明渠建設與運營對塔基水平承載能力的影響

王緒民， 何宇棋， 李 劍

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068；2 中國科學院武漢巖土力學研究所， 湖北 武漢 430071)

在中國經濟高速發展的階段，各類工程建設不斷增多，在惡劣環境下發生的輸電塔倒塌等事故也不斷增多。因此，在塔基周圍建設工程時需要對塔基進行承載能力影響研究，以確保輸電塔基的安全問題。為此，許多學者作了一系列的研究。楊泰華[1]等以葛武線為例，制作出兩種形式桿塔塔基進行試驗，為輸電塔塔基改造提供了有力依據。姜銀華[2]等以人工挖孔灌注樁為基礎，研究樁基水平荷載下的應力分布以及變形規律，為類似工程塔基定位提供幫助。李洪江[3]等提出了一種p-y曲線的雙折線簡化模型，用來控制軟土地基剛、柔性樁水平承載位移的標準。劉術儉[4]等分別采用兩種方法進行建模計算，研究在堆載作用下，低樁承臺駁岸的水平位移變形規律。孫孝敏[5]通過FLAC3D的三維有限差分數值模擬研究群樁基礎的水平承載力，并總結樁徑、樁間距等因素對水平承載力的影響。謝壽平[6]等利用FLAC3D軟件對湖南某輸電線路工程中的一個鐵塔進行建模分析，評價塔基邊坡在工程活動下的穩定性，以保證塔基的長期穩定。王開洋[7]等對鋼花管型微型樁進行了改善，采用了二次注漿技術，提高了樁基的水平承載力。周世良[8]等采用有限元的方法對群樁的水平承載能力進行了模擬分析，分析了不同坡度和不同深度條件下群樁的水平承載能力。沈建霞[9]等結合算例分析了各種影響因素對樁基水平承載能力影響權重，并指出不同情況所需要采用的樁頂連接形式。為樁基礎的水平承載能力提供了借鑒作用。

本文基于Flac3D對某水利水電工程導流明渠建設以及后期運營過程進行模擬，并對其周邊輸電塔的塔基水平承載能力進行分析，對類似工程穩定性評價提供參考依據。

1 工程概述和模型建立

1.1 工程概述

該水利水電工程左岸副壩填筑施工及后期庫區蓄水后對周圍特高壓大跨度輸電塔的塔基變形產生影響。在開挖的邊緣處設置了副壩，起到擋水的作用。副壩回填最外邊線距離現狀塔基的圍墻距離11.5 m，距離現狀塔基座邊緣25.3 m，如圖1所示，根據初步設計，左岸為導流明渠，水位設計高程50.72 m，副壩頂面高程53.8 m，副壩外側地面高程47.0 m。該地區地層自上而下可分為四層：1)砂壤土/壤土層10.0 m；2)粉細砂層9.0 m；3)砂礫石層9.0 m；4)其下為泥質粉砂巖層。

圖1 工程設計及水位線

輸電塔底座為圓形，底徑30.4 m，桿塔全高148.8 m。基礎承臺2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承臺下沿環向均勻布置80根擠土樁，樁徑1.0 m，埋深20.0 m，樁身采用鋼筋混凝土。

1.2 模型建立

根據地質勘探結果以及104號塔基設計，建立數值模型。模型沿江方向長度為100 m，垂直江水方向長度為350 m，地表壤土層厚度10.0 m，粉細砂層厚度9.0 m，砂礫層厚度9.0 m，其下為泥質粉砂巖。整體數值模型如圖2所示。該圖中，由塔基指向副壩為X軸正向，垂直于X軸指向遠端為Y軸正向，垂直于整個模型向上為Z軸正向。

圖2 數值模型

同時根據設計尺寸建立塔基數值模型如圖3所示，該塔的塔型為ZK-122，基礎分布圓底徑30.4 m，基礎承臺2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承臺下沿環向均勻布置80根擠土樁，樁徑1.0 m，埋深20.0 m，樁身采用鋼筋混凝土，混凝土的計算參數如表1所示。

圖3 塔基數值模型

1.3 本構模型選擇

本次計算采用巖土工程中經典的摩爾-庫侖本構模型，由于摩爾-庫侖屈服準則可很好地描述大多數巖土材料的強度特性，在FLAC3D計算應用最為廣泛。摩爾-庫侖屈服準則如下所示：

式中：I1，J2，θσ分別為應力張量的第一不變量、應力偏量的第二不變量和羅德角；c,φ分別為粘聚力和內摩擦角。

1.4 計算參數選擇

根據初步設計中對該區域左岸地層物理力學參數的描述，左岸地層力學參數按照實際的試驗結果，比對工程地質手冊，綜合選取計算模型參數，具體如表1所示。

表1 計算模型參數

2 計算結果分析

2.1 副壩建設完成后的水平變形影響分析

在副壩建設完成但是尚未通水時，模型水平變形增量云圖如圖4所示，塔基水平變形分布云圖如圖5所示。從圖4可以看出，由于副壩自重荷載引起了地層的壓縮沉降，所以在副壩的坡腳位置出現了向外的水平變形，水平變形量值約為-15.4mm。并且副壩自重荷載產生的壓縮變形擠壓了水平方向上土體，故副壩左側的水平變形逐漸向塔基擴展，將致使塔基發生一定的水平變形。從圖5可以看出：由于豎向壓縮擠壓副壩周圍土層，土層的水平位移影響范圍較大，將引起塔基發生遠離副壩方向的水平變形。樁基最大水平位移為-3.75 mm。

圖4 副壩自重荷載作用下模型水平變形

圖5 副壩自重荷載作用下樁基水平變形

2.2 導流明渠通水后水平變形影響分析

導流明渠通水后，模型水平變形云圖如圖6所示，引起的塔基變形分布云圖如圖7所示。在圖6中，由于導流明渠內水荷載作用在副壩及其下部的邊坡上，方向垂直與坡面，因此使副壩及其下部土層發生了向塔基的水平變形，從水平變形云圖上看，副壩靠塔基一側坡腳的水平變形由-15.4 mm增大至-18.2 mm，將進一步影響塔基水平變形。從圖7中得知，由于水荷載使得副壩及其下部土體繼續向塔基發生水平變形，進一步推動塔基向遠離副壩的方向變形，因此，塔基水平變形增量由-3.75 mm增加至-4.81 mm。由于塔基在原設計荷載下水平變形約為-4.8 mm，所以導流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-9.61 mm。該數值略大，不符合規范要求，因此需要采取加固措施，減小因修建副壩及通水引起的輸電塔水平變形增量。

圖6 水荷載作用下模型水平變形

圖7 水荷載作用下樁基水平變形

3 加固方案

3.1 數值模型

加固區邊界位于邊坡高度2.0 m處，且邊坡范圍內的一半加固深度取5.0 m，副壩中部加固深度取10.0 m。加固區縱向長度方面，輸電塔上部荷載通過塔基作用在地基上的應力擴散角按22°考慮，傳遞至副壩后，影響副壩的長度約50.0 m，因此，縱向加固長度方向上取塔基中心線兩側各25 m，共50.0 m。如圖8所示。加固后，加固區力學參數按照以下標準：密度1950 kg/m3，彈性模量150 MPa，泊松比0.30，粘聚力50.0 kPa，內摩擦角35°。其他區域計算參數不變。

圖8 加固區數值仿真模型

3.2 結果分析

3.2.1副壩建設完成后的水平變形影響分析當副壩建設完成、尚未通水時，模型的水平變形云圖如圖9所示，塔基的水平變形云圖如圖10。

圖9 加固后副壩自重荷載作用下模型水平變形

圖10 加固后副壩自重荷載作用下樁基水平變形

在圖9和圖10中，由于加固區上部副壩沉降減小明顯，因此，加固區副壩外坡腳水平變形也減小，水平變形約為-5.0 mm，而未加固區副壩外坡腳水平變形約為-14.5 mm。同時，由于輸電塔應力擴散范圍內副壩下部地基進行了加固，故由于副壩自重荷載引起的塔基水平變形增量減小，樁頂最大水平位移增量-0.32 mm。

3.2.2導流明渠通水后水平變形影響分析導流明渠通水后，模型的水平變形云圖以及樁基的水平變形云圖分別如圖11和圖12所示。

圖11 加固后水荷載作用下模型水平變形

圖12 加固后水荷載作用下樁基水平變形

從云圖上看，在加上水荷載之后，加固區副壩靠塔基一側坡腳的水平變形由-5.0 mm增大至-7.5 mm，未加固區副壩靠塔基一側坡腳的水平變形由-14.5 mm增大至-16.9 mm。對于樁基而言，由于輸電塔應力擴散范圍內副壩下部地基進行了加固，因此水荷載引起的塔基水平變形增量減小，樁頂最大水平位移增量增加至-0.7 mm。

4 結論

利用FLAC3D軟件對某水利水電工程導流明渠建設以及后期運營過程進行模擬，分析了明渠建設及運營后對周圍塔基的水平位移影響，結果顯示：

1)副壩自重致使塔基發生遠離副壩方向的水平變形，樁基最大水平位移為-3.75 mm。水荷載將進一步推動塔基向遠離副壩的方向變形，因此，塔基水平變形由-3.75 mm增加至-4.81 mm，由于塔基在原設計荷載下水平變形約為-4.8 mm，所以導流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-9.61 mm。該數值略大，需要采取加固措施。

2)在副壩下方修建一個加固區后，導流明渠通水后引起的塔基水平變形增量為-0.7 mm。塔基在原設計荷載下水平變形約-4.8 mm，導流明渠通水后，塔基最終的水平變形量-5.5 mm，滿足單樁水平承載力特征值的標準。