我国西南山区输电线路场地地震效应

喻豪俊，彭社琴，赵其华，陈继彬，丁梓涵

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都理工大学环境与土木工程学院，成都市 610059)



我国西南山区输电线路场地地震效应

喻豪俊，彭社琴，赵其华，陈继彬，丁梓涵

(地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学)，成都理工大学环境与土木工程学院，成都市 610059)

西南山区大部分为具覆盖层下伏基岩场地，并且地势陡峻。在其输电线路工程中，场地在地震作用下的稳定性对上部杆塔结构的安全影响较为明显。目前对于不同场地条件对地震动的影响有一定的研究，但针对西南山区陡坡地形，特别是具基岩场地中基岩强度对场地地震效应的研究还较少。以西南山区某典型输电线路场地为研究对象，采用FLAC3D数值分析软件，运用时程分析方法，分析场地地震峰值加速度放大系数、场地永久位移随覆盖层厚度和基岩强度的变化特征，探讨西南山区不同场地地基条件的地震效应。研究表明：随着覆盖层厚度的增加，场地峰值加速度放大系数逐渐减小、永久位移逐渐增大；随着基岩强度的增大，场地水平峰值加速度放大系数逐渐减小，竖向峰值加速度放大系数逐渐增大、永久位移逐渐减小。

场地条件；西南山区；输电线路；地震效应

0 引 言

随着经济的不断发展，中国电力事业突飞猛进。而中国是多地震国家，西南山区输电线路大多要穿越高烈度地震区，输电线塔的震害严重影响了电力设施的正常运行，给人民的财产安全造成巨大的损失[1]。

理论分析和大量的强震观测及震害资料表明，场地条件对地震动有很大影响，基岩之上的覆盖层对地震动有明显的放大作用[2-3]。当地震作用超过场地岩性和土质条件的稳定能力时，就会出现场地失稳或地面永久变形[4]，而场地的稳定性直接影响着上部结构的安全，甚至将导致上部铁塔结构的倒塌破坏。因此，探讨西南陡坡地形的场地地基地震效应， 防止输电线塔在地震作用下发生破坏，具有十分重要的研究意义。

近年来，场地条件对地震动的影响引起了国内外广大学者的关注，并且开展了一系列的研究工作。其中，陈党民等[5]假设覆盖土层和基岩面呈水平成层分布，建立了不同覆盖层厚度和不同等效剪切波速的一维土层反应模型，分析了场地条件对地表峰值加速度的放大效应。文雯等[6]分别以单一均质的黏土、粉土、砂土、砾石场地为研究对象，分析了不同地震动输入条件下，峰值加速度和反应谱平台值随覆盖层厚度变化的影响。李秀玲等[7-8]利用土层地震反应分析的等效线性化波动分析方法，计算了不同覆盖层厚度场地的地表加速度，得出覆盖层对场地峰值加速度放大作用存在一定的局限性。高峰等[9]对寒区冻土场地中冻土层厚度对场地地震反应的影响做了一定的研究，认为冻土层厚度越大，场地峰值加速度越小。

但是，相关学者的研究对象大多是针对平坦场地或土质场地的场地条件而言。西南地区地形地貌错综复杂，山地、丘陵居多，并且大部分为具碎石土下伏基岩场地。场地中覆盖层厚度、基岩强度参数对地震动的影响较为明显。基于此，本文采用FLAC3D[10-11]数值分析软件，以西南地区输电线路实际走线中最易穿越的地形地貌和地基土大类为基础选取典型的输电线塔位，对不同场地地基条件(覆盖层厚度、基岩强度)下的地震效应进行了动力数值分析，进而为山区陡坡地形输电线塔的线路选线、塔位选址提供一定的指导，减少输电线塔在地震作用下的损坏。

1 场地特征及模型建立

1.1 场地条件

西南地区输电线工程线路走线一般起于变电站，从变电站出线，穿越如高山峡谷、斜坡、脊坡等十分复杂的山区地形，最后止于线路终点的变电站。因此，为了更好地反映西南山区输电线路场地的地震动响应，本文选取具有代表性的山区斜坡场地进行地震效应的研究。

场地位于Ⅷ度地震烈度区。场地类型为薄覆盖层下伏基岩斜坡，地形条件为低山斜坡中上部，坡度25°。覆盖层为碎石土，厚约3 m。其下基岩为砂岩，中等风化。斜坡坡度D腿侧约30°，其余各腿25°。塔位处地形见图1，岩土体介质材料物理力学参数见表1。

图1 场地地形图Fig.1 Site topographic map表1 岩土体介质材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil medium material

1.2 模型建立

模型原型选取西南地区某输电线路工程中Ⅶ号点位。根据实际的场地地形就势向外延扩建立数值计算模型，模型长(y方向)约195 m，宽(x方向)207 m。模型按实际场地覆盖层、基岩分布分上下2层建模。场地计算模型图见图2。

图2 模型示意图Fig.2 Sketch model

1.3 模型边界条件

模型建立过程中为减小边界效应，使分析的重点区域距边界有一定距离，以保证模型边界实际应力变形特征与所设约束尽可能一致，故实体模型塔位场地以外区域根据地势适当往外延展。

计算中模型边界条件的处理遵循以下原则：

(1)底部边界设定水平和竖直方向位移约束。

(2)侧向边界由于斜坡体存在自重应力，且自重应力对斜坡岩体稳定性影响较大，同时强震条件下水平向动力作用对斜坡的稳定性影响较竖直向大，因此侧向边界设定水平向为位移约束。

(3)顶部边界为自由边界。

1.4 地震波输入

本次计算选择汶川地震时处于Ⅸ度地震烈度区的卧龙台监测到的地震波作为基准波，人工滤波并缩小其幅值，将地震加速度调整至Ⅷ度地震烈度区。处理后地震作用历时25 s，单位时间步长0.02 s，历时10～22 s左右为振动峰值区，最大峰值加速度为3.048 m/s2。水平/竖向波形如图3所示。计算考虑水平地震波和竖向地震波耦合作用的情况，同时输入水平和竖向地震波。

图3 地震加速度时程曲线Fig.3 Time-history curve of seismic acceleration

2 数值分析方案

2.1 不同覆盖层厚度

对于地基不同覆盖层厚度的地震效应研究，选择Ⅶ号点位实际地形地貌，保持其地形坡度、基岩强度等场地地形条件不变，通过改变地基覆盖层厚度，设定覆盖层厚度为3，5，7 m，考察顺坡向坡面(1-1)不同覆盖层厚度的地震效应。

2.2 不同基岩强度

为了研究不同基岩强度的地震作用放大效应和规律，保持其地形坡度、覆盖层厚度等场地地形条件不变，计算中通过改变基岩物理力学参数，考虑不同坚硬程度基岩(软岩、较硬岩、坚硬岩)的地震效应。不同坚硬程度基岩的计算参数取值见表2。

3 场地地震效应结果分析

3.1 表征指标的选取

高地震烈度区陡坡场地在地震力作用下应力变形会随时间而变化，瞬时的较大位移如果能恢复就不会引起场地岩土体失稳，而永久位移能够体现陡坡整

表2 不同坚硬程度基岩计算参数

Table 2 Calculation parameters of bedrock with different rigidities

体稳定性程度。一般认为水平峰值加速度对斜坡稳定性影响较大，但如果耦合竖向地震力而产生最不利情况，则斜坡稳定性将会面临更严峻的考验。鉴于此，引入斜坡表面永久位移以及地震峰值加速度放大系数，用以表征陡坡地形带场地地震效应。

加速度放大系数(以η来表示)，定义为斜坡地震动力反应加速度波动峰值与坡脚地面加速度波动峰值的比值。假定斜坡上任意一点的动力反应的加速度峰值为gpm，坡脚的动力反应的加速度峰值为gpj，则该点的加速度放大系数就可以表示为

η=gpm/gpj

(1)

3.2 地基覆盖层厚度影响

覆盖层厚度分别为薄、中厚、厚时水平和竖向地震加速度放大系数(相对于局部地形坡脚，高程为相对于局部地形的高程)如图4所示。

从图4中可以看出，随着斜坡覆盖层厚度的增加，水平和竖向峰值加速度放大系数减小。水平峰值加速度放大系数为0.85～1.3，竖向峰值加速度放大系数为0.9～1.15。

薄覆盖层的斜坡水平峰值加速度放大系数顺坡高波动增加，在坡肩下达到最大值，变化范围1.0～1.3；中厚覆盖层的斜坡水平峰值加速度放大系数顺坡高亦波动增加，在坡顶处达到最大值，变化范围0.93～1.14；厚覆盖层的斜坡水平峰值加速度放大系数顺坡高基本呈线性减小，在坡顶处达到最小值，变化范围1.0～0.85。

竖向峰值加速度放大系数在薄覆盖层斜坡，顺坡高近似线性增加，在坡顶达到最大值，变化范围1.0～1.15；中厚、厚覆盖层斜坡顺坡高先略有减小，后又增大，最小值出现在3/5坡高处，最大值出现在坡顶，变化范围分别为0.9～1.04、0.98～1.05。

总体来说，薄覆盖层和中厚覆盖层场地在地震作用下的峰值加速度逐渐增大，厚覆盖层场地在地震作用下的峰值加速度逐渐减小，即g薄覆盖层>g中厚覆盖层>g厚覆盖层。

水平和竖向地震永久位移-高程曲线见图5。

图4 峰值加速度放大系数—高程曲线Fig.4 Peak acceleration amplification coefficient-height curves

图5 永久位移-高程曲线Fig.5 Permanent displacement-height curves

由图5可知：随着斜坡覆盖层厚度的增大，水平和竖向永久位移是成倍增大。薄覆盖层水平和竖向位移顺坡面向上近似线性增大，在坡顶处达到最大值。

中厚、厚覆盖层斜坡在坡下部顺坡向上近似线性增加，水平永久位移在1/5到3/5坡高处基本保持不变，坡高3/5到坡顶迅速增大，在坡顶达到最大值；竖向永久位移在坡高2/5向上基本保持不变。

总体来说，D厚覆盖层>D中厚覆盖层>D薄覆盖层。对于该场地，相同覆盖层厚度时水平位移大于竖向位移。

3.3 地基基岩强度影响

基岩分别为软岩、中硬岩、硬岩时水平和竖向地震加速度放大系数图(相对于局部地形坡脚)如图6所示。

图6 峰值加速度放大系数-高程曲线Fig.6 Peak acceleration amplification “coefficient-height curves

从图6可见，水平峰值加速度放大系数随基岩强度的增大而减小，变化范围约为0.92～1.09。竖向峰值加速度放大系数随基岩强度的增大是逐渐增大的，均在坡顶达到最大值，最大值范围为1.05～1.2。

基岩为软岩和较硬岩时水平峰值加速度放大系数随坡高是逐渐增大的，而硬岩则随坡高减小。竖直峰值加速度放大系数随坡高而增大。

虽然水平峰值加速度放大系数随基岩强度的增大而减小，但从计算得出的实际地震水平加速度量值可见，随着基岩强度的增大，水平加速度量值是逐渐增大的，具体见表3。

水平和竖向地震永久位移-高程曲线见图7。

从图7可见，随着基岩强度增大，水平和竖向永久位移减小。水平位移在坡高1/5以下增大，1/5坡高到3/5坡高变化不大，3/5坡高到坡肩处迅速增大，在坡肩处达到最大值。竖向位移在2/5坡高以下增大，2/5坡高到坡肩处变化不大。

表3 不同基岩强度水平加速度量值

Table 3 Horizontal acceleration of different bedrock strength

图7 永久位移-高程曲线Fig.7 Permanent displacement-height curve

4 讨 论

(1)由剪切波速与覆盖层厚度的关系式[12]：

(2)

式中：di为第i层覆盖层的厚度；use为整个范围内土体的等效剪切波速；d0为上覆岩层的厚度；usi为第i层土体的剪切波速。

由式(2)可得，当覆盖层厚度增大时，土体的剪切波速减小，一定程度上缩小了对场地的地震效应。

当考虑了水平和竖向地震作用力时，结构体系相互作用时的运动方程[12]可表示为

(3)

由式(3)可知，基岩强度的变大，使得整个体系的刚度变大，引起体系中各个质点的加速度增大。

(2)总而言之，不同场地地基条件的地震效应是一个非常复杂的问题，特别是针对山区陡坡场地而言。它不仅与本文研究的覆盖层厚度和基岩强度有关，还与土层结构、地震动强度、地貌类型等诸多因素有关。本文只是针对西南山区某一特定的场地的场地条件(覆盖层3～7 m，软岩-坚硬岩)情况下的场地地基地震效应的影响做了一些初步研究。试图为西南高烈度地震区输电线塔的线路选线、塔位选址提供一定的意见和建议。

5 结 论

本文以西南地区某输电线路工程为例，分析了地震作用下场地峰值加速度放大系数和永久位移随覆盖层厚度、基岩强度的变化特征。探讨了场地地基条件对其稳定性的影响，为山区陡坡地形输电线路的线路选线、塔位选址提供一定的指导。主要结论如下：

(1)随着斜坡覆盖层厚度的增加，场地水平和竖向峰值加速度放大系数逐渐减小，均在坡肩达到极值或最大值。场地永久位移随覆盖层厚度的增加而增大。

(2)随着基岩强度的增大，场地水平加速度放大系数逐渐减小，竖向加速度放大系数逐渐增大，但实际的加速度量值随基岩强度的增大而增大。另外，场地永久位移是随之减小的。

(3)整体来说，覆盖层厚度的增加能起到一定的吸震、隔震作用。基岩强度的增大会加大场地地震动效应。

(4)对于输电线杆塔而言，场地加速度放大系数是其控制的主要因素。因此，考虑场地覆盖层厚度影响时，西南山区输电线路宜选择厚覆盖层场地走线。

(5)考虑基岩岩性影响时，由于软岩场地的峰值加速度量值小，因此输电线路宜选择软岩场地走线。

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(编辑：张媛媛)

Seismic Effect on Site Condition of Transmission Line in Southwest Mountainous Area

YU Haojun，PENG Sheqin，ZHAO Qihua，CHEN Jibin，DING Zihan

(State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and Geo Environment Protection (Chengdu University of Technology),College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Most of southwest mountainous areas are underlying bedrock ground cover layer, and the terrain is steep. In the transmission line engineering, the influence of the site stability under seismic action on the safety of upper tower structure is obvious. At present, there are some researches on the influence of different site conditions on seismic effect, but there are few researches for the southwest steep terrain, especially for the influence of the bedrock strength in the rock sites on the seismic effect of the site. Taking a typical transmission line site in southwestern mountainous area as research object, with using numerical analysis software FLAC3D and time history analysis method, this paper analyzed the seismic peak acceleration amplification coefficient on site, the variation characteristics of the permanent displacement on site along with the cover thickness and bedrock strength, and discussed the seismic effect of different site conditions in southwest mountainous area. The results show that: with the increase of cover thickness, the peak acceleration amplification coefficient gradually decreases, and the permanent displacement gradually increases; with the increase of bedrock strength, the vertical peak acceleration amplification coefficient gradually increases, and the horizontal peak acceleration amplification coefficient and the permanent displacement gradually decrease.

site condition; southwest mountain area; transmission line; seismic effect

国家重点基础研究发展计划项目(973计划)(2011CB013501)；长江学者和创新团队发展计划(IRT0812)。

TM 75， TU 44

A

1000-7229(2015)06-0040-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.06.007

2015-04-20

2015-04-30

喻豪俊(1989)，男，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作；

彭社琴(1966)，女，教授，硕士生导师，主要从事岩土工程方面的研究工作；

赵其华(1964)，男，教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面的研究工作；

陈继彬(1987)，男，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作；

丁梓涵(1990)，女，硕士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。

Project Supported by the National Basic Research Program of China (973 Program) (2011CB013501)；Program Supported by Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University(IRT0812).