公路邊坡與坡頂輸電鐵塔相互作用與成災(zāi)機(jī)制的反演分析

高 智，顧中華，王 浩

(1.福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 福建 福州 350116；2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350116；3.福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 福建 福州 350004)

在山地城鎮(zhèn)建設(shè)中，由于地形限制，高壓輸電線路常與公路或鐵路等交通干線共用走廊帶，輸電鐵塔常被架設(shè)在道路上方的斜坡地段，并與道路邊坡的開挖建設(shè)相互影響，從而導(dǎo)致塔基邊坡的變形或失穩(wěn)，進(jìn)而威脅輸電線路和道路交通的安全運(yùn)營。

當(dāng)前對山區(qū)輸電鐵塔邊坡的研究集中在邊坡穩(wěn)定性、電塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及防護(hù)加固措施等方面，陳曉佳等人對香港、深圳及四川等地的電塔邊坡進(jìn)行區(qū)域性調(diào)研，綜合資料分析與模型計(jì)算對區(qū)內(nèi)電塔邊坡病害類型與危害程度進(jìn)行總結(jié)[1-4]；文獻(xiàn)[5-9]將電塔作為坡頂建筑荷載進(jìn)行分析，研究了電塔自重及風(fēng)力橫向荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性及在斜坡地形建造電塔的合理位置；文獻(xiàn)[9-14]分析了開挖、爆破、地震等外界因素?cái)_動對電塔及邊坡產(chǎn)生的影響及對應(yīng)的破壞模式；文獻(xiàn)[15-19]針對抗滑樁、樁板墻等支護(hù)方式加固電塔邊坡的治理效果展開研究，對欠穩(wěn)定的電塔邊坡提出針對性的治理建議。

本文基于某500 kV超高壓輸電線路塔基邊坡漸進(jìn)破壞而導(dǎo)致電塔損壞的實(shí)際案例，基于滑坡穩(wěn)定度反分析方法反演變形破壞演化過程，定量分析開挖和降雨的作用機(jī)制，總結(jié)塔基邊坡的致災(zāi)模式，從而為邊坡治理提供依據(jù)。

1 工程概況

福州南連接線高速公路YK8+590—YK8+658段右側(cè)為開挖3級、高約25 m的路塹邊坡，在塹頂上方的斜坡處建有2座福州—莆田500 kV超高壓輸電線路鐵塔，其中1#鐵塔距離塹頂線僅13 m，2#鐵塔距離塹頂線約85 m。在路塹邊坡設(shè)計(jì)時(shí)，采用錨索框架加固邊坡，并在邊坡右側(cè)的M形溝谷地段設(shè)置抗滑樁以控制潛在邊坡變形。邊坡建成運(yùn)營后，受極端降雨影響，路塹邊坡產(chǎn)生變形，誘發(fā)塔基不均勻沉降，繼而導(dǎo)致鐵塔結(jié)構(gòu)破壞，其中1#塔受損嚴(yán)重被迫拆除，最終不得不耗資2 000余萬元對邊坡再次加固。

圖1 邊坡及電塔全貌

該邊坡場區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，自然斜坡相對高差超過100 m，邊坡上陡下緩，坡度在10°～25°之間。1#輸電塔位于塹頂緩坡臺地的地形過渡段，該段路塹邊坡第1級坡面設(shè)計(jì)坡比為1∶0.5，第2級、第3級設(shè)計(jì)坡比為1∶1.25，每級坡高8 m～10 m，開挖后的邊坡典型斷面如圖2所示。

圖2 邊坡工程地質(zhì)模型

邊坡上覆坡積含碎石土與殘積黏性土，下伏基巖為燕山晚期花崗閃長巖，邊坡主體由坡、殘積土與全風(fēng)化軟巖組成，為福建地區(qū)較典型的類土質(zhì)邊坡。坡表覆蓋有4 m～6 m厚的含碎石黏性土，土質(zhì)疏松，入滲性好，接受地表水補(bǔ)給能力強(qiáng)且具有較好的持水能力。坡體中部的殘積黏性土厚約12 m，是邊坡變形破壞主體；該層土粉黏粒含量較高，含少量細(xì)砂，易吸水且飽水后強(qiáng)度衰減明顯，其飽和快剪試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角僅為14°。殘積土下部的全風(fēng)化花崗閃長巖性狀與殘積土類似，工程性質(zhì)僅略高于殘積土，遇水易軟化、崩解導(dǎo)致強(qiáng)度明顯衰減。

場區(qū)地下水主要集中在坡殘積層孔隙及風(fēng)化基巖裂隙中，綜合現(xiàn)場調(diào)查及地下水位觀測資料，邊坡在旱季無降雨時(shí)地下水補(bǔ)給排泄大致平衡，水位基本穩(wěn)定。邊坡表層廣泛分布松軟坡積含碎石土層，雨季持續(xù)性的降水將滲入該層并形成上層滯水，隨著降雨的持續(xù)，上部土層長期飽和，上層滯水下滲補(bǔ)給潛水，水位將持續(xù)上升，是場地主要的水文地質(zhì)特征。

2 邊坡變形破壞特征

該邊坡變形與當(dāng)年春季3月—5月間福州地區(qū)多達(dá)58 d的持續(xù)降雨密切相關(guān)，在此期間監(jiān)測得到的邊坡深部位移曲線(見圖3)已發(fā)現(xiàn)邊坡發(fā)生蠕動變形，該階段位移量值較小，變化速率相對穩(wěn)定。6月中旬，受臺風(fēng)帶來的集中強(qiáng)降雨影響，邊坡變形加劇，坡體后緣共計(jì)產(chǎn)生9道拉裂縫，其中多道分布于1#塔周邊，裂縫最大寬度約5 cm。同時(shí)，監(jiān)測曲線捕捉到明顯的變形增量，發(fā)展速率較快，而且具有典型的雙層滑動變形特征，體現(xiàn)邊坡以逐步由蠕動變形階段轉(zhuǎn)化為滑動變形階段。

圖3 邊坡深部位移曲線

隨著邊坡變形的繼續(xù)發(fā)展，1#塔受損嚴(yán)重，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)亦存在不同程度的破損，其中第1級坡面的混凝土擋墻發(fā)生鼓脹與開裂，坡腳排水溝受擠壓而封閉，路面隆起，此外2級、3級坡面也存在平臺開裂、錨索框架梁折斷等現(xiàn)象(見圖4、圖5)。

圖4 1#塔周邊拉裂縫

由于受邊坡既有錨索加固和降雨誘發(fā)地下水上升的共同作用，邊坡體現(xiàn)出時(shí)滑時(shí)停的變形特征，欠穩(wěn)定坡體在降雨期間變形加劇，滑坡推力使支護(hù)結(jié)構(gòu)局部受損；降雨過后坡體地下水位下降，邊坡在現(xiàn)有支護(hù)體系的作用下暫時(shí)維持穩(wěn)定。隨著雨季的進(jìn)行與臺風(fēng)頻發(fā)期的到來，地下水長期維持較高水位，邊坡應(yīng)力與變形逐步累積，極易導(dǎo)致錨索結(jié)構(gòu)大量失效，演化為整體滑動失穩(wěn)。

圖5 錨索框架梁折斷

3 邊坡變形破壞過程反演分析

3.1 計(jì)算模型與反演步驟

滑坡孕育過程中滑帶土強(qiáng)度的衰減、滑動面的剪切貫通、滑動周界的延展閉合均需經(jīng)歷一個(gè)過程，在此過程中滑坡整體穩(wěn)定度是不斷變化的。對于具有明顯變形特征的邊坡，由于其穩(wěn)定系數(shù)接近于Fs=1.0的臨界狀態(tài)，可以據(jù)此為反演目標(biāo)，計(jì)算分析得到邊坡主要巖土力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)滑坡變形破壞的階段劃分，依據(jù)邊坡穩(wěn)定度反分析原理開展模擬反演與定量評估。為進(jìn)一步分析邊坡破壞機(jī)理，對邊坡變形孕育過程進(jìn)行數(shù)值反演。

基于圖2所示的邊坡工程地質(zhì)模型，考慮原地形、開挖坡形、支護(hù)結(jié)構(gòu)位置等，采用Phase2巖土工程有限元程序建立邊坡數(shù)值模型。該模型取自鐵塔所在的YK8+638典型斷面，模型左側(cè)邊界取至公路左側(cè)路塹邊坡，右側(cè)取至自然斜坡山頂，模型中原設(shè)計(jì)布設(shè)的第2級、3級錨索橫、豎排間距均為4 m，設(shè)計(jì)拉力為500 kN。

根據(jù)邊坡地下水位監(jiān)測資料，將代表性地下水位施加在數(shù)值模型中，圖6中的浸潤線分別代表旱季穩(wěn)定水位與臺風(fēng)暴雨期內(nèi)測得的最高水位，以最高水位時(shí)邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.0為目標(biāo)進(jìn)行巖土參數(shù)反算，結(jié)果如表1所示。

圖6 邊坡有限元模型

表1 巖土參數(shù)反算值

3.2 建造過程反演

邊坡經(jīng)歷了鐵塔建造與路塹開挖兩次工程活動，分別對其進(jìn)行模擬并使用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡各階段的穩(wěn)定系數(shù)Fs。

輸電鐵塔的建造只改變了塔基位置的局部微地形且基礎(chǔ)埋深較小，故將鐵塔建造過程的模擬簡化為在塔基位置施加對應(yīng)豎向荷載，圖7為電塔建造后的邊坡剪應(yīng)變云圖。

圖7 塔基巖土體剪應(yīng)變圖

兩座電塔型號規(guī)格一致，計(jì)算時(shí)在塔基范圍施加相同均布荷載P=50 kPa進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明邊坡在兩處產(chǎn)生的變形具有顯著差異。1#塔位于斜坡中下部，地層平緩，覆蓋層厚度較大，塔基土體未產(chǎn)生明顯剪切變形，以沉降變形為主。2#塔位于斜坡中部，下伏基巖面順坡陡傾，覆蓋層厚度較小，塔基土體受到電塔荷載后在殘積土與風(fēng)化巖界面處觀察到剪切變形，該段邊坡變形為依附風(fēng)化界面產(chǎn)生滑移。

施加電塔荷載后，坡體中段巖土體出現(xiàn)局部變形，但此時(shí)尚未開挖路塹，前段坡體對其起到良好的阻滑作用，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs僅從建造前的1.49降低至1.47，整體穩(wěn)定未受影響。

路塹施工順序?yàn)殚_挖3級后逐級加固，邊坡穩(wěn)定性隨著開挖的進(jìn)行逐步下降，而后在支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下回升，加固后的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.21，施工期內(nèi)邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs均維持在在1.05以上，符合規(guī)范[20]要求。

開挖解除了邊坡的側(cè)向約束，原有力學(xué)平衡遭到破壞，開挖面附近出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，松弛區(qū)以外的部分巖土體經(jīng)應(yīng)力重分布，轉(zhuǎn)而承擔(dān)更多來自邊坡后部的荷載，這一過程中邊坡產(chǎn)生變形。

開挖引起邊坡前段變形，坡表土體卸荷回彈，坡頂一定范圍內(nèi)產(chǎn)生沉降，邊坡中后段受牽引產(chǎn)生少量變形(見圖8)。其中1#塔跨越沉降區(qū)，兩側(cè)塔腿存在微量不均勻沉降，與邊坡前級滑動變形存在相互影響；2#塔整體位于牽引變形區(qū)內(nèi)，受開挖影響較小。

圖8 開挖后邊坡豎向位移圖

3.3 降雨觸滑過程反演

邊坡主要變形發(fā)生在3月—6月的雨季和臺風(fēng)期間，1#塔在臺風(fēng)過后因塔基變形而損壞。在此過程中，監(jiān)測資料顯示，邊坡地下水位是逐步上升的。將圖6所示的旱季最低水位和臺風(fēng)暴雨期間最高水位，以及在此區(qū)間內(nèi)浮動的雨季初期和雨季后期典型地下水位依次施加在模型中，得到圖9所示的邊坡變形破壞特征、穩(wěn)定狀態(tài)及其演變規(guī)律。

旱季邊坡地下水位大致穩(wěn)定，浸潤線位于強(qiáng)風(fēng)化基巖中，雨季初期水位上漲至全風(fēng)化層內(nèi)，邊坡中段土體依附砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖頂面產(chǎn)生剪切變形；雨季后期邊坡水位上漲至殘積土層與全風(fēng)化層交界面附近，邊坡中段變形加劇，邊坡前段沿碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖頂面產(chǎn)生剪切變形，穩(wěn)定系數(shù)Fs由旱季的1.21降至1.09，邊坡整體從穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入蠕動變形階段；臺風(fēng)期間受強(qiáng)降雨補(bǔ)給，邊坡水位躍升至殘積土層內(nèi)，坡體前、中段兩個(gè)剪切變形帶基本貫通，形成的主滑動面延伸至坡前公路下方，殘積土與全風(fēng)化層內(nèi)部亦在坡面附近產(chǎn)生次級滑動面，變形特征與坡表支擋結(jié)構(gòu)受損、坡前路面隆起等現(xiàn)象相符合。

4 邊坡與鐵塔的變形破壞機(jī)制

4.1 公路邊坡變形機(jī)理

通過對邊坡變形孕育過程進(jìn)行的數(shù)值反演，還原了邊坡失穩(wěn)演化過程。路塹開挖階段邊坡穩(wěn)定性顯著下降，后在支擋結(jié)構(gòu)作用下恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡前段即存在初始變形；雨季邊坡地下水位抬升，邊坡前、中段孕育出新的剪切變形帶，隨著水位的升降邊坡處于時(shí)滑時(shí)停的蠕動變形階段；臺風(fēng)暴雨期間邊坡地下水上漲至危險(xiǎn)水位，坡體剪切變形帶基本貫通，邊坡進(jìn)入滑動變形階段，在既有支擋結(jié)構(gòu)作用下維持臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 水位抬升過程的剪應(yīng)變發(fā)展

綜合各階段邊坡變形發(fā)展特征，總結(jié)邊坡變形破壞機(jī)理如下：

(1) 輸電鐵塔的建造引起塔基位置的局部剪切變形，路塹開挖后邊坡前段巖土體在應(yīng)力重分布過程中產(chǎn)生局部變形與屈服。前期施做的支護(hù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)了邊坡的力學(xué)平衡，但邊坡巖土體產(chǎn)生了不可逆的累進(jìn)性破壞與強(qiáng)度劣化。

(2) 雨季邊坡地下水位上漲，巖土體自重增加、強(qiáng)度衰減，坡體上部的殘積土、全風(fēng)化層沿下伏基巖面產(chǎn)生剪切變形，邊坡進(jìn)入蠕動變形階段。

(3) 臺風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨使邊坡地下水位進(jìn)一步上漲，邊坡前、中段形成基本貫通的滑動面并向后牽引生成新的潛在滑動面，邊坡進(jìn)入滑動變形階段。既有支護(hù)結(jié)構(gòu)對邊坡起阻滑作用，邊坡未能在坡腳剪出破壞，滑動面向下延伸發(fā)展，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)局部破損與路面隆起。

4.2 輸電鐵塔失效模式

在邊坡未發(fā)生整體破壞的情況下，塔基變形引發(fā)電塔結(jié)構(gòu)受損，是本次事故產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失的直接原因。為進(jìn)一步分析電塔受損原因，繪制塔腿沉降曲線與邊坡位移云圖如圖10、圖11所示。

圖10 塔腿沉降曲線

圖11 暴雨期邊坡位移圖

1#、2#塔分別位于邊坡兩處變形區(qū)內(nèi)，其中1#塔跨越了邊坡前段開挖卸荷區(qū)，開挖后邊坡因卸荷松弛向臨空面產(chǎn)生位移，靠近開挖面的1#塔前側(cè)塔腿受變形牽引出現(xiàn)明顯沉降，而后側(cè)塔腿受開挖擾動較小，故1#塔兩側(cè)塔腿在開挖后存在顯著的不均勻沉降將導(dǎo)致電塔主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜。雨季地下水位上漲誘發(fā)坡體產(chǎn)生進(jìn)一步變形，鐵塔再次產(chǎn)生沉降后因變形超限而迫拆除。而2#塔因其整體位于邊坡中段的牽引變形區(qū)內(nèi)，雖受邊坡變形牽引出現(xiàn)沉降與側(cè)移，但塔身傾斜量小，鐵塔結(jié)構(gòu)受損程度較輕。

5 結(jié)論與建議

(1) 通過有限元方法對邊坡破壞過程進(jìn)行反演分析，結(jié)果表明：輸電鐵塔的建造與路塹開挖導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)應(yīng)力集中與局部變形，邊坡建成后在支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下維持穩(wěn)定。雨季地下水位不斷抬升，誘發(fā)邊坡整體變形產(chǎn)生累進(jìn)性破壞，鐵塔受塔基巖土體變形牽引而損壞。

(2) 邊坡變形呈多級牽引發(fā)展，分處坡體不同位置的兩座鐵塔受損程度存在差異。靠近開挖面的1#塔跨越變形嚴(yán)重的卸荷松馳區(qū)，兩側(cè)塔腿存在顯著不均勻沉降導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，2#塔整體位于坡體中部的牽引變形區(qū)內(nèi)，塔體變形以側(cè)移為主，塔體結(jié)構(gòu)受損程度較輕。

(3) 輸電鐵塔等構(gòu)筑物相對邊坡而言具有更高的易損性，對邊坡不均勻變形尤為敏感，對建有重要構(gòu)筑物的邊坡應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)穩(wěn)定性驗(yàn)算，并在施工、設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮邊坡變形對構(gòu)筑物產(chǎn)生的影響，通過合理的支護(hù)方式與施工順序避免構(gòu)筑物的損壞。