濕變形及土工布應用研究

摘 要：某750kV輸電線路的塔基工程地質以濕陷性黃土為主，為了提高輸電塔基礎的穩定性，并且制定合理的塔基施工方案，研究過程采用數值模擬方法，分析了濕陷性黃土遇水后的增濕變形情況。按照塔基載荷與灰土墊層的設計差異，將其劃分為4種類型，編號為I、II、III、IV，浸水增濕的總時長為48h，模擬基土的豎向沉降和水平位移。研究過程得出以下結論：I、II、III號塔基施工方案的基土增濕變形量較小，能夠滿足工程要求；IV號塔基施工方案的基土沉降量過大，不符合要求；在輸電塔基礎施工階段，可通過土工布提高濕陷性黃土的防滲效果，降低其變形量。

關鍵詞：濕陷性黃土區；輸電塔基礎；增濕變形；土工布應用

中圖分類號：TM 75；TU 475" " 文獻標志碼：A

干燥的濕陷性黃土遇水后容易發生變形，在此類地質條件下開展高壓輸電線路塔基施工時，應該評估濕陷性黃土的變形量，進而制定可行的施工方案，提高塔基的穩定性。國內學者對相關的施工技術開展了較廣泛的研究。任文博等[1]在急速增濕條件下分析了濕陷性黃土中的樁基承載力特性。代偉[2]探究了濕陷性黃土地質中擠密樁的施工技術。徐文濤等[3]利用增濕強夯施工對大厚度濕陷性黃土地基進行處理。

在此次研究中，以高壓輸電線路混凝土塔基施工為背景，運用有限元數值模擬方法分析塔基周圍濕陷性黃土的增濕變形情況，為基礎施工提供了可靠的參考依據。在基土處理階段，將土工布作為防滲材料，用于改善濕陷性黃土的防水性。

1 輸電線路工程概況

國內某750kV輸電線路全長為146km，所在地區以濕陷性黃土為主。對地下2m～4m的黃土進行取樣，并且檢測土樣的主要物理指標，結果見表1。高壓輸電線路對鐵塔混凝土基礎的穩定性提出了較高的要求，但濕陷性黃土含水量較高，承載力和穩定性較差，因此需要利用土工布對地基進行加固處理。以下著重分析黃土增濕變形情況和土工布施工方法。

2 濕陷性黃土區輸電塔基礎地基增濕變形數值模擬

濕陷性黃土遇水變形量較大，可導致輸電塔基礎沉降，影響電力輸電線路。以下運用數值模擬方法分析輸電塔基礎的增濕變形情況。

2.1 輸電塔塔基施工方案擬定

結合該項目的實際情況，其輸電塔基礎可采用4種類型，編號為I、II、III、IV，具體如圖1所示。輸電塔基礎I的頂部豎向載荷、水平載荷分別達到1900kN、510kN，底部設置有高2000mm、長7400mm的灰墊層。輸電塔基礎II頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1300kN、260kN，底部設置有高2000mm、長6200mm的灰墊層。輸電塔基礎III頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1240kN、179kN，底部設置有高1500mm、長10800mm的灰墊層，上部設置高500mm、長10800mm的灰土防水層。輸電塔基礎IV頂部的豎向載荷、水平載荷分別為1560kN、250kN，在基礎上部設置高500mm、長8100mm的灰土防水層。

2.2 有限元計算模型構建

2.2.1 網格單元劃分

研究過程利用MIDAS軟件對輸電塔基增濕變形過程進行數值模擬，在計算單元內進行有限元劃分，網格單元的長度和高度分別為20cm、20cm，計算區域可劃分為4320個網格單元。

2.2.2 基土增濕模擬方案

增濕變形是指輸電塔基礎受到降雨的影響，濕陷性黃土吸收水分，出現沉降變形。因此，在數值模擬過程中，需要設置降雨增濕條件，具體按照表2設置模擬條件。在降雨的初始階段，濕陷性黃土吸水能力較強，入滲強度變高。隨著土體吸水量增加，逐漸趨于飽和狀態，因此入滲強度在后期呈下降的趨勢。

2.3 濕陷性黃土本構模型及力學參數設置

在有限元模擬過程中，需要通過本構模型計算載荷、材料、應力、應變之間的關系，濕陷性黃土的變形量計算結果與本構模型存在緊密的聯系。針對濕陷性黃土，其本構模型推薦采用鄧肯-張E-μ模型[4]。該模型明確了土體破壞比、土料初始切線模量、土料受載荷作用時的切線模量以及泊松比的計算方法，如公式（1）所示。

（1）

式中：Rf為土體的破壞比；σ1和σ3分別為土體的第一、第三主應力；（σ1-σ3）為土體破壞的偏應力大小；f為偏應力；ult為極限偏應力。

土體的初始切線模量如公式（2）所示。

（2）

式中：Ei為初始切線模量；K為土體材料彈性模量的無因次基數；Pa為標準大氣壓；n為彈性模數指數。

在數值模擬過程中，切線模量隨著土體內摩擦角和黏聚力的變化而不斷改變，相應的計算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：Et為切線模量隨土體內摩擦角和黏聚力變化的計算值；c為土體的黏聚力；?為土體的內摩擦角。

泊松比如公式（4）所示。

（4）

式中：μt為土體材料的泊松比；G為體積模量的推導參數；F為描述土體材料橫向變形與軸向變形比例關系的參數；D為描述土體材料體積和形狀變化關系的參數。

在公式（1）～公式（4）中，參數K、n、Rf、c、?、G、F、D的計算取值見表3。

2.4 輸電塔基礎增濕變形數值模擬結果分析

2.4.1 輸電塔基礎頂部土體變形模擬結果分析

針對該項目的4種輸電塔基礎構造方式，將浸水增濕過程分為2個階段，第一階段浸水時長為30h，第二階段模擬浸水時長為18h，共計48h。觀察塔基頂部濕陷性黃土地基在48h后的變形情況，結果如圖2和圖3所示。在增濕變形條件下，塔基頂部土體左側豎向沉降為4cm～24cm，水平位移為-8cm～2cm；塔基頂部土體右側豎向沉降為3cm～25cm，水平位移為-4.5cm～3cm。對比4種塔基結構的變形量，IV塔基最大沉降量可達到25cm，不滿足工程要求。

2.4.2 輸電塔基礎底部土體變形模擬結果分析

塔基底部設計有灰土墊層，對塔基底部土體在浸水增濕情況下的變形量進行模擬，結果見表4。由數據可知，當塔基結構為I、II、III時，土體增濕變形量較小，最大豎向沉降為2.0cm，最大水平位移為-0.5cm。當塔基結構編號為IV時，底部黃土豎向沉降量達到18cm，沉降量偏高，不符合工程要求。

3 土工布在濕陷性黃土基礎施工中的應用方法

在第2節中通過有限元模擬確定了4種塔基結構周圍濕陷性黃土的增濕變形情況，方案IV變形量偏大，不宜采用。為了進一步提高濕陷性黃土地基的穩定性，在施工過程中可利用土工布對黃土地基進行處理，以提高其防滲性，其應用方法如下。

3.1 土工布應用條件

土工布需要結合地質情況進行設置，當輸電塔基礎位于灌溉區域并且濕陷性等級較高時，應使用土工布處理地基。濕陷性等級的劃分方式見表5，當濕陷性等級為中等和強烈濕陷時，應采用土工布。

3.2 土工布在濕陷性黃土地基中的施工要點

當利用土工布處理濕陷性黃土地基時，在輸電塔混凝土基礎結構下部設置灰土墊層，同時沿著灰土墊層四周設置灰土隔水墻[5]。土工布的主要作用為防水，避免地面滲水侵蝕灰土隔水墻和灰土墊層。因此，當回填夯實塔基填土時，在灰土隔墻上部一定距離設置土工布，施工要點如下。

3.2.1 土工布鋪設面處理

在鋪設土工布前，應該清理鋪設面基土中的樹根、草根以及其他尖銳的突出物。清理完成之后，在基土表面灑水，通過滾筒將表面處理平整，提高基層與土工布的吻合度。

3.2.2 土工布鋪設

在輸電塔基礎外圍挖設1道溝槽，其寬度和深度分別設計為20cm、30cm。溝槽開挖完成后，將土工布的端頭鋪設在溝槽內，上部回填覆土，發揮固定作用[6]。隨后開始鋪設土工布，確保其張馳度、搭接寬度、平整度滿足要求。在鋪設過程中，按照3.0m的間隔設置砂袋，防止鋪設完成的土工布發生位移。土工布以膜焊布縫的方式進行連接。土工布鋪設完成后，立即組織開展上覆層回填工作。

4 結語

該項目為750kV高壓輸電線路，所在地區以濕陷性黃土為主，遇水增濕后容易發生變形，影響塔基的穩定性。為了制定合理的施工方案，研究過程運用有限元分析法模擬濕陷性黃土地基的增濕變形情況，得出以下結論。1）塔基施工初步擬定了4種作業方案，編號為I、II、III、IV，4種方案的區別在于灰土墊層和灰土防水層。經過有限元數值模擬，對比塔基左右兩側濕陷性黃土的沉降量和水平位移。結果顯示，I、II、III施工方案的整體變形量較小，而方案IV的豎向沉降量可達到25cm，沉降值過大，不滿足要求。因此，塔基施工方案不宜采用方案IV。2）為了進一步提高濕陷性黃土地基的穩定性，在施工過程中可引入土工布，將其鋪設在塔基灰土隔墻和灰土墊層上方。土工布具有良好的防滲性，可減少降雨或者灌溉水對塔基的影響。另外，在塔基周圍應設置排水通道，避免形成積水。

參考文獻

[1]任文博，李佳佳，劉云龍，等.急速增濕條件下濕陷性黃土中樁基的承載性狀[J].科學技術與工程，2024，24（13）：5516-5524.

[2]代偉.濕陷性黃土地區增濕型素土擠密樁施工技術[J].石材，2023（5）：60-62.

[3]徐文濤，張忠雄，董寶志，等.大厚度濕陷性黃土填方地基增濕強夯試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2023，21（1）：151-159.

[4]劉婭妮.大厚度濕陷性黃土地基處理方法分析[J].四川水泥，2024（9）：21-22，54.

[5]趙玉濤.深厚嚴重濕陷性回填黃土地基處理及樁基設計應用案例[J].中國建筑金屬結構，2024，23（7）：23-25.

[6]劉小華，廖紅建，李明澤，等.濕陷性黃土地基大跨度樁基承載特性模型試驗[J].西北大學學報（自然科學版），2024，54（1）：93-100.