明渠建设与运营对塔基水平承载能力的影响

王绪民， 何宇棋， 李 剑

(1 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068；2 中国科学院武汉岩土力学研究所， 湖北 武汉 430071)

在中国经济高速发展的阶段，各类工程建设不断增多，在恶劣环境下发生的输电塔倒塌等事故也不断增多。因此，在塔基周围建设工程时需要对塔基进行承载能力影响研究，以确保输电塔基的安全问题。为此，许多学者作了一系列的研究。杨泰华[1]等以葛武线为例，制作出两种形式杆塔塔基进行试验，为输电塔塔基改造提供了有力依据。姜银华[2]等以人工挖孔灌注桩为基础，研究桩基水平荷载下的应力分布以及变形规律，为类似工程塔基定位提供帮助。李洪江[3]等提出了一种p-y曲线的双折线简化模型，用来控制软土地基刚、柔性桩水平承载位移的标准。刘术俭[4]等分别采用两种方法进行建模计算，研究在堆载作用下，低桩承台驳岸的水平位移变形规律。孙孝敏[5]通过FLAC3D的三维有限差分数值模拟研究群桩基础的水平承载力，并总结桩径、桩间距等因素对水平承载力的影响。谢寿平[6]等利用FLAC3D软件对湖南某输电线路工程中的一个铁塔进行建模分析，评价塔基边坡在工程活动下的稳定性，以保证塔基的长期稳定。王开洋[7]等对钢花管型微型桩进行了改善，采用了二次注浆技术，提高了桩基的水平承载力。周世良[8]等采用有限元的方法对群桩的水平承载能力进行了模拟分析，分析了不同坡度和不同深度条件下群桩的水平承载能力。沈建霞[9]等结合算例分析了各种影响因素对桩基水平承载能力影响权重，并指出不同情况所需要采用的桩顶连接形式。为桩基础的水平承载能力提供了借鉴作用。

本文基于Flac3D对某水利水电工程导流明渠建设以及后期运营过程进行模拟，并对其周边输电塔的塔基水平承载能力进行分析，对类似工程稳定性评价提供参考依据。

1 工程概述和模型建立

1.1 工程概述

该水利水电工程左岸副坝填筑施工及后期库区蓄水后对周围特高压大跨度输电塔的塔基变形产生影响。在开挖的边缘处设置了副坝，起到挡水的作用。副坝回填最外边线距离现状塔基的围墙距离11.5 m，距离现状塔基座边缘25.3 m，如图1所示，根据初步设计，左岸为导流明渠，水位设计高程50.72 m，副坝顶面高程53.8 m，副坝外侧地面高程47.0 m。该地区地层自上而下可分为四层：1)砂壤土/壤土层10.0 m；2)粉细砂层9.0 m；3)砂砾石层9.0 m；4)其下为泥质粉砂岩层。

图1 工程设计及水位线

输电塔底座为圆形，底径30.4 m，杆塔全高148.8 m。基础承台2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承台下沿环向均匀布置80根挤土桩，桩径1.0 m，埋深20.0 m，桩身采用钢筋混凝土。

1.2 模型建立

根据地质勘探结果以及104号塔基设计，建立数值模型。模型沿江方向长度为100 m，垂直江水方向长度为350 m，地表壤土层厚度10.0 m，粉细砂层厚度9.0 m，砂砾层厚度9.0 m，其下为泥质粉砂岩。整体数值模型如图2所示。该图中，由塔基指向副坝为X轴正向，垂直于X轴指向远端为Y轴正向，垂直于整个模型向上为Z轴正向。

图2 数值模型

同时根据设计尺寸建立塔基数值模型如图3所示，该塔的塔型为ZK-122，基础分布圆底径30.4 m，基础承台2.5 m厚，位于地表以下，配筋；承台下沿环向均匀布置80根挤土桩，桩径1.0 m，埋深20.0 m，桩身采用钢筋混凝土，混凝土的计算参数如表1所示。

图3 塔基数值模型

1.3 本构模型选择

本次计算采用岩土工程中经典的摩尔-库仑本构模型，由于摩尔-库仑屈服准则可很好地描述大多数岩土材料的强度特性，在FLAC3D计算应用最为广泛。摩尔-库仑屈服准则如下所示：

式中：I1，J2，θσ分别为应力张量的第一不变量、应力偏量的第二不变量和罗德角；c,φ分别为粘聚力和内摩擦角。

1.4 计算参数选择

根据初步设计中对该区域左岸地层物理力学参数的描述，左岸地层力学参数按照实际的试验结果，比对工程地质手册，综合选取计算模型参数，具体如表1所示。

表1 计算模型参数

2 计算结果分析

2.1 副坝建设完成后的水平变形影响分析

在副坝建设完成但是尚未通水时，模型水平变形增量云图如图4所示，塔基水平变形分布云图如图5所示。从图4可以看出，由于副坝自重荷载引起了地层的压缩沉降，所以在副坝的坡脚位置出现了向外的水平变形，水平变形量值约为-15.4mm。并且副坝自重荷载产生的压缩变形挤压了水平方向上土体，故副坝左侧的水平变形逐渐向塔基扩展，将致使塔基发生一定的水平变形。从图5可以看出：由于竖向压缩挤压副坝周围土层，土层的水平位移影响范围较大，将引起塔基发生远离副坝方向的水平变形。桩基最大水平位移为-3.75 mm。

图4 副坝自重荷载作用下模型水平变形

图5 副坝自重荷载作用下桩基水平变形

2.2 导流明渠通水后水平变形影响分析

导流明渠通水后，模型水平变形云图如图6所示，引起的塔基变形分布云图如图7所示。在图6中，由于导流明渠内水荷载作用在副坝及其下部的边坡上，方向垂直与坡面，因此使副坝及其下部土层发生了向塔基的水平变形，从水平变形云图上看，副坝靠塔基一侧坡脚的水平变形由-15.4 mm增大至-18.2 mm，将进一步影响塔基水平变形。从图7中得知，由于水荷载使得副坝及其下部土体继续向塔基发生水平变形，进一步推动塔基向远离副坝的方向变形，因此，塔基水平变形增量由-3.75 mm增加至-4.81 mm。由于塔基在原设计荷载下水平变形约为-4.8 mm，所以导流明渠通水后，塔基最终的水平变形量-9.61 mm。该数值略大，不符合规范要求，因此需要采取加固措施，减小因修建副坝及通水引起的输电塔水平变形增量。

图6 水荷载作用下模型水平变形

图7 水荷载作用下桩基水平变形

3 加固方案

3.1 数值模型

加固区边界位于边坡高度2.0 m处，且边坡范围内的一半加固深度取5.0 m，副坝中部加固深度取10.0 m。加固区纵向长度方面，输电塔上部荷载通过塔基作用在地基上的应力扩散角按22°考虑，传递至副坝后，影响副坝的长度约50.0 m，因此，纵向加固长度方向上取塔基中心线两侧各25 m，共50.0 m。如图8所示。加固后，加固区力学参数按照以下标准：密度1950 kg/m3，弹性模量150 MPa，泊松比0.30，粘聚力50.0 kPa，内摩擦角35°。其他区域计算参数不变。

图8 加固区数值仿真模型

3.2 结果分析

3.2.1副坝建设完成后的水平变形影响分析当副坝建设完成、尚未通水时，模型的水平变形云图如图9所示，塔基的水平变形云图如图10。

图9 加固后副坝自重荷载作用下模型水平变形

图10 加固后副坝自重荷载作用下桩基水平变形

在图9和图10中，由于加固区上部副坝沉降减小明显，因此，加固区副坝外坡脚水平变形也减小，水平变形约为-5.0 mm，而未加固区副坝外坡脚水平变形约为-14.5 mm。同时，由于输电塔应力扩散范围内副坝下部地基进行了加固，故由于副坝自重荷载引起的塔基水平变形增量减小，桩顶最大水平位移增量-0.32 mm。

3.2.2导流明渠通水后水平变形影响分析导流明渠通水后，模型的水平变形云图以及桩基的水平变形云图分别如图11和图12所示。

图11 加固后水荷载作用下模型水平变形

图12 加固后水荷载作用下桩基水平变形

从云图上看，在加上水荷载之后，加固区副坝靠塔基一侧坡脚的水平变形由-5.0 mm增大至-7.5 mm，未加固区副坝靠塔基一侧坡脚的水平变形由-14.5 mm增大至-16.9 mm。对于桩基而言，由于输电塔应力扩散范围内副坝下部地基进行了加固，因此水荷载引起的塔基水平变形增量减小，桩顶最大水平位移增量增加至-0.7 mm。

4 结论

利用FLAC3D软件对某水利水电工程导流明渠建设以及后期运营过程进行模拟，分析了明渠建设及运营后对周围塔基的水平位移影响，结果显示：

1)副坝自重致使塔基发生远离副坝方向的水平变形，桩基最大水平位移为-3.75 mm。水荷载将进一步推动塔基向远离副坝的方向变形，因此，塔基水平变形由-3.75 mm增加至-4.81 mm，由于塔基在原设计荷载下水平变形约为-4.8 mm，所以导流明渠通水后，塔基最终的水平变形量-9.61 mm。该数值略大，需要采取加固措施。

2)在副坝下方修建一个加固区后，导流明渠通水后引起的塔基水平变形增量为-0.7 mm。塔基在原设计荷载下水平变形约-4.8 mm，导流明渠通水后，塔基最终的水平变形量-5.5 mm，满足单桩水平承载力特征值的标准。