輸電線路斜坡場地地震效應(yīng)的數(shù)值模擬研究

陳禺樹，趙其華，陳繼彬

隨著我國西部水電的不斷開發(fā)投產(chǎn)，大量的電力輸送線路穿越斜坡地段的高地震烈度區(qū)，與一般平坦場地相比，陡峻邊坡的地震動參數(shù)明顯大于平整場地?cái)?shù)倍，其失穩(wěn)破壞規(guī)模及致災(zāi)力尤為突出，特別是汶川地震和蘆山地震，在陡坡地形帶中因地震烈度高而誘發(fā)了大量桿塔場地失穩(wěn)［1－2］。

斜坡地形地震效應(yīng)，即對因動力輸入導(dǎo)致斜坡響應(yīng)進(jìn)行探究，具體涉及到如下方面，即在斜坡之中因動力導(dǎo)致的位移、加速度等［3］。探究方式多為現(xiàn)場進(jìn)行觀測、室內(nèi)測試等［4－5］，以天然地震作用如何影響斜坡作為探究方向。就斜坡坡度、高度等諸多因素如何影響場地地震效應(yīng)進(jìn)行探究［3，6－7］，表示動力響應(yīng)相對強(qiáng)烈的當(dāng)屬斜坡中上部巖土體，位移、加速度均體現(xiàn)出放大效應(yīng)［3，8－9］。同時，場地地基效應(yīng)研究中，我國規(guī)范［10］根據(jù)覆蓋層厚度和地基土等效剪切波速度將場地類別劃分為四大類，依據(jù)周期可自 0．2 s增至 0．0 s［11］。結(jié)合地形、土質(zhì)等的差異，覆蓋層對地震波可能發(fā)揮隔震、濾波作用［12－13］，也可能具有放大作用。但目前研究主要集中在概化模型的處理和分析上，缺少針對西南山區(qū)碎石土斜坡場地的研究，尤其是實(shí)體場地中地震波的放大效應(yīng)情況不甚明確，難以直接用于評價碎石土斜坡地震動力響應(yīng)的穩(wěn)定性，同時對不同覆蓋層和基巖性狀動力表現(xiàn)相對比較含糊，也未見斜坡場地碎石土類覆蓋層方面的專門研究。

論文對 FLAD3D動力數(shù)值模擬方式加以運(yùn)用［14－16］，選取西南輸電線路易穿越的地貌、地基土作為輸電線塔位（以某500 kV輸電線路149＃塔位為例），考慮場地、地基條件、樁基礎(chǔ)、桿塔特征，探討場地遭遇實(shí)際地震作用時的場地地震效應(yīng)，并探討基巖巖性、覆蓋層厚度對場地地震效應(yīng)的影響。

1 塔位場地條件

1．1 場地條件

塔位場地位于天全縣小河鄉(xiāng)順河村5組，地處小河鄉(xiāng)小河左岸，為8度地震烈度區(qū)。場地類型為薄覆蓋層下伏基巖，斜坡中后部坡度約40°～65°，坡腳坡度約5°～20°。場地地形圖見圖1。

圖1 場地工程地質(zhì)平面圖

地基覆蓋層主要為碎石土，黃褐色，碎石含量10% ～15%，粒徑一般為0．5 cm～4．0 cm，塊石粒徑10 cm～20 cm。山頂覆蓋層厚3 m，山底覆蓋層厚5 m。基巖為棕紅色鈣質(zhì)粉砂巖，致密塊狀。巖土體參數(shù)參考輸電線路的工程勘察資料及相關(guān)手冊取值，見表1。

表1 巖土體介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)

1．2 樁基礎(chǔ)及鐵塔特征

基礎(chǔ)屬于C30混凝土人工挖孔樁基礎(chǔ)。在山脊近脊頂部位為Ⅰ號樁，西部約為40°臨空坡度，而斜坡頂部后部平臺即為Ⅱ號樁，北側(cè)約為45°臨空坡度，斜坡坡頂中央即為Ⅲ號樁，Ⅳ樁位于斜坡上部，西側(cè)臨空（如圖1所示）。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ號樁樁長10 m，樁徑 2．6 m，埋深 9．5 m；Ⅲ號樁樁長 7．5 m，樁徑 2．6 m，埋深 7．0 m。

塔體結(jié)構(gòu)為SZ21型直線型塔，其中總高60．5 m呼稱高44．5 m，基礎(chǔ)底寬與主塔頂寬度分別為20 m和2 m，設(shè)有上、中、下三處橫擔(dān)，最大和最小伸臂長度分別為6．5 m和4．6 m，以呼稱高下 22．5 m處為分界點(diǎn)桿塔分為兩個均勻錐度段，向上逐漸收縮界面，平面尺寸如圖2所示。

圖2 輸電塔尺寸

2 場地地震效應(yīng)分析方法

采用FLAC3D動力分析模塊進(jìn)行本次數(shù)值計(jì)算。根據(jù)場地、地基條件、樁基礎(chǔ)、桿塔特征建立計(jì)算模型。

2．1 模型建立及參數(shù)取值

2．1．1 建立模型

（1）模型根據(jù)場地實(shí)際地形構(gòu)建，連接四、五以及六面體混合網(wǎng)格單元，由此匹配形成模型。計(jì)算模型長 y＝357 m，寬 x＝290 m，最大高度250 m。

（2）依據(jù)尺寸，對柱型網(wǎng)格建模加以運(yùn)用。并結(jié)合文獻(xiàn)［17］，將無厚度的樁－土接觸面單元構(gòu)建于地面線下部。

（3）輸電線鐵塔為典型的空間桁架結(jié)構(gòu)，建模分析時采用空間梁單元模擬，對其進(jìn)行彎曲剛度與剪切剛度的的賦值。

所建模型如圖3所示。2．1．2 模型邊界條件在計(jì)算模型邊界條件方面，對應(yīng)原則包括如下：（1）將底部邊界設(shè)定為水平、豎直兩種方向的位移約束；

圖3 計(jì)算模型圖

（2）將側(cè)向邊界設(shè)定為水平相位位移約束；（3）頂部邊界屬于自由邊界；

（4）在動力分析時，運(yùn)用自由場網(wǎng)格、阻尼器，來對主體網(wǎng)格側(cè)邊界完成耦合，在其邊界上施加自由場網(wǎng)格不平衡力，模型周圍邊界條件選取為自由場邊界［15］。

2．1．3 模型參數(shù)選取

（1）按表1選取鐵塔模型、樁基礎(chǔ)、場地的參數(shù)；

（2）樁－土接觸面的法向剛度（Kn）與剪切剛度（Ks），取 2×109。相對而言，樁土接觸界面較為粗糙，且具備突出的摩擦性，其以0．8倍樁周土的 c、φ值作為接觸面的 c、φ 值［14］；

（3）本文采用瑞雷阻尼理論［15］將阻尼矩陣簡化為質(zhì)量矩陣 M和剛度矩陣K的線性組合，并根據(jù)規(guī)范［11］：鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)、地基土，輸電線鐵塔阻尼比取為0．02。

2．2 水平地震荷載選取

基準(zhǔn)波選定為汶川地震臥龍臺水平地震波，對應(yīng)時間處于10 s至22 s，則為振動峰值區(qū)，在此之中輸入地震波形，進(jìn)而截取計(jì)算該區(qū)域地震波，截取時間自0到25 s。

在此之中，通過人工濾波方式來縮小幅值，具體可參見圖4，調(diào)整水平地震峰值加速度為8度。最大峰值加速度在調(diào)整后為3．00 m／s2。對水平、豎向地震加速度耦合作用予以考慮，依照規(guī)范［9］，對豎向加速度的三分之二作為水平加速度。輸入水平地震波依照圖1中箭頭所示方向。

2．3 場地地震效應(yīng)表征指標(biāo)

在地震力作用下，高地震烈度區(qū)場地應(yīng)力變形會隨時間變化，峰值加速度對斜坡穩(wěn)定性影響較大，永久位移能夠反映陡坡整體穩(wěn)定性程度。模型收集斜坡表面豎向、水平永久位移、加速度放大系數(shù)等，進(jìn)而對陡坡地形地震效應(yīng)予以體現(xiàn)［14］。

圖4 地震加速度時程曲線

（1）加速度放大系數(shù)描述方式。加速度放大系數(shù)，即斜坡坡面、坡腳位置地震動力反應(yīng)加速度峰值的比值，即 gpm、gpj的 比值［3］。

（2）永久位移描述方式。對地震力作用結(jié)束時，對應(yīng)于坡面的永久位移進(jìn)行收集，即 Spm。

（3）考察點(diǎn)選取。對相同于水平地震波入射方向坡面地震加速度放大系數(shù)、永久位移進(jìn)行考察，主要考察圖1中1－1剖面線。模型位移、加速度一致于坐標(biāo)軸正向，即為正，相反則是負(fù)。

3 場地地震效應(yīng)結(jié)果分析

結(jié)合事實(shí)來看，因巖土體力學(xué)狀況受重力影響較為顯著。在對動力加以分析前，需關(guān)閉時間積分效果，并結(jié)合最小時步來完成靜力計(jì)算，并設(shè)定由此取得的應(yīng)力場，作為初始應(yīng)力場。在進(jìn)行動力分析方面，將關(guān)閉效果再次打開，并在模型底部輸入地震加速度時程曲線，進(jìn)行動力計(jì)算。在計(jì)算時，出于對彈塑性問題的考慮，進(jìn)而選定 Mohr－Coulomb模型［14，18］。

3．1 場地加速度放大系數(shù)

圖5為對應(yīng)于塔位場地剖面的水平、豎向地震加速度放大系數(shù)隨高程變化曲線。

圖5 地表加速度放大系數(shù)－高程曲線

從圖5可見，地震波入射與坡面方向一致時，位于斜坡上部、坡度約為40°、具3 m厚覆蓋層下伏軟巖的場地，豎向、水平峰值加速度放大系數(shù)達(dá)到1．8上下。

水平峰值加速度放大系數(shù)順坡面向上并非線性放大，而具有波動放大的效應(yīng)，在坡高達(dá)到五分之一時，增加至1．8，達(dá)到二分之一時，數(shù)值減小為 1．0，此后近似于線性增大，最大值出現(xiàn)于坡頂位置，達(dá)到1．8。在坡高不到五分之四時，豎向加速度放大系數(shù)處于加速度放大效應(yīng)衰減區(qū)，五分之四至坡頂則迅速放大，坡頂達(dá)到最大值，約為1．8。

結(jié)果顯示，塔位場地的水平地震峰值加速度分別為0．45 g和0．3 g，地震效應(yīng)局部放大使其達(dá)到9度，這與斜坡微地貌的變化關(guān)系較為明顯，塔位位于斜坡凸起部位，致使加速度放大系數(shù)曲線出現(xiàn)波動。

3．2 場地永久位移

塔位場地剖面的水平和豎向位移變化見圖6。

圖6 地表永久位移－高程曲線

從圖6可見，剖面水平和豎向位移從坡腳至坡頂處基本呈線性增大，均從0．02 m增大至0．08 m。塔位處水平和豎向位移分別均約為0．08 m。總體上水平和豎向位移大致相同。

4 場地地震效應(yīng)影響因素分析

通過改變基巖的強(qiáng)度和覆蓋層的厚度，研究陡坡地形帶中不同地基條件下的地震效應(yīng)。其中，地基不同覆蓋層厚度的地震效應(yīng)研究，通過改變地基覆蓋層厚度，厚、中厚、薄覆蓋層厚度分別為1／3樁長、1／2樁長、2／3樁長；通過改變基巖物理力學(xué)參數(shù)，考慮不同堅(jiān)硬程度基巖的地震效應(yīng)。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

4．1 地基覆蓋層厚度

分析計(jì)算出覆蓋層厚度分別為薄、中厚、厚時豎向和水平地震加速度放大系數(shù)圖如圖7所示。豎向地震永久位移和水平地震永久位移－高程曲線如圖8所示。

圖7 峰值加速度放大系數(shù)－高程曲線

圖8 永久位移－高程曲線

結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)，在覆蓋層厚度持續(xù)減小的同時，水平、豎向峰值加速度放大系數(shù)均隨之而增大。

1／2坡高以下水平加速度放大系數(shù)隨覆蓋層厚度增加變化不明顯，在1／2坡高到坡頂處，明顯隨覆蓋層增加而減小。豎向加速度放大系數(shù)在全坡面范圍內(nèi)則表現(xiàn)為減小趨勢。但是豎向和水平加速度放大系數(shù)－高程曲線變化規(guī)律不隨覆蓋層厚度增加而變化，與薄覆蓋層時加速度放大系數(shù)曲線變化相似。

從圖8可見，在覆蓋層厚度持續(xù)減小的同時，水平、豎向永久位移隨之減小。中、薄、厚覆蓋層的水平、豎向位移沿坡面向上近似線性增加，在坡頂達(dá)到最大值。厚覆蓋層斜坡在斜坡中下部沿坡向上近似線性增加，坡高1／2到坡頂迅速增大，在坡頂達(dá)到最大值。

總體來說：就本例而言，曲線波動段加速度和位移隨覆蓋層厚度變化率見表2所示。

表2 加速度和位移隨覆蓋層厚度變化率

4．2 地基基巖強(qiáng)度

豎向和水平地震加速度放大系數(shù)圖見圖9。豎向和水平地震永久位移－高程曲線見圖10。

圖9 峰值加速度放大系數(shù)－高程曲線

圖10 永久位移－高程曲線

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在基巖強(qiáng)度增強(qiáng)的同時，水平、豎向峰值加速度放大系數(shù)均隨之而增加。

在全坡面范圍內(nèi)，豎向加速度放大系數(shù)則持續(xù)減小。當(dāng)水平加速度放大系數(shù)在1／2坡高以下隨基巖強(qiáng)度增加變化不明顯，在1／2坡高到坡頂處，明顯隨基巖強(qiáng)度增加而增大。但是豎向和水平加速度放大系數(shù)－高程曲線變化規(guī)律不隨基巖強(qiáng)度變化而變化，均與軟巖時加速度放大系數(shù)曲線變化相似。

從圖10可見，隨基巖強(qiáng)度增大，豎向永久位移和水平永久位移減小。

總體來說：就本例而言，曲線波動段加速度和位移隨基巖強(qiáng)度變化率見表3所示。

表3 加速度和位移隨覆蓋層厚度變化率

5 結(jié) 論

西南山區(qū)碎石土斜坡場地地震效應(yīng)是電力設(shè)施建設(shè)中需深入探究的問題。通過FLAD3D數(shù)值分析方式的運(yùn)用，并將西南地區(qū)典型輸電線塔位作為具體案例，考慮場地、地基條件、樁基礎(chǔ)、桿塔特征，探討場地遭遇實(shí)際地震作用時的場地地震效應(yīng)，并探討基巖巖性、覆蓋層厚度對場地地震效應(yīng)的影響。得出：

（1）斜坡地震波入射方向一致，處于斜坡上部、坡度約為40°、具3 m厚覆蓋層下伏軟巖的場地，沿著坡面向上，峰值加速度放大系數(shù)具備波動放大效應(yīng)，豎向和水平位移從坡腳至坡頂處基本呈線性增大。塔位處斜坡微地貌的變化使得豎向和水平峰值加速度放大系數(shù)均達(dá)到1．8左右，地震效應(yīng)局部放大較原始輸入地震烈度增加1度。

（2）斜坡峰值加速度放大系數(shù)隨覆蓋層厚度的增大而減小，隨基巖強(qiáng)度的增加而增大。斜坡永久位移則隨覆蓋層增加而增加，隨基巖強(qiáng)度的增加而減小。

（3）覆蓋層厚度每增加1 m，豎向和水平加速度放大系數(shù)分別減小0．12、0．16。薄覆蓋層變化到中厚覆蓋層，覆蓋層每增加1 m永久位移增加0．1 m；中厚覆蓋層變化到厚覆蓋層，覆蓋層每增加1 m永久位移增加0．4 m。

（4）隨基巖強(qiáng)度增加，豎向加速度放大系數(shù)較水平加速度放大系數(shù)受基巖強(qiáng)度影響較為明顯。參考文獻(xiàn)：

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