特高压直流输电线路塔基边坡的稳定性分析

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2020年第18期特高压直流输电线路塔基边坡的稳定性分析
陈新民
（华东送变电工程有限公司，上海 201803）
摘 要：文章以某±800kV 特高压直流输电线路为背景，针对其5535#塔基边坡稳定性展开探讨，为之引入三维有限差分数值模拟的方式，辅以FLAD3D 软件，重点针对塔基及其所在区域边坡的稳定性进行模拟与分析。

关键词：特高压输电；输电线路；塔基边坡；稳定性分析；三维有限差分数值模拟中图分类号：TM75 文献标志码：A 文章编号：2096-2789（2020）18-0119-02
作者简介：陈新民，男，本科，高级工程师，研究方向：送变电行业方面。

现代化发展进程中，输电线路跨越的地区较多。

山区输电线路工程中涉及塔基施工作业，其通常建设在自然斜坡上。

但由于斜坡稳定性欠佳，加之输电线塔具备跨度大的特点，致使斜坡坡顶承受大量荷载，不利于斜坡稳定性，甚至威胁到输电线路的安全。

因此，必须确保塔基的稳定性，这也是影响输电线路运输质量的关键因素。

1 塔基边坡概况
某±800kV 特高压直流输电线路工程中使用到5535#铁塔，具体型号为JC30152C-45型，因所处位置特殊，设置于山脊坡处。

根据地质资料得知，塔址以柏树林居多，大部分坡度介于37～43°，特殊区域坡度达到50～60°，部分区域地质条件特殊，为白云质灰岩。

2 塔基边坡稳定性分析
2.1 分析方法
实践表明，三维有限差分数值模拟具有可行性，是分析塔基边坡稳定性的重要技术手段，可求解控制微分方程，然后在此基础上引入混合单元离散模型，更为精准地模拟材料的工作状态，如屈服、塑性流动等[1]。

总体上，此方法的优势较多，无论是在塑性分析还是变形分析等层面都具有可行性。

2.2 计算模型
该项目设置了5535#铁塔，对其中的A 、B 、C 、D 腿桩平面图加以分析，得知D 腿桩与边坡的间距最小，因此将其作为分析对象。

水平荷载是主要的影响因素，将直接对D 腿桩带来影响，具体为桩径的3～4倍。

创建三维数值计算模型，设定其尺寸为36m ×30m ×10m （此处指的是最大尺寸），可达到缓解模型边界效应的效果。

剖分所得模型，产生的单元总量为8170个，共涉及9658个节点。

2.3 本构模型和计算参数
掌握塔基边坡岩土体的稳定性尤为关键，为之创建了“摩尔-库伦”弹塑性模型。

关于此处的破坏包络线，其与拉应力法则具有紧密关联，但并未受到剪切流动的影响。

根据该铁塔D 腿桩的实际情况，为之创建pile 结构单元，借助耦合弹簧的方式呈现出D 腿桩的受力状况，主要体现在垂直荷载与水平荷载两个方面[2]。

2.4 计算工况
创建模型可用于分析塔基及其所在边坡的稳定情况，此处考虑重力作用以及压、抗拔、水平荷载共同
作用于腿桩处的稳定情况。

为便于分析，确定了两种工况。

（1）工况1：自然边坡初始状态模拟；（2）工况2：创建了pile 单元，在桩结构的顶部施加垂直荷载（具体值为3872kN ），同时施加水平荷载（具体值为1066kN ）。

以铁塔实际情况为准，经计算分析后求得具体荷载值，上述所提及的荷载均建立在最不利工况的基础上。

3 塔基和塔基边坡的稳定性分析
3.1 塔基部分
针对塔基稳定性展开深入分析，选取的是FLAD3D
软件，在其支持下模拟塔基桩的受力情况，同时分析塔基桩及其周边土层单元节点各自对应的水平位移，结果如图1所示。

图
1 塔基桩和桩周岩土层单元节点的水平位移
由上述内容可知，因荷载作用，在一定程度上会影响塔基稳定性。

桩顶处存在位移现象，具体方向为向坡外向下；同时在桩端处也伴随有位移，方向为向坡内。

相较之下，坡顶处受扰程度最为明显，该处水平位移最大，总体位移约4.234mm ；桩结构出现了水平位移现象，
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该值最大达到4.025mm ，与设计规范对比得知，该变形在许可范围内。

除此之外，在离桩顶超过10m 后，此时依然存在桩水平位移现象，但主要指向坡内，结果表明最大变形量均控制在1mm 以下。

现场存在白云质灰岩，由对该处单元节点的分析得知，产生的水平位移均控制在0.7mm 以下，后续水平位移指向坡内，此部分的位移量都控制在0.3mm 以下。

3.2 塔基边坡的稳定性分析
对塔基边坡的稳定性分析，使用到的是FLAD3D 软件，基于此方式可模拟应力、位移的分布情况，以及产生破坏的各个区域。

受塔基荷载的作用，虽然边坡初始应力场发生变化，但幅度相对较小，桩基发挥出重要的承受作用，且应力变化局限在桩周边单元处，相比之下与桩位间距较大的单元依然保持原有状态，其应力未发生改变[3]。

除此之外，桩上部向坡内侧单元，该处存在拉应力；相比之下，桩上部向坡外侧单元的应力状况发生明显变化，相较于自然状态而言其拉应力表现出明显增加的现象。

受塔基荷载的影响，坡顶处的状态发生改变，出现了向坡外向下位移的趋势，但并未出现明显的位移现象。

当形成应力荷载并作用于塔基后，产生了拉破坏单元，具体位置为坡顶处；相较之下，边坡下部陡峭处并未出现变化，不存在破坏单元[4]。

从这一现象来看，塔基周边的塔顶处存在局部破坏，总体上坡顶下方的坡体状况较好，其弹性变形现象控制在许可范围内，并未出现明显的破坏区。

进一步推测，地表处存在微裂隙，但并不会对边坡的整体稳定性造成过多的负面影响，尽管受到塔基荷载作用，依然可确保边坡的稳定性[5]。

为展开针对性分析，此处重点关注与塔基相距4m 的坡顶区域，探讨该处x 方向上塔基荷载产生的应力。

将其与初始应力展开对比分析，整理所得结果，具体如图2所示。

根据图3可知，当存在塔基荷载后，与坡顶相距0～3m 的区域虽然存在应力变化，但幅度极为微弱；与坡顶相距4～9m 的区域，该处的应力呈现出明显增加的趋势，且9m 深度以内的应力相对稳定，未出现明显变化[6]。

因此，塔基荷载作用的最终结果表现为坡体局部应力的变化，但产生的作用范围较小，塔基边坡依然处于较稳定的状态。

4 结束语
研究引入了三维有限差分数值模拟的方式，借助FLAD3D 软件针对塔基边坡加以模拟，探寻其稳定性，经分析后做如下几点总结：
（1）荷载作用是改变塔基状况的关键因素，桩顶与桩端均出现位移现象，但方向有所不同，坡顶处位移总量为4.234mm 。

其中以桩水平位移较为明显，该处最大值为4.025mm ，但均在许可范围内，由此说明桩基具备有效承受塔基荷载的能力。

（2）形成塔基荷载后，致使边坡坡顶处部分区域出现了应力变化现象，相比之下其余区域依然保持原状态，因此塔基荷载虽然会改变边坡应力，但并不具备过强的影响力，边坡依然具备稳定性。

（3）形成塔基荷载后，使得边坡的部分区域存在拉破坏现象，主要发生于坡顶处，其他区域均未受到过多影响，未产生破坏区，因此荷载对于边坡稳定性的破坏程度极为微弱。

（4）根据文章的分析，塔基边坡坡顶处更容易受到荷载的影响，需对该处采取加固措施，以便给特高压直流输电线路的稳定运行提供保障。

参考文献：
[1]王锴,党于航.砂黄土塔基边坡破坏机理研究[J].河北工
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图2 塔基边坡坡顶处x 方向上的应力对比。