输电杆塔极限荷载状态对滑坡稳定性的影响研究

周英博 陈航 周秋鹏 段志强 高晓晶

摘要：随着山区城市电力交通建设的迅速发展，高压输电线塔不可避免地修建于山坡位置，这给自然边坡的滑坡带来二次加载，对边坡杆塔基础稳定性产生不利影响。结合工程实例研究了运营期杆塔极限荷载状态对滑坡和杆塔基础稳定性的影响。确定了运营期输电杆塔基础承受的极限工况，基于规范相关规定，初步评价了杆塔基础的稳定性。在此基础上，采用三维数值模拟方法从基础位移变化和土体塑性区分布入手研究了杆塔基础荷载状态对杆塔基础周围土体的扰动影响，主要从杆塔基础位移变化和周围土体塑性区分布变化分别进行分析，阐明了极限荷载工况下杆塔基础稳定性与风速及杆塔基础埋深的相关关系。研究成果可为山区高压杆塔建设提供一定技术参考。

关 键 词：输电杆塔基础; 极限荷载; 滑坡稳定性; 塑性区

中图法分类号： TU44

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.029

0 引 言

近年来，随着“西电东送”和全国联网工程项目的大力建设，作为高负荷电能输送的载体，输电线路的安全运行能力一直都备受社会各界的高度关注。电力系统作为国家的重要基础设施，其安全稳定运行关系到国家经济和人民生活，一旦发生故障或破坏都将造成巨大的经济损失，并引发各种次生灾害[1]。

作为输电线路重要组成部分的高压输电塔不可避免地要架设在山脊、陡坡边缘、河边。而这些区域坡体易产生滑坡灾害，导致电力杆塔倾斜、断线以及跳闸等电网事故。如500 kV跨区电网二滩-自贡输电线路自投运以来十几年中，几乎每年都会发生因滑坡引起的输电线路设备损坏事件并使线路被迫停运改造。截至2008年，因滑坡、泥石流等自然灾害对二自线投入的改造资金已不少于1亿元[2]。2007 年 7 月 21 日，连日大雨造成重庆市南岸区最重要的供电线电力铁塔塔基滑坡，使供应南岸地区 60%的主电源线停止工作，40万人受到停电影响[3]。

在复杂地质条件下，杆塔除自重外，通常承受较大的风荷载、雪荷载的瞬时或循环作用，对边滑坡的稳定也带来极大的威胁。荷载的大小、分布和偏心程度等都决定着基础的受力状态与工作特性。当荷载设计不合理或在交变荷载的作用下，地基会出现不同程度的裂缝。这为雨水的下渗提供了通道，为边坡滑坡失稳埋下隐患。鉴于此，学者对输电杆塔基础边坡滑坡做了大量的研究工作。对于杆塔基础滑坡的稳定性评价方式和影响因素：李彬等[4]分析了适合黄土边坡输电线路杆塔合理位置;何运祥等[5]则利用灰色关联分析方法研究了各影响参数对输电杆塔临坡基础边坡稳定性影响的敏感性;吴毅江等[6]基于改进的属性识别模型，对塔基山坡稳定性进行评价分级。此外，针对外界因素如降雨、开挖和地震作用等如何影响杆塔基础滑坡稳定性的问题，郭春松等[7]以吴宁-朱云220 kV 线路工程中某塔位作为研究对象，对塔位开挖弃土进行堆积前后稳定性及位移场分析，研究铁塔基开挖弃土诱发滑坡的变形破坏机制。赵健等[8]以某输电线路新建铁塔岩质边坡工程为依托，分析了开挖陡坡对新建铁塔岩质边坡的稳定性的影响。樊柱军[9]、胡江运[10]、王伟[11]等则分析了暴雨、地震及其组合等工况下输电杆塔基础滑坡的稳定性。然而目前研究很少分析杆塔基础荷载对滑坡及其自身稳定性的影响，对极限荷载工况影响滑坡稳定的研究则更少。

本文研究对象燕子滑坡为一老滑坡，滑坡区平面上呈长舌形，后缘具圈椅状地形，剖面上呈台阶状。2016年1月26日在该滑坡中部进行G209国道巴东长江大桥南岸绕城线公路切坡施工过程中，绕城线公路施工方发现滑坡中后部国家电网盘龙一回500 kV过江铁塔塔基出现变形，原有地表裂缝变形扩展加剧，对过江铁塔安全构成威胁，且地表裂缝沿北侧扩展延伸，使滑坡北侧向3户住房出现严重变形，对3户居民的生命财产安全构成威胁。因此，本文以燕子滑坡及滑坡上500 kV输电杆塔基础为研究对象，研究运营期输电杆塔极限荷载状态对滑坡和杆塔基础稳定性的影响。

1 工程背景及杆塔基础荷载

燕子滑坡区地形坡度前陡后缓，前缘坡度约为25°～40°，后缘坡度为15°～25°，主滑方向310°，居民多将缓坡地带改造为耕地。滑坡体纵长约400 m，横宽约150 m，面积约6.00万m2，滑体平均厚度约10 m，体积约60.0万m3。500 kV盘龙一回200号塔为巴东大跨越跨江塔，200号杆塔位于巴东县城信陵镇西壤坡社区的燕子滑坡体内。图1是燕子滑坡及200号输电杆塔现场照片。

以燕子滑坡上的200号输电杆塔为对象，根据当地的气象条件，分析了输电杆塔在正常运行情况（包括最大风速、覆冰）和断线等情况下杆塔基础所承受的荷载，如图2所示。a、b为塔腿根开，θ为侧面主材与地面的夹角，其余符号均为在正常运行情况和断线等情况下计算的荷载符号，包括重力、风压力、断线张力等。可以确定，当风速大于20 m/s时，此时为杆塔基础承受的最大荷载工况。

此外，计算出了杆塔基础荷载大小与风速之间的关系，如图3所示。可以看出，杆塔基础的竖向荷载（包括下压力N和上拔力N′）和水平荷载（Hx和Hy）基本与风速近似成线性关系，但竖向荷载的增长幅度大于水平荷载。其中y方向是滑坡主滑方向，x方向为垂直滑坡主滑方向。

2 输电杆塔基础稳定性验算

杆塔基础稳定性主要包括基础上拔稳定、基础倾覆稳定、基础地基承载力，基础倾覆稳定又分为上拔倾覆和下压倾覆稳定。综合现场地形地质因素，假设杆塔基础为混凝土台阶基础，基础主柱和底板均为圓形，如图4所示。

根据GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》的规定，对于承受较小的横向荷载的基础，一般埋深不小于0.6 m，对于承受上拔力较大的铁塔基础，应尽量埋深，但不宜超过抗拔土体的临界深度。根据大量土工试验，利用土重法可知，对于圆形底板基础，在坚硬的黏性土下，基础上拔临界深度为2倍的圆形底板直径。因此，为分析杆塔基础在极限条件下的稳定性，设置了基础埋深为1，2 m和3 m等3种工况，分别分析杆塔基础在不同埋深下以及不同荷载下的稳定性。

2.1 基础上拔稳定性验算

根据土重法可知，杆塔基础上拔稳定性需要满足式（1）。

γfTE≤γEγsγθ1Vt-ΔVt-V0+Qf（1）

式中：γf为基础附加分项系数，TE为基础上拔力，γE为水平力影响系数，γs为基础底面以上土的加权平均重度，γθ1为基础底板上平面坡角影响系数，Vt为基礎埋深内土和基础的体积，ΔVt为相邻基础影响的微体积，Qf为基础自重力。为分析方便，把上述不等式的左边称为基础上拔力，右边为基础抗拔力。

图5是不同埋深杆塔基础上拔力与抗拔力在不同风速下的值。可以看出，基础抗拔力只与杆塔基础形式和土体有关，杆塔基础埋深越大，基础抗拔力也越大。而基础上拔力是与风速近似成正线性关系，与埋深无关。对于杆塔基础埋深超过2 m，其基础满足上拔稳定性，而对于基础埋深为1 m时，当风速小于26 m/s时，基础满足上拔稳定性，但当风速大于26 m/s，则不满足。

2.2 基础上拔倾覆稳定性验算

当基础的水平力和基础的上拔力同时作用于基础顶面，由于基础在上拔工况时产生上拔水平分力，与其平衡的是基础和土的自重。由力矩的平衡方程可知，杆塔基础上拔倾覆稳定性需满足：

γfTEL+HEh1+h2≤QbL（2）

式中：HE为基础所受水平力，h1为基础立柱露出设计地面的高度，h2为基础的埋置深度，L为基础倾覆稳定时的力臂，Qb为基础自重力与抗拔土范围内土体自重力之和。为分析方便，把不等式（2）的左边称为基础上拔倾覆力矩，右边为抗拔倾覆力矩。

图6是杆塔基础上拔倾覆力矩和上拔抗倾覆力矩随风速变化关系图。从图6可以看出，基础埋设深度为3 m以上时，基础上拔倾覆稳定性满足要求;而小于3 m时，则基础上拔倾覆稳定性需要风速来决定。对于埋深为2 m的基础，当风速小于27 m/s时，满足上拔倾覆稳定性。对于埋深为1 m的基础，当风速大于22 m/s时，达不到上拔倾覆稳定性。

2.3 基础下压倾覆稳定性验算

同样，在水平推力和基础下压作用下，基础也会产生倾覆的可能。因此，为满足基础下压倾覆稳定性，需要满足式（3）。

γfHEh1+h2≤Qy+NEL（3）

式中：Qy为基础正上方的土体重和基础自重之和，NE为基础下压力。同样地，为分析方便，把上述不等式的左边称为基础下压倾覆力矩，右边称为基础下压抗倾覆力矩。

图7是杆塔基础下压倾覆力矩和下压抗倾覆力矩与风速之间的关系图。可以看出，基础下压倾覆力矩和下压抗倾覆力矩均随风速增大而增大。杆塔基础埋深越大，基础下压倾覆力矩和下压抗倾覆力矩也均相应越大，且增长幅度基本一致。可以发现，不同埋深下的基础都满足下压倾覆稳定性要求。

2.4 地基承载力验算

输电铁塔属于双向偏心受力基础，下压时需同时满足式（4）和式（5）。

轴心受压时：γrfP≤fa（4）

偏心受压时：γrfPmax≤1.2fa（5）

式中：γrf为地基承载力调整系数，取0.75;P为地基地面处的平均压力;Pmax为基础底面边缘最大压力;fa为修正后的地基承载力特征值。图8是杆塔基础偏心受压和轴向受压时基础底面边缘最大压力以及地基承载力与风速的关系图。

从图8可以看出：随着风速的增加，偏心受压时基础底面边缘最大压力也随之呈现近似线性增长，但是轴向受压随风速的增长幅度小于偏心受压情况。不同基础埋深时，轴向受压、偏心受压的力均小于对应的承载力，满足地基承载力要求。

3 杆塔基础荷载对基础周围土体影响

3.1 模型的建立

根据三维地形地质图，结合GOCAD、Sufer图形处理软件以及Ansys有限元建模模块建立了燕子杆塔基础滑坡数值模型，进而采用FLAC3D有限差分法进行数值模拟分析。局部三维地质模型及剖面布置图如图9所示，以垂直滑坡方向为x轴，以滑坡方向为y轴，以垂直方向为z轴。

建模过程中综合考虑燕子滑坡的地质结构与岩土特征，燕子滑坡体主要可以分为两层：上层为堆积的黏土夹碎块土体，下卧层为泥灰岩。两层土体均采用弹塑性本构模型，屈服准则采用摩尔库仑强度准则，其物理力学性质如表1所列。

两种土层滑面采用接触单元。模型采用四面体单元进行网格划分，共划分单元116 730个，节点22 741个。杆塔基础采用桩基础，采用实体单元模拟，杆塔基础与岩土体之间采用接触单元。模型中侧面为法向约束，底面为固定约束。

为分析杆塔基础荷载通过杆塔基础对周围土体的影响，设置了1-1和2-2剖面，如图9所示。杆塔基础按逆向分别为1，2，3号和4号。对于受荷载情况，风速假设沿x正方向，因此，1号和4号杆塔基础受上拔作用，2号和3号杆塔基础受下压荷载。

3.2 位移结果分析

图10是风速为30 m/s时杆塔基础的位移，杆塔基础的最大位移都集中在杆塔基础顶部，最大值在10-4 m级别，而且杆塔基础在地表以上部分的位移要比在地面以下大，这是因为基础受土体约束的影响。受杆塔基础荷载分布的影响，在x方向，各个杆塔基础的位移为：4号>3号>1号>2号。在y方向，位移大小排序为：3号>4号>2号>1号。在z方向的位移排序为：3号>2号>4号>1号。对于总位移，排序为：4号>3号>2号>1号。

为了分析杆塔基础的地基变形是否满足要求，对各杆塔基础的顶部和顶部在z方向的位移情况进行整理，如图11所示。可以看出，在不同风速下，4号杆塔z方向正向位移是最大的，3号杆塔z方向沉降位移基本上是最大的。因此，针对剖面1-1，即3号和4号杆塔，分析了不同风速下杆塔基础的最大倾斜率，如图12所示。可以发现，杆塔基础的最大倾斜率不大于0.000 12，根据规范要求（见表2）可知，杆塔基础地基变形是满足要求的。

3.3 塑性区分析

图13，14是不同风速下杆塔基础及周围土体塑性区分布图。由图可知：对于剖面1-1，塑性区主要集中在靠近地表的杆塔周围土体，随着风速的增加，杆塔基础周围土体的塑性区在增加。当风速达到35 m/s时，杆塔基础周围土体塑性区面积明显增大，而且3号杆塔基础周围土体塑性区面积一直大于4号杆塔基础。对于剖面2-2，塑性区的变化和分布基本与剖面1-1一致。此时，4号杆塔基础周围土体塑性区面积一直大于1号杆塔基礎。总的来说，杆塔荷载对杆塔周围土体塑性区影响不大，而且相邻杆塔基础的影响也可以忽略不计。

4 结 论

（1） 根据当地的气象条件，分析了输电杆塔在正常运行情况（包括最大风速、覆冰）和断线等情况下杆塔基础所承受的荷载。结果表明，当风速大于20 m/s时为正常运行情况下杆塔基础承受的极限荷载工况。

（2） 杆塔基础埋深超过2 m，基础满足上拔稳定性，而对于基础埋深为1 m时，当风速大于26 m/s则不满足;基础埋深为3 m以上时，基础上拔倾覆稳定性满足要求，而小于3 m时，基础上拔倾覆稳定性由风速决定;不同埋深下的基础都满足下压倾覆稳定性要求和地基承载力要求。

（3） 随着风速的增加，整体滑坡的安全一直保持不变，而对于局部滑坡，其安全系数虽有一定的减少，但是不超过0.003。

（4） 杆塔基础的最大位移都集中在杆塔基础顶部，而且最大值不超过0.5 mm，相邻杆塔基础基本互不影响。随着风速的增加，杆塔基础位移也在增加，增加的幅度与风速增加幅度基本一致;杆塔基础的最大倾斜率不大于0.000 12，根据规范要求可知杆塔基础地基变形满足要求。

参考文献：

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[4] 李彬，胡云瑞，曹荣泰，等.黄土边坡输电线路杆塔合理位置分析[J].电力勘测设计，2013（4）：22-26.

[5] 何运祥，徐力，聂卫平.基于强度折减法的输电杆塔临坡基础边坡稳定性影响因素分析[J].电力建设，2012，33（7）：30-33.

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[10] 胡江运，刘强，艾传井，等.某输电线路长江大跨越塔基边坡稳定性研究[J].电力勘测设计，2018（增1）：29-34.

[11] 王伟，施忠然，王荣.深圳地区降雨引发塔基边坡灾害及防治[J].电力勘测设计，2015（增1）：5-10.

（编辑：郑 毅）

Influence of extreme load conditions of transmission towers on stability of landslide

ZHOU Yingbo1，CHEN Hang2，ZHOU Qiupeng1，DUAN Zhiqiang1，GAO Xiaojing1

（1.Economic Research Institute of State Grid Hubei Electric Power Company Limited，Wuhan 430077，China; 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the rapid development of urban electric and transportation construction in mountainous areas，the high-voltage transmission line towers are inevitably built on hillsides or landslides，which is easy to cause secondary loading to the natural side of the landslide，and has a negative impact on the stability of tower base.In view of this，we present a study on the influence of the ultimate load state on stability of the tower foundation and the landslide in the operation period with an engineering example.Firstly，the extreme working conditions of the transmission tower foundation under different operating conditions were determined.Based on the Code for Design of 110-750 kV Overhead Transmission Line（GB 50545-2010），the stability of tower foundation was preliminarily evaluated.On this basis，we used three-dimensional numerical simulation method to study the disturbance from foundation load on soil around the foundation in term of foundation displacement and plastic zone of surrounding soils.We illuminated the relation between foundation stability and wind speed and the embedded depth of foundation.The research results can provide some technical references for construction of high-voltage transmission line tower in mountainous area.

Key words：

transmission tower foundation;ultimate load;landslide;stability;plastic zone