持續(xù)強降雨條件下黃土-紅層地區(qū)輸電線路塔基場地

王國尚 李朝暉 趙棟 張國明 何永強 魏明強

摘 要：特殊巖土復合地貌區(qū)域輸電線路塔基在極端降雨天氣極易出現(xiàn)塔基不穩(wěn)定問題。通過對臨夏地區(qū)黃土-紅層二元結(jié)構(gòu)斜坡上塔基持續(xù)強降雨后出現(xiàn)的病害調(diào)查，發(fā)現(xiàn)黃土-紅層斜坡構(gòu)成的建筑場地地基穩(wěn)定性主要受以下因素影響，即地貌人工改造，黃土-紅層的特殊巖土工程性質(zhì)，持續(xù)強降雨對巖土特性劣化，坡體滲流場的變化等。研究表明臨夏地區(qū)黃土-紅層斜坡以淺層破壞為主，具有蠕變塌滑特征。持續(xù)強降雨導致二元結(jié)構(gòu)斜坡出現(xiàn)平行坡面滲流與土層基巖界面滲流。在考慮飽和狀態(tài)下土層參數(shù)及滲流場的影響時，斜坡穩(wěn)定系數(shù)遠小于1，因此在氣候變暖極端天氣增多的大氣候條件下，輸電線路工程應考慮暴雨重現(xiàn)期和降雨持時的影響，塔基基礎應嵌入紅層以下一定深度，設計應當考慮淺層土體水平變形，或采用其他工程措施抵消水平應力。

關鍵詞：塔基病害;持續(xù)強降雨;塔基穩(wěn)定;黃土;紅層

中圖分類號：TU433 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0096-06

Abstract：The instability of the tower base of transmission line in the special soil-rock complex landform area is easy to occur in extreme rainfall weather. Through the investigation of the diseases that appeared after continuous heavy rainfall on the tower foundation on the loess-red layer dual structure slope in Linxia area， it is found that the stability of the building site composed of loess-red beds slope is mainly affected by the following factors： artificial transformation of geomorphology， special geotechnical engineering properties of loess-red beds-slope， deterioration of rock and soil characteristics by continuous heavy rainfall， the change of the seepage field of the slope， etc. The study shows that the loess-red beds slope in Linxia area is dominated by shallow failure， with creep-slump characteristics. Continuous heavy rainfall results in parallel slope seepage with dual structure and soil bedrock interface seepage. The slope stability coefficient is much less than 1 when considering the influence of soil parameters in saturated state and seepage. Therefore， the heavy rain recurrence period and rainfall holding time should be taken into account in the transmission line project under the condition of increasing extreme climate. The tower foundation should be embedded in a certain depth below the red beds layer， and the horizontal deformation of shallow soil should be considered in the design， or other engineering measures should be adopted to counteract the horizontal stress.

Key words：disease of tower foundation;continuous heavy rainfall;stability of tower foundations;loess;red beds

0 引言

輸電線路工程地域跨度大，工程環(huán)境相對惡劣。隨近年來全球氣候變化，極端惡劣的災害性天氣對電力系統(tǒng)的影響更加頻繁，據(jù)統(tǒng)計因全球氣候變化以及極端天氣帶來的電力系統(tǒng)經(jīng)濟損失在過去的40年里平均上升了10倍[1]。輸電線路遇到地質(zhì)災害會造成線路損傷，例如地基沉降導致桿塔傾斜[2，3]，降雨、不當削坡棄土導致滑坡與垮塌，山洪、泥石流等造成輸電線路故障。臨夏回族自治州位于甘肅省中部，按照中國地質(zhì)災害類型區(qū)劃[4] 臨夏屬于黃土水土流失、濕陷、崩塌、滑坡、泥石流為主的地質(zhì)災害區(qū)，是全省氣象災害最嚴重的地區(qū)之一。截止2015年共41年的統(tǒng)計資料表明，全州共發(fā)生294 起地質(zhì)災害，其中7起危害較大如永靖縣鹽鍋峽鎮(zhèn)黑臺方臺滑坡，東鄉(xiāng)縣灑勒山滑坡，東鄉(xiāng)縣那勒寺鄉(xiāng)三甲村奴拉山滑坡等，其誘發(fā)因素均與暴雨有關[5]。臨夏某段330kV輸電線路工程共有塔位70余基，分布于中-高山山坡地帶。2018年9月，輸電線路工程區(qū)出現(xiàn)不同程度的斜坡滑塌失穩(wěn)病害，發(fā)生病害的塔基約21基，大部分處于中-高山斜坡區(qū)域。斜坡以覆蓋型紅層邊坡為主，即上部土體以黃土為主，下覆第三系紅層，構(gòu)成土巖組合型斜坡。該區(qū)域黃土具有濕陷性，遇水沉陷;第三系紅層成巖時間短，成巖程度差、水敏感性強，斜坡巖土體均屬于特殊性巖土。斜坡坡度在30°左右，坡形呈局部直線或臺階狀。2018年7-8月臨夏地區(qū)遭遇了50年一遇的暴雨天氣，降雨量大，持續(xù)時間長。本文針對臨夏段塔基病害進行系統(tǒng)調(diào)查，從特殊巖土分布特征、強度參數(shù)水敏特性、黃土-紅層斜坡滲流特性、極端氣候暴雨至災因子等方面對輸電線路塔基穩(wěn)定性與斜坡穩(wěn)定性進行綜合研究，為今后類似地區(qū)，特殊巖土組合斜坡下疊加極端天氣條的塔基穩(wěn)定評價、地基基礎設計、施工維護提出建議和參考。

1 研究區(qū)黃土-紅層地貌地質(zhì)特征

1.1 區(qū)域地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造

臨夏州地處青藏高原和黃土高原的過渡地帶，地勢西南高、東北部低呈傾斜盆地狀態(tài)。境內(nèi)的積石山、太子山、蓮花山海拔在3000m以上，形成了西南屏障。平均海拔2000m，相對高差達3000m以上，山地面積占總面積的90%。境內(nèi)溝谷縱橫，沖刷切割劇烈。境內(nèi)多黃土，大部分山梁、丘陵及峁、嶺、塬、坪、川、谷、盆地，均被黃土層覆蓋，厚度幾米至數(shù)十米不等，局部地區(qū)的黃土覆蓋厚度更大。由于獨特的黃土地貌和人類活動的影響，使臨夏州成為地質(zhì)災害最嚴重的地區(qū)之一。

研究區(qū)屬祁呂賀山字型構(gòu)造體系前緣西翼東南端，臨夏——臨洮凹斷陷的一部分。由青藏高原東北緣雷積山深大斷裂、秦嶺北深大斷裂和祁連山東延余脈馬銜山圍成的一個具有山前拗陷性質(zhì)的盆地，屬第三紀大型隴中盆地的西南隅。盆地中新生界非常發(fā)育，大致以臨夏市大夏河近南北向的正斷層為界，可將盆地一分為二。西盆地主要位于正斷層的下降盤并緊接青藏高原，第三紀紅層厚達1600多米，并已強烈變形和褶皺，東盆地主要位于正斷層的上升盤，僅南側(cè)與西秦嶺相接，構(gòu)造相對穩(wěn)定。第三紀紅層在盆地中部僅厚約400～500m，地層水平，延伸穩(wěn)定[6]。

1.2 線路區(qū)地形地貌

研究區(qū)線路走徑區(qū)地形地貌屬于山地及丘陵地貌，地形起伏，相對高差較大。山區(qū)溝壑發(fā)育，溝谷切割密度高，坡陡谷深，多數(shù)溝谷呈“V”字型，溝床比降一般大于7%，切割深度一般較大，沖溝內(nèi)多無常流水，但季節(jié)性流水較大。發(fā)生斜坡變形的區(qū)域在地貌上基本都屬于山地斜坡地貌，微地貌呈現(xiàn)出不同坡度的斜坡與寬窄不一的平臺、陡坎交互分布特征。塔基基本位于平臺區(qū)域或坡度相對較緩的斜坡上。典型地貌詳見圖1。經(jīng)測繪分析出現(xiàn)病害的塔基地形坡體總體坡度20～30°，坡體經(jīng)人工改造形成多級梯級，平臺為耕地，坡體完整，均具有局部陡坎或局部陡坡，坡度17～26°，分布于坡體中部，塔基區(qū)域坡度9～11°，平緩區(qū)域?qū)捳灰?，隨山體整體地形變化。塔基所處場地地形整體特點是平臺區(qū)域后緣是上一級斜坡陡坎下的坡腳，平臺前緣也是下一級斜坡陡坎之上的坡肩，平臺陡坎分布示意詳見圖2所示。

2 研究區(qū)塔基病害調(diào)查及分析

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，塔基病害表現(xiàn)為以下幾種形式：塔基暫時穩(wěn)定，塔體保持設計的垂直度，沒有出現(xiàn)傾斜，塔體桿材沒有出現(xiàn)變形，塔基場地平臺前緣塔腿基礎附近出現(xiàn)平行于斜坡走向的拉裂縫或前緣陡坎產(chǎn)生塌滑如圖3;塔基場地出現(xiàn)不均勻沉降和水平變形，平臺后緣陡坎及平臺前緣陡坡均發(fā)生塌滑，裂縫從塔腿之間延展。

出現(xiàn)病害的時間主要集中在7-8月，現(xiàn)場調(diào)查時既有地表水沿塔基平臺區(qū)域流淌，也有地下水沿土巖界面從平臺下方陡坎出露，水量較大。某些塔基平臺前緣陡坎出現(xiàn)含水率差異分布，陡坎底部聚水。某塔基現(xiàn)場開挖基樁樁底已浸泡于水中如圖4所示。

除1個病害塔基位于階地外，其他均位于中高山斜坡區(qū)域。塔基基礎為人工挖孔灌注樁，進入黏土巖1m左右。病害塔基場地地層均為上部黃土下部黏土巖夾砂巖。黃土層以粉土、粉質(zhì)粘土為主，土層厚度0.5～2.8m的病害塔基場地占90%。

3 黃土紅層二元斜坡的物理力學特性及水理特性

3.1 黃土物理力學特性

選擇研究區(qū)典型病害塔基場地開挖探井采用原狀土樣，按照國標土工試驗方法標準進行室內(nèi)物理力學性質(zhì)試驗[7]，力學實驗主要指固結(jié)快剪試驗。試驗結(jié)果分別見表1～表3。飽和狀態(tài)下斜坡上覆黃土層的粘聚力下降9.1%～30%，內(nèi)摩擦角下降11.8%～20.1%。粉土具有Ⅱ級自重濕陷性，粉質(zhì)粘土具有Ⅰ～Ⅱ級自重濕陷性。

3.2 紅層物理力學特性

研究區(qū)下伏地層為第三系基巖，大多呈褐紅色-橘紅色等，因此又稱為第三系紅層。該層成巖時間短，膠結(jié)弱，隨黏土礦物含量不同出現(xiàn)不同的膨脹特性，遇水易產(chǎn)生崩解、失水干裂，易受擾動，工程穩(wěn)定相差，開挖暴露后風化速度極快，強度急劇降低。據(jù)文獻報道，水利工程中因基礎失穩(wěn)而失事的13座重力壩中就有9座壩基為紅層[8]，說明紅層壩基穩(wěn)定存在較大問題。西南地區(qū) 50 年代修建的成昆鐵路、成渝鐵路、寶成鐵路等鐵路不同程度的穿過紅層分布地區(qū)[9]。在鐵路工程建設過程因坡體開挖和填筑路基誘發(fā)了大量的工程滑坡和古滑坡復活。

本研究采用荷蘭帕納科（PANalytical）公司粉末X射線衍射儀，對場地典型巖樣進行了化學成分分析，結(jié)果表明SiO2含量為主，在砂質(zhì)泥巖和黏土巖中含量分別為69%和44%。Al2O3、MgO各占8%～9%，F(xiàn)e2O3、FeO、K2O、MgO、Na2O、TiO2、含量小于3%，其他約占3%。臨夏地區(qū)第三系紅層物理力學指標見表4。

3.3 黃土-紅層水理特性

研究區(qū)黃土成分為粉土和粉質(zhì)粘土，縱向分布不均勻，現(xiàn)場取樣按照天然平均含水率18%，天然干密度度17g/cm3制作擾動樣，進行變水頭滲透試驗滲透系數(shù)范圍值7.05×10-7cm/s～3.85×10-7cm/s。臨夏紅層水理性質(zhì)[10]見表5。甘肅省第三系紅層吸水率在0.56%～18.12%，平均值為7.46%。泥巖最大為 10.79%，底礫巖最小為 1.44%.砂巖 6.82%，砂礫巖 6.98%。隨細顆粒含量增加，巖石吸水率增高。甘肅紅層含水率在 1.38%-18.08%，平均值為 9.25%。泥巖 12.35%，砂巖 12.28%，砂礫巖 7.12%。新近系平均 10.94%，古近系8.29%。隨細顆粒增多，泥巖含水率大于砂礫巖含水率[10]。研究區(qū)黏土巖磚紅色，層狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，水平層理明顯，產(chǎn)狀近于水平，巖體破碎，粘土巖遇水易軟化，表層1.0～2.0m強風化。膨脹性較弱透水性較差。

研究區(qū)潛水主要賦存于巖體裂隙及部分土體的孔隙中，埋深較小。水力坡降主要受地形控制，同時降雨量對其埋深及水力起降影響較大。主要受大氣降水、高山冰雪融化水的補給，水量較豐沛，排泄于臨近的地表水系中。斜坡土層有上層滯水分布，主要賦存于表層黃土層中的局部隔水層之上，大氣降水補給，水量完全受大氣降水控制，對斜坡穩(wěn)定性影響極大。

4 塔基病害區(qū)域降雨特征

降雨是引起滑坡的主要原因之一。1949～1995年期間我國滑坡災害中68.5%由降雨引起[11-12] 。研究表明，降雨顯著降低邊坡的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：降雨入滲引起土體內(nèi)部基質(zhì)吸力降低，從而導致土體強度降低;土壤含水率在降雨中上升，同時地下水位上升引起邊坡破壞;降雨期間加大了土體的滲透系數(shù)。暴雨往往是紅層地區(qū)地質(zhì)災害的直接誘發(fā)因素?；诟拭C省29個氣象站1968～2017年的降水數(shù)據(jù)[13-15]，甘肅省暴雨主要出現(xiàn)在汛期（5～9月），特別是主汛期（7～8月）是暴雨發(fā)生最集中的時段。甘肅臨夏地區(qū)和政氣象站距離發(fā)生病害的塔基約11km，可以地代表發(fā)生塔基病害的典型區(qū)域的氣象特征。該氣象站海拔高程約2162.8m，選擇和政氣象站為參證站，收集了和政站近37年及2018年逐日降雨資料。圖5、圖6圖7分別是研究區(qū)和政氣象站1981～2017年累年各月平均降雨量、2018年各月降雨量和2018年7～8月日降雨量?？梢钥闯?017年以前月最大降雨量小于120mm，而2018年8月降雨量為294mm，近37年以來，和政平均日最大降雨量約45mm，2018年7月份日最大降雨量為72mm （發(fā)生在2018年7月19日），是平均值的1.6倍。2018年7、8月份降雨。

量遠大于近40年中的最大值;該地區(qū)各塔基工點降雨量大小受微地形地貌影響具有較大差異，大暴雨中心強度常出現(xiàn)在迎風坡等上升區(qū)域內(nèi)（地形與風場切變區(qū)域）;大暴雨之前有較長的前期降水量累計，5、6月份即開始進入降水量增長期，前期降水量使得地層含水量逐步達到飽和狀態(tài)。

5 塔基場地穩(wěn)定性分析

場地在建筑抗震設計規(guī)范[16]中是這樣定義的“工程群體所在地，具有相似的反應譜特征。其范圍相當于廠區(qū)，居民小區(qū)和自然村或不小于1.0km2的平面面積”。場地穩(wěn)定性根據(jù)巖土工程勘察基本術(shù)語標準的定義，指擬建場地是否存在導致場地滑移、大的變形和破壞等嚴重情況的地質(zhì)條件，如存在這種條件，即認為場地不穩(wěn)定。輸電線路工程中塔基的場地占地范圍相對小，每個塔基所在區(qū)域只有塔基和塔體，因此輸電線路塔基場地穩(wěn)定問題基本就是塔基地基穩(wěn)定問題。

研究區(qū)黃土-紅層斜坡地貌上出現(xiàn)病害的輸電線路塔基基本上采用樁基礎，隨黃土層厚度和基巖埋深變化樁長范圍值4.7～9.1m，樁端嵌入第三系紅層深度0.7～3.0m。研究區(qū)2017年以前的整個線路勘察設計表明相似的地貌單元地層巖性上的塔基保持著正常的使用狀態(tài)。而2018年7～8月之后，發(fā)生大范圍的塔基基礎變形和水平位移。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)生塔基嚴重變形的場地表現(xiàn)為上部土體發(fā)生塌滑，土巖界面有地下水滲出，斜坡以淺層破壞和土巖界面破壞為主要特征，塌滑擾動深度大部分在2.0m左右。因此在全球氣候逐漸變暖，極端天氣增多，持續(xù)強降雨條件下，黃土-紅層二元斜坡地貌上的輸電線路塔基場地穩(wěn)定性評價，以及塔基基礎設計應當引入氣候變化因子，具體可以從以下角度進行穩(wěn)定分析評價。

5.1 持續(xù)強降雨條件下的斜坡穩(wěn)定分析

采用持續(xù)強降雨條件下的土層參數(shù)、土巖界面參數(shù)、滲流模型，進行土坡穩(wěn)定計算和評價，根據(jù)計算結(jié)果進行塔基基礎形式選擇設計計算，嵌固深度要考慮第三系紅層上部容易受水浸濕，強度劣化的特點。根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)病害的樁基礎，嵌入紅層深度普遍小于2.0m，考慮持續(xù)強降雨條件下的樁基嵌入基巖深度應大于3m，并考慮上部土層的水平側(cè)壓力。以144#塔基為例，塔基場地天然工況設計參數(shù)為粉質(zhì)粘土容重20.7kN/m3，泊松比0.4，楊氏模量2162kPa，內(nèi)摩擦角17.4°，粘聚力14.65kPa;強風化紅層容重25.1kN/m3，楊氏模量30000kPa，內(nèi)摩擦角24°，粘聚力32kPa。分別采用極限平衡法和有限元強度折減法，對正常工況和暴雨工況的斜坡進行穩(wěn)定性計算，計算剖面見圖8，圖9，計算結(jié)果表明，天然工況下采用極限平衡法進行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性系數(shù)為1.263，采用有限元分析，強度折減系數(shù)為1.09;暴雨工況下，采用極限平衡法進行穩(wěn)定性分析，穩(wěn)定性系數(shù)為0.863，采用有限元分析強度折減系數(shù)為0.89。該分析計算結(jié)果與現(xiàn)場實際調(diào)查結(jié)果相一致，即在2018年以前斜坡整體穩(wěn)定性好，2018年持續(xù)強降雨條件下，斜坡產(chǎn)生滑塌破壞。

5.2 臨界暴雨強度判斷斜坡穩(wěn)定性

暴雨往往是紅層地區(qū)地質(zhì)災害的直接誘發(fā)因素，氣象預報關于降雨等級的劃分為：大雨 > 25mm /24h， 暴雨 > 50mm /24h?；屡R界暴雨強度是指造成一個地區(qū)大量出現(xiàn)滑坡的最小降雨量，一般采用日降雨量確定一個地區(qū)的臨界暴雨強度[17]。研究表明四川盆地滑坡臨界暴雨強度為200mm/d，陜南地區(qū)的暴雨滑坡與前期雨量有較為明顯的關系，滑坡臨界暴雨強度為70mm/d。不同地區(qū)臨界暴雨強度有很大不同，受地層、巖性、構(gòu)造、滑坡特征、多年降雨量等因素影響。臨夏地區(qū)的斜坡蠕變滑塌具有堆積滑坡的諸多特點，即滑面相對較陡，滑體重力對滑坡穩(wěn)定性影響較大，所以滑體的飽水、滑帶力學強度的降低、滑面充水形成的浮托力對滑坡的穩(wěn)定性均會產(chǎn)生明顯的不利影響，堆積土滑坡臨界暴雨強度值比較低，同時臨界暴雨強度還與前期降雨量有關。

根據(jù)臨夏地區(qū)近年來降雨資料特別是2018年5～9月降雨資料，分析發(fā)現(xiàn)，5～6月平均降雨量低于歷年平均降雨量，斜坡土體處于相對干旱氣候，進入7月后遭遇近40年最大月降雨量，其中7月18日降雨量達到73.3mm/d，為暴雨，暴雨之前7月上旬連續(xù)斷續(xù)降雨多達6d，其中3d降雨量超過20mm/d，7月15日降雨量10.5mm，7月18日遭遇暴雨，在暴雨之前有明顯的數(shù)量可觀的前期降雨累積，因此7月18日當天及其后2～3d發(fā)生了大量的斜坡滑塌、泥石流等地質(zhì)災害。8月2日又遭遇暴雨，日降雨量達到69.6mm/d，之后有13天經(jīng)歷降水，其中出現(xiàn)5d日降雨量超過20mm/d。8月2后之后又有大量斜坡滑塌以及淺層滑坡出現(xiàn)。

根據(jù)以上和政縣氣象降雨資料、斜坡失穩(wěn)、泥石流災害發(fā)生時段調(diào)查，可以明確判斷出大量斜坡塌滑與暴雨日和前期降雨量關系密切。研究區(qū)斜坡構(gòu)造大多為土巖組合斜坡，即堆積土斜坡，且堆積土厚度不大，以粉土粉質(zhì)黏土為主，飽和滲透系數(shù)根據(jù)室內(nèi)室內(nèi)滲透試驗為0.33～0.61mm/d，根據(jù)植被覆蓋、降雨誘發(fā)滑坡資料等，建議臨界暴雨強度按60mm/d考慮。根據(jù)該參數(shù)可以對研究區(qū)內(nèi)塔基斜坡進行極端氣候觀測預警，也可根據(jù)近年來降雨降雨量趨勢，調(diào)整設計對斜坡的設防等級。

6 結(jié)語

通過對臨夏黃土紅層地區(qū)輸電線路塔基病害調(diào)查分析，開展構(gòu)成斜坡土體巖體的特殊工程特性與水理特性研究，以及研究區(qū)極端氣候持續(xù)強降雨特征，得出以下結(jié)論。

（1）臨夏黃土紅層輸電線路塔基場地在自然條件下基本呈穩(wěn)定狀態(tài)，具有一定的斜坡安全性儲備。但在持續(xù)降雨極端天氣和暴雨天氣條件下，斜坡上部土體飽和，強度降低，土層中局部出現(xiàn)上層滯水，土巖結(jié)合面出現(xiàn)滲流，潛在破壞面逐漸發(fā)展聯(lián)通，形成以塌滑、蠕滑表層變形的斜坡破壞模式。

（2） 研究區(qū)2018年汛期遭遇近40年極端天氣，暴雨大雨天氣頻繁，暴雨之前有較大的前期降雨量，具備淺層滑坡的觸發(fā)因素。初步推斷臨夏地區(qū)臨界暴雨強度約為60mm/d。

（3） 塔基設計中要充分考慮斜坡蠕變塌滑產(chǎn)生的水平應力，加深基礎在基巖中的嵌固深度，扣除可能浸水軟化的深度，建議樁端進入中風化基巖，抵抗基巖浸水軟化后強度降低產(chǎn)生的不利影響。

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