某山區輸電線路鐵塔變形分析

陳曉鋒，楊 煜，萬 飛

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610016)

0 引言

某輸電線路位于四川省西部山區，地形為深切割的高山斜坡。2020年進入汛期以來，該地區連續降雨，境內地質災害頻發。當年9月，在項目竣工驗收過程中，驗收單位反映該線路段某塔基場地存在樁周土下沉脫開、堡坎開裂、塔基周圍土坎垮塌、鐵塔塔材變形等情況。設計單位對該塔位進行了現場復核，通過對鐵塔變形進行現場踏勘走訪、測繪調查、專項勘察及穩定性分析評價，并對鐵塔基礎進行了抽芯檢測，最終查明該鐵塔變形原因。

1 塔位變形情況調查

該鐵塔為直線塔，塔位位于北東向高山斜坡半山腰，場地地面坡度30～35°，基礎采用人工挖孔樁基礎，樁長14～16 m。塔基變形主要表現為：B、C、D腿基礎樁周土與基礎脫開，地面呈繞基礎立柱半圓弧狀裂口，較基礎頂面相對沉降，裂縫之間并未相互貫通，均呈孤立狀分布。A腿地表基礎與樁周土輕微脫開、未見明顯沉降。鐵塔變形狀況主要包括：各腿主材彎曲變形；A、B腿中間的交叉斜材變形凸出約260 mm，C、D腿橫隔面斜材在橫材螺栓交接處斷裂等。

同時，調查人員現場對鐵塔及基礎進行了變形測量，從測量數據可以發現：A腿基礎相對于B、C、D腿基礎高差出現了58～63 mm不等的沉降；鐵塔基礎根開發生位移，其中A、B腿根開實測值較設計值增大了218 mm，差值比例達到了1.2%，且A腿相對其他腿基礎向坡下移動，鐵塔偏轉約0.1°。從測量的數據來看，鐵塔桿件及基礎變形較大，根開移動較多，已不滿足GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空輸電線路施工及驗收規范》[1]的要求，鐵塔無法使用。

2 邊坡變形情況

根據踏勘調查及收資走訪結果來看，塔位附近坡面變形主要表現為塔腿下坡側棄土松動、沉降、開裂，邊坡局部陡坎部位的蠕動拉裂，下坡側公路回頭彎處堡坎外鼓及線路左側45 m外的坡面淺層溜滑等。變形情況如圖1所示。

圖1 場地周圍坡面變形分布示意圖

2.1 棄土沉降開裂

施工棄土棄渣堆積于各塔腿基礎下坡側，形成一定厚度的渣坡，調查發現基礎邊緣與棄土間土體開裂，開裂位置為基礎下坡側，一般沿基礎呈圓弧形，距離基礎邊緣30～80 cm，長度約3.0～5.5 m，張開度約25～30 cm，下沉約10～20 cm，深度最大可測約1.3 m。

2.2 斜坡變形情況

塔位所處邊坡塔位坡上側距中心約30 m處有一長度約8.5 m的拉張裂縫，其張開度1～2 cm，半充填，基本無錯動，平行于等高線方向。在塔位下坡側55 m外公路內側堡坎有局部鼓脹變形，但邊坡未見明顯的滑塌或開裂，局部擋墻內有少量滲水。在塔位A腿北東方向約45 m處坡面有一小型的滑坡，寬度約30 m，長度約40 m，滑體厚度1～2 m，為淺層的土體溜滑。

3 塔位地質條件

線路塔位所在區域地處四川西部高原山區，河谷深切，地形受構造控制明顯，呈現出典型的高山峽谷地貌。塔位地形處于高山斜坡之上，山坡坡度一般在30°左右。據調查，斜坡原為臺階狀耕地，后退耕還林。線路方向順邊坡方向，A、D腿位于坡下側，中心坡下側約55 m、坡上側約45 m均為鄉村水泥路。

根據區域地質資料及鉆探結果，塔位的地層條件見表1所列，邊坡的地層情況如圖2所示。

表1 塔位地層情況表

圖2 塔位邊坡場地工程地質剖面圖

4 塔位場地穩定性分析評價

4.1 定性分析

通過現場踏勘調查分析，發現區域內雨季誘發的滑坡體多發生在槽谷、裸露的人工切坡處，且為地下水或地表水發育、覆蓋層厚度大的地段；而該塔所處邊坡相對地勢較高，并未處于槽坡內，地表及兩側未見明顯地表水流，亦非地表水易匯集的區域；同時，通過現場大量的踏勘調查，發現塔位所處的坡體未發現明顯的變形跡象(如開裂、滑塌)，坡體上側公路、下側公路未發現明顯開裂、錯斷等變形，在塔位坡上側的小裂縫規模很小，張開度有限，僅為表層土體的局部蠕變，鐵塔基礎周邊的裂縫為人工棄渣局部張開、沉降，形成不連續裂縫。

坡腳公路堡坎的局部變形主要是由于堡坎質量差，受到降雨后，墻后土體飽水，重度增大產生的擠壓變形所致。

在塔位左側45 m外的凹槽形坡面泥石流為淺表層1～2 m的土體溜滑，深度有限，未形成高陡臨空面，其對塔位處整體邊坡的穩定未造成直接影響，結合前述坡面特征，該塔位所在邊坡整體較穩定。

4.2 定量計算

4.2.1 計算方法

根據前述，目前坡體基本穩定，未發生滑動，僅局部有輕微蠕動變形。根據現行邊坡及滑坡勘察規范[2-3]，采用剛體極限平衡法、滑動面采用圓弧形滑動面進行邊坡穩定性計算。

4.2.2 計算剖面

根據現場勘查情況，線路走向與坡面方向基本一致，因此計算剖面按線路順坡向的方向。

4.2.3 計算工況

工程區所在區域的地震動峰值加速度為0.15g，對應抗震設防烈度為7度，在進行邊坡穩定性計算時，須考慮地震的影響，故選擇以下三種工況進行計算：

工況一：天然工況(自重)

工況二：暴雨工況(自重+暴雨)

工況三：地震工況(自重+地震)

其中，工況一和工況三的土層計算參數采用天然重度、天然內摩擦角和天然粘聚力；工況二土層計算參數采用飽和重度、飽和內摩擦角和飽和粘聚力，工況一、工況二和工況三的抗滑安全系數分別取1.30、1.15和1.15。

4.2.4 計算參數

根據本工程勘察結果、計算邊坡巖土結構及實際狀態，并適當參照類似邊坡工程勘查治理經驗，本工程邊坡穩定性計算時，取值見表2所列。

表2 邊坡計算參數取值表

4.2.5 計算結果

根據現場調查，根據工程地質剖面(見圖2)，分別對邊坡整體穩定、潛在滑動面穿過裂縫、潛在滑動面穿過塔基下坡側公路和潛在滑動面穿過基巖陡坎4種情況(見圖3～圖6)，對坡體的穩定性進行了計算。

圖3 邊坡整體穩定計算

圖4 穿過裂縫穩定性計算

圖5 穿過公路穩定性計算

圖6 穿過巖坎穩定性計算

邊坡穩定計算采用GEO5軟件，通過自動搜索圓弧滑動和折線滑動面，計算工況采用天然工況、暴雨工況及地震工況，得出安全系數后判定邊坡的穩定性，其邊坡穩定性的計算結果見表3所列。

表3 穩定性計算成果表

由計算結果可知，現有巖土條件下，塔基邊坡在各種工況下是穩定的，在暴雨工況及地震工況下安全儲備有所降低，但仍滿足邊坡整體穩定，計算結果與現狀相吻合。

4.2.6 數值分析

由上述分析可得，在最受控工況(暴雨)下剖面最危險區主要位于表層的含黏性土碎石層與碎石層交界面，深度一般4～6 m。為進一步分析論證，選用GEO5中的有限元數值分析模塊進行分析，結果如圖7～10所示。

圖7 等效塑性應變等值面圖

圖8 總位移等值面圖

圖9 等效塑性應變矢量圖

圖10 總位移矢量圖

由圖可知，等效塑性應變主要發生在塔位上坡側公路的下側3 m到鐵塔區間及鐵塔下坡側25 m之間，影響深度內土層主要是表層的含黏性土碎石層，其應變值為0.010 97%；主要變形區位于塔位上坡側公路到鐵塔區間內，根據模擬計算結果，其總位移最大變形量約0.205 mm。

數值模擬分析表明，在最受控的暴雨工況下邊坡的自然蠕動變形量值小(不足1 cm)，邊坡整體穩定，數值分析計算結果與現場調查、極限平衡量化計算結果一致。

4.3 綜合評價

通過前面定性分析、定量計算及數值模擬分析，再結合踏勘調查、鉆探情況，綜合判斷塔位所在邊坡整體穩定，在暴雨情況下，可能會在局部陡坎部位發生蠕動變形，在局部陡坎的變形部位可能會出現淺層土體拉裂現象，現有巖土工程條件下，塔位所在邊坡整體穩定。

5 基礎抽芯檢測

根據上節分析，鐵塔所處邊坡場地穩定，研判鐵塔出現的變形并非邊坡變形所造成的。為了驗證是否是由于基礎問題產生的變形，現場對A、D腿基礎進行了抽芯檢測，抽芯檢測設備采用某品牌背包鉆機及XY-100型回旋鉆機(鉆探采用雙管植物膠取芯，單次回尺1.5 m，口徑91 mm)，鉆芯情況及巖芯照片見表4所列及圖11～13所示。

圖11 A腿某品牌鉆機鉆芯照片

圖12 A腿回旋鉆機鉆芯照片

圖13 D腿回旋鉆機鉆芯照片

表4 塔腿基礎樁身混凝土鉆探情況對比

根據回旋鉆機鉆孔與某品牌背包鉆機鉆孔鉆探情況及巖芯的比對可以發現，某品牌鉆機由于受鉆探工藝的影響，其鉆探巖芯普遍較差，但在一些關鍵鉆探信息上與回旋鉆機鉆探情況保持基本一致，比如鉆探漏水情況、含有木屑雜質情況、掉鉆空洞情況、上部與下部巖芯明顯有差別的界限深度情況等。

從鉆芯的結果來看，A、D腿基礎的混凝土質量差。特別是A腿，除了鉆探過程中漏水、有空洞外，還發現存在木屑等雜質，說明了樁身混凝土存在較多裂隙、孔洞，也有可能出現斷樁、縮頸、砼離析、松散等情況。根據現行電力工程基樁檢測技術規程[4]，可以判定A、D腿的樁身完整性為VI類，不符合工程質量要求。

6 鐵塔變形原因分析

針對塔基場地地面變形和塔材變形現狀，根據現場踏勘調查、收資走訪，結合勘察鉆探、基礎鉆芯，定性定量分析及數值模擬計算等，綜合分析后得出如下意見：

1)塔位所在邊坡整體穩定，路徑及塔位場地選擇是合理的；

2)根據氣象資料，今年雨季以來，塔位所在區域6～7月份降雨量是多年平均水平的1.63倍，8月以來降雨天數高達75.3%，具有明顯的連續、集中、持續降雨特征，對地質災害發育及各種坡面變形提供了誘發條件；

3)近期的連續降雨對塔基所在場地淺表層，特別是塔基下坡側大量堆砌的施工棄渣的穩定性產生不利影響，有向下緩慢蠕動的趨勢，這是樁腿下坡側棄土開裂沉降的主要原因；

4)現場地表輕微變形并不足以對塔基基礎及塔身結構產生如此劇烈的變形影響，不排除樁基礎砼質量與上部結構的關聯影響問題；

5)塔基基礎混凝土質量差。施工時可能發生了斷樁，或者在上部荷載和土的共同作用下，樁體發生了彎折，這是導致塔腿基礎發生變形的直接原因；

6)與基礎設計值相比較，A腿基礎相對位移較大，在荷載組合的作用下，基礎及塔身內力重新分配，導致了塔身部分區段塔材的變形；

7)塔材變形嚴重，已不滿足使用要求，需要采取塔位調整措施或改線措施，現有場地仍可利用，但應考慮反復擾動的不利影響。

7 結論

西南山區輸電線路遭受地質災害的風險較高，但鐵塔出現變形的因素有很多，并非都是由地質原因造成，應具體問題具體分析，通過本文案例進行分析總結，也有利于今后處理其他類似的問題。

1)對輸電工程，常用的樁基完整性檢測方法有低應變法、高應變法、聲波投射法及鉆芯法等，設計上應根據工程等級、復雜程度、施工難度等因素，在施工圖階段明確適宜的樁基檢測方法和要求，同時還應加強監理的監督、業主的管理職能，保證施工質量。

2)由于基礎部分屬于隱蔽工程，出現質量問題不宜被發現，鉆孔抽芯檢測是最為直觀和直接的手段。

3)對鐵塔變形的分析，應從多方面進行，比如施工、設計或材料、安裝等等，要具體問題具體分析，本文塔位出現變形的原因就是基礎施工質量問題。對不易確定變形原因的，可采用排除法對可能出現的變形原因進行一一排除。

4)對陡峻山區的輸電線路而言，設計上應充分考慮地形、施工等因素對場地及基礎穩定的影響。對地質條件較脆弱的塔位，設計可采取連梁基礎增強基礎整體穩定，施工時還應特別注意棄土的合理堆放，避免因棄土沉降滑移，造成邊坡失穩，影響基礎穩定。

5)通過某品牌背包鉆機與XY-100型回旋鉆機的鉆探對比，我們可以發現某品牌鉆機取芯受設備、孔徑及鉆探工藝的影響，其結果有時候不能代表真實的情況，特別是對破碎層，取芯效果很差，因此應根據不同的巖性特點選用適宜的鉆探設備。