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特高压直流输电线路塔基边坡的稳定性分析

2020-10-25陈新民

工程技术研究 2020年18期
关键词:塔基坡顶边坡

陈新民

(华东送变电工程有限公司,上海 201803)

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,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。

图2 塔基边坡坡顶处x方向上的应力对比

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。

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