降雨條件下輸電塔桿基礎穩定性分析

程 錚

（福建省電力建設工程咨詢有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

降雨是影響輸電線路塔基抗拔樁穩定性的關鍵因素之一，隨著降雨的入滲，會使下部土體由非飽和轉向飽和狀態，進而影響抗拔樁基礎的穩定性能。

很多學者對此進行了研究，陳仁朋等使用不同含水率的兩種粉質土體（49.0%與100%）研究抗拔樁的極限承載力，結果表明，與非飽和土體相比，飽和土體下的極限承載力下降幅度達到30%～50%；張西等使用靜載試驗分析了浸水作用下土體的抗剪承載力及上拔承載力，結果表明，浸水后的土體抗剪承載力減少、上拔承載力增加；袁乾坤等使用試驗研究的方法，分析了兩種抗拔樁（截面樁及根式樁）在不同粗糙程度的樁土截面下的極限承載力大小；其他學者也對此進行了相關研究。

該研究對降雨條件下輸電塔桿基礎穩定性進行分析，探究輸電塔桿基礎抗拔樁在降雨條件下的Q-S變化趨勢及極限承載力變化。

1 工程概況

該工程線路起于建嵐后220kV變電站，止于已建大京110kV線路π接點（京東線#10塔）。該工程按220kV和110kV進行分段建設，該期降壓為110kV線路運行，遠期改接入220kV長春變，升壓形成嵐后～長春雙回220kV線路。線路路徑全長為25.728km，采用單回路電纜與雙回路架空鐵塔混合建設，其中嵐后變出線段路徑長為0.38km，采用110kV電纜單回敷設，擬建長春變附近至π接點長為2.644km，采用110kV雙回路鐵塔架設，其余段長為22.704km，采用220kV雙回路鐵塔架設。

2 模型建立

為了驗證所建立模型的準確性，該研究將荷載-位移值的現場試驗與數值模擬結果進行對比，進而驗證模型的準確性。

2.1 土體物理力學性質

該研究以某區域內的粉質黏土為研究對象，土體的相關物理力學參數見表1。

表1 土體物理力學參數

2.2 基礎抗拔試驗

試驗中為了保持土體力學性能，使用人工挖孔樁的方法成樁，進而在樁孔中吊入鋼筋籠、灌注混凝土，在適宜環境下養護，形成輸電線路基礎。試驗過程中，使用RSJYC采集樁基在靜載下的上拔荷載-上拔位移曲線，得到-如圖1所示。

圖1 靜載下抗拔樁Q- S曲線

2.3 建立數值分析模型

輸電線路基礎如圖2所示，在水平方向上，該抗拔樁為軸對稱圖形，選取抗拔樁的1/4結構為研究對象建立數值分析模型，模型尺寸為14.0m×14.0m×10.2m，共計24321個單元、27235個單元節點。

圖2 基礎平面圖

建立模型的邊界條件及模型設置見表2。

表2 模型邊界條件及模型設置

2.4 結果對比分析

將現場試驗與數值模擬結果繪制于同一圖中，如圖3所示，可知現場試驗及數值模擬計算結果差值較小。對抗拔樁力學性能影響較大的3個荷載參數為臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載。對數值模擬計算結果，臨塑荷載為600.0kN、極限承載力荷載為1920.0kN、破壞荷載為2000.0kN，對比現場試驗及數值模擬計算得到的臨塑荷載、極限承載力荷載及破壞荷載對應的位移值可知，3個荷載參數對應的位移值差值為7.81%、13.50%、4.12%。綜上所述，建立的數值分析模型具有較高的可靠性，可以較為準確地反應高壓輸電基礎的實際抗拔性能。

圖3 現場試驗與數值模擬Q-S曲線

3 降雨條件下基礎抗拔數值模擬分析

3.1 降雨條件下滲流參數的確定

經過現場實際監測得到的1985—2019年降雨量變化值如圖4所示。

圖4 降雨量變化值

由現場實測數據可知，該地1985—2019年最大降雨量為240.0mm/6h，基于現場降雨量可以得到降雨強度為1.0×10m/s。由已有研究可知：當降雨強度大于土體的滲透系數時，土體滲透率為實際工況下土體的土體滲透系數；當降雨強度小于土體的滲透系數時，土體滲透率為實際工況下的降雨強度值。在實際模型計算中，非飽和土的相關參數取值見表3。

表3 非飽和土的相關參數取值

3.2 計算結果分析

使用數值模擬方法可以得到當降雨天數為0天、1天、3天、5天、7天時土體的孔壓變化特征。隨著雨水的初始入滲，土體經歷了由非飽和向飽和滲流狀態的轉變、土體孔壓由-160kPa增加到0kPa；同時隨著土體雨水的不斷入滲，土體中孔壓為零的區域逐漸下移，土體中非飽和區域向飽和區域轉變呈現出明顯的梯度變化狀態。

隨著降雨不斷向土體中入滲，飽和土區域體積和土體密度不斷增大，抗拔樁的抗拔性能得到增強，進而增強了輸電塔桿的抗拔承載性能；同時，隨著降雨不斷向土體入滲，土體的基質吸力不斷和抗剪強度不斷減少，進而導致輸電塔桿的抗拔承載性能減弱。當降雨時間為0天、1天、3天、5天、7天時，輸電塔桿基礎抗拔承載性能的-曲線如圖5、圖6所示。

圖5 不同降雨條件下的Q-S曲線

圖6 不同降雨條件下的S-t曲線

當上拔荷載<600kN且上拔荷載值相同時，降雨天數越長，基礎上拔位移值越低，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區域不斷增大，土體重度的增加對基礎抗拔性能的影響大于基質吸力減少作用的影響。

當上拔荷載=600kN且降雨時間達到1天與3天時，降雨天數越長，基礎上拔位移值越低，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區域不斷增大，土體重度的增加對基礎抗拔性能的影響大于基質吸力減少作用的影響；當降雨時間達到5天與7天時，降雨天數越長，基礎上拔位移值越大，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區域不斷增大，土體重度的增加對基礎抗拔性能的影響小于基質吸力減少作用的影響。

在上拔荷載＞600kN且上拔荷載值相同的條件下，降雨天數越長，基礎上拔位移值越大，這表明隨著降雨向土體入滲，土體飽和區域不斷增大，土體重度的增加對基礎抗拔性能的影響小于基質吸力減少作用的影響，土體基質吸力減少對樁體抗拔性能的影響起主導作用。以上分析表明，上拔荷載在600kN時為臨界狀態。

4 降雨對基礎抗拔承載性能的影響

隨著降雨時間的增加，基礎樁體的極限承載力變化特征如圖7所示。

圖7 不同降雨條件下的極限承載力變化曲線

基礎樁體極限承載力隨著降雨入滲時間的增加而逐漸減少，當降雨時間為0天時，基礎樁體極限承載力為1920.0kN；當降雨時間為7天時，降雨入滲深度達到基礎埋深的60%（距基礎表面約為4.20m），基礎樁體極限承載力為1610.0kN，降低了16.15%。因此抗拔樁極限承載力減少量與降雨入滲深度有關，在一定降雨入滲深度范圍內，降雨入滲深度越大，抗拔樁極限承載力數值衰減速度越快。

5 結語

數值模擬與現場試驗對比結果表明，建立的數值模型能較好地反映上拔荷載與上拔位移之間的關系；當上拔荷載小于比例界限值600kN時，土體重度增加對基礎抗拔性能的影響大于基質吸力減少作用的影響；當上拔荷載大于比例界限值600kN時，土體重度增加對基礎抗拔性能的影響小于基質吸力減少作用的影響；抗拔樁極限承載力與降雨入滲深度有關，當降雨入滲深度越大時，抗拔樁極限承載力減少速度越大。