输电线路斜坡场地地震效应的数值模拟研究

陈禺树，赵其华，陈继彬

随着我国西部水电的不断开发投产，大量的电力输送线路穿越斜坡地段的高地震烈度区，与一般平坦场地相比，陡峻边坡的地震动参数明显大于平整场地数倍，其失稳破坏规模及致灾力尤为突出，特别是汶川地震和芦山地震，在陡坡地形带中因地震烈度高而诱发了大量杆塔场地失稳［1－2］。

斜坡地形地震效应，即对因动力输入导致斜坡响应进行探究，具体涉及到如下方面，即在斜坡之中因动力导致的位移、加速度等［3］。探究方式多为现场进行观测、室内测试等［4－5］，以天然地震作用如何影响斜坡作为探究方向。就斜坡坡度、高度等诸多因素如何影响场地地震效应进行探究［3，6－7］，表示动力响应相对强烈的当属斜坡中上部岩土体，位移、加速度均体现出放大效应［3，8－9］。同时，场地地基效应研究中，我国规范［10］根据覆盖层厚度和地基土等效剪切波速度将场地类别划分为四大类，依据周期可自 0．2 s增至 0．0 s［11］。结合地形、土质等的差异，覆盖层对地震波可能发挥隔震、滤波作用［12－13］，也可能具有放大作用。但目前研究主要集中在概化模型的处理和分析上，缺少针对西南山区碎石土斜坡场地的研究，尤其是实体场地中地震波的放大效应情况不甚明确，难以直接用于评价碎石土斜坡地震动力响应的稳定性，同时对不同覆盖层和基岩性状动力表现相对比较含糊，也未见斜坡场地碎石土类覆盖层方面的专门研究。

论文对 FLAD3D动力数值模拟方式加以运用［14－16］，选取西南输电线路易穿越的地貌、地基土作为输电线塔位（以某500 kV输电线路149＃塔位为例），考虑场地、地基条件、桩基础、杆塔特征，探讨场地遭遇实际地震作用时的场地地震效应，并探讨基岩岩性、覆盖层厚度对场地地震效应的影响。

1 塔位场地条件

1．1 场地条件

塔位场地位于天全县小河乡顺河村5组，地处小河乡小河左岸，为8度地震烈度区。场地类型为薄覆盖层下伏基岩，斜坡中后部坡度约40°～65°，坡脚坡度约5°～20°。场地地形图见图1。

图1 场地工程地质平面图

地基覆盖层主要为碎石土，黄褐色，碎石含量10% ～15%，粒径一般为0．5 cm～4．0 cm，块石粒径10 cm～20 cm。山顶覆盖层厚3 m，山底覆盖层厚5 m。基岩为棕红色钙质粉砂岩，致密块状。岩土体参数参考输电线路的工程勘察资料及相关手册取值，见表1。

表1 岩土体介质材料物理力学参数

1．2 桩基础及铁塔特征

基础属于C30混凝土人工挖孔桩基础。在山脊近脊顶部位为Ⅰ号桩，西部约为40°临空坡度，而斜坡顶部后部平台即为Ⅱ号桩，北侧约为45°临空坡度，斜坡坡顶中央即为Ⅲ号桩，Ⅳ桩位于斜坡上部，西侧临空（如图1所示）。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ号桩桩长10 m，桩径 2．6 m，埋深 9．5 m；Ⅲ号桩桩长 7．5 m，桩径 2．6 m，埋深 7．0 m。

塔体结构为SZ21型直线型塔，其中总高60．5 m呼称高44．5 m，基础底宽与主塔顶宽度分别为20 m和2 m，设有上、中、下三处横担，最大和最小伸臂长度分别为6．5 m和4．6 m，以呼称高下 22．5 m处为分界点杆塔分为两个均匀锥度段，向上逐渐收缩界面，平面尺寸如图2所示。

图2 输电塔尺寸

2 场地地震效应分析方法

采用FLAC3D动力分析模块进行本次数值计算。根据场地、地基条件、桩基础、杆塔特征建立计算模型。

2．1 模型建立及参数取值

2．1．1 建立模型

（1）模型根据场地实际地形构建，连接四、五以及六面体混合网格单元，由此匹配形成模型。计算模型长 y＝357 m，宽 x＝290 m，最大高度250 m。

（2）依据尺寸，对柱型网格建模加以运用。并结合文献［17］，将无厚度的桩－土接触面单元构建于地面线下部。

（3）输电线铁塔为典型的空间桁架结构，建模分析时采用空间梁单元模拟，对其进行弯曲刚度与剪切刚度的的赋值。

所建模型如图3所示。2．1．2 模型边界条件在计算模型边界条件方面，对应原则包括如下：（1）将底部边界设定为水平、竖直两种方向的位移约束；

图3 计算模型图

（2）将侧向边界设定为水平相位位移约束；（3）顶部边界属于自由边界；

（4）在动力分析时，运用自由场网格、阻尼器，来对主体网格侧边界完成耦合，在其边界上施加自由场网格不平衡力，模型周围边界条件选取为自由场边界［15］。

2．1．3 模型参数选取

（1）按表1选取铁塔模型、桩基础、场地的参数；

（2）桩－土接触面的法向刚度（Kn）与剪切刚度（Ks），取 2×109。相对而言，桩土接触界面较为粗糙，且具备突出的摩擦性，其以0．8倍桩周土的 c、φ值作为接触面的 c、φ 值［14］；

（3）本文采用瑞雷阻尼理论［15］将阻尼矩阵简化为质量矩阵 M和刚度矩阵K的线性组合，并根据规范［11］：钢筋混凝土桩基础、地基土，输电线铁塔阻尼比取为0．02。

2．2 水平地震荷载选取

基准波选定为汶川地震卧龙台水平地震波，对应时间处于10 s至22 s，则为振动峰值区，在此之中输入地震波形，进而截取计算该区域地震波，截取时间自0到25 s。

在此之中，通过人工滤波方式来缩小幅值，具体可参见图4，调整水平地震峰值加速度为8度。最大峰值加速度在调整后为3．00 m／s2。对水平、竖向地震加速度耦合作用予以考虑，依照规范［9］，对竖向加速度的三分之二作为水平加速度。输入水平地震波依照图1中箭头所示方向。

2．3 场地地震效应表征指标

在地震力作用下，高地震烈度区场地应力变形会随时间变化，峰值加速度对斜坡稳定性影响较大，永久位移能够反映陡坡整体稳定性程度。模型收集斜坡表面竖向、水平永久位移、加速度放大系数等，进而对陡坡地形地震效应予以体现［14］。

图4 地震加速度时程曲线

（1）加速度放大系数描述方式。加速度放大系数，即斜坡坡面、坡脚位置地震动力反应加速度峰值的比值，即 gpm、gpj的 比值［3］。

（2）永久位移描述方式。对地震力作用结束时，对应于坡面的永久位移进行收集，即 Spm。

（3）考察点选取。对相同于水平地震波入射方向坡面地震加速度放大系数、永久位移进行考察，主要考察图1中1－1剖面线。模型位移、加速度一致于坐标轴正向，即为正，相反则是负。

3 场地地震效应结果分析

结合事实来看，因岩土体力学状况受重力影响较为显著。在对动力加以分析前，需关闭时间积分效果，并结合最小时步来完成静力计算，并设定由此取得的应力场，作为初始应力场。在进行动力分析方面，将关闭效果再次打开，并在模型底部输入地震加速度时程曲线，进行动力计算。在计算时，出于对弹塑性问题的考虑，进而选定 Mohr－Coulomb模型［14，18］。

3．1 场地加速度放大系数

图5为对应于塔位场地剖面的水平、竖向地震加速度放大系数随高程变化曲线。

图5 地表加速度放大系数－高程曲线

从图5可见，地震波入射与坡面方向一致时，位于斜坡上部、坡度约为40°、具3 m厚覆盖层下伏软岩的场地，竖向、水平峰值加速度放大系数达到1．8上下。

水平峰值加速度放大系数顺坡面向上并非线性放大，而具有波动放大的效应，在坡高达到五分之一时，增加至1．8，达到二分之一时，数值减小为 1．0，此后近似于线性增大，最大值出现于坡顶位置，达到1．8。在坡高不到五分之四时，竖向加速度放大系数处于加速度放大效应衰减区，五分之四至坡顶则迅速放大，坡顶达到最大值，约为1．8。

结果显示，塔位场地的水平地震峰值加速度分别为0．45 g和0．3 g，地震效应局部放大使其达到9度，这与斜坡微地貌的变化关系较为明显，塔位位于斜坡凸起部位，致使加速度放大系数曲线出现波动。

3．2 场地永久位移

塔位场地剖面的水平和竖向位移变化见图6。

图6 地表永久位移－高程曲线

从图6可见，剖面水平和竖向位移从坡脚至坡顶处基本呈线性增大，均从0．02 m增大至0．08 m。塔位处水平和竖向位移分别均约为0．08 m。总体上水平和竖向位移大致相同。

4 场地地震效应影响因素分析

通过改变基岩的强度和覆盖层的厚度，研究陡坡地形带中不同地基条件下的地震效应。其中，地基不同覆盖层厚度的地震效应研究，通过改变地基覆盖层厚度，厚、中厚、薄覆盖层厚度分别为1／3桩长、1／2桩长、2／3桩长；通过改变基岩物理力学参数，考虑不同坚硬程度基岩的地震效应。计算参数如表1所示。

4．1 地基覆盖层厚度

分析计算出覆盖层厚度分别为薄、中厚、厚时竖向和水平地震加速度放大系数图如图7所示。竖向地震永久位移和水平地震永久位移－高程曲线如图8所示。

图7 峰值加速度放大系数－高程曲线

图8 永久位移－高程曲线

结合图7可以发现，在覆盖层厚度持续减小的同时，水平、竖向峰值加速度放大系数均随之而增大。

1／2坡高以下水平加速度放大系数随覆盖层厚度增加变化不明显，在1／2坡高到坡顶处，明显随覆盖层增加而减小。竖向加速度放大系数在全坡面范围内则表现为减小趋势。但是竖向和水平加速度放大系数－高程曲线变化规律不随覆盖层厚度增加而变化，与薄覆盖层时加速度放大系数曲线变化相似。

从图8可见，在覆盖层厚度持续减小的同时，水平、竖向永久位移随之减小。中、薄、厚覆盖层的水平、竖向位移沿坡面向上近似线性增加，在坡顶达到最大值。厚覆盖层斜坡在斜坡中下部沿坡向上近似线性增加，坡高1／2到坡顶迅速增大，在坡顶达到最大值。

总体来说：就本例而言，曲线波动段加速度和位移随覆盖层厚度变化率见表2所示。

表2 加速度和位移随覆盖层厚度变化率

4．2 地基基岩强度

竖向和水平地震加速度放大系数图见图9。竖向和水平地震永久位移－高程曲线见图10。

图9 峰值加速度放大系数－高程曲线

图10 永久位移－高程曲线

由图9可以发现，在基岩强度增强的同时，水平、竖向峰值加速度放大系数均随之而增加。

在全坡面范围内，竖向加速度放大系数则持续减小。当水平加速度放大系数在1／2坡高以下随基岩强度增加变化不明显，在1／2坡高到坡顶处，明显随基岩强度增加而增大。但是竖向和水平加速度放大系数－高程曲线变化规律不随基岩强度变化而变化，均与软岩时加速度放大系数曲线变化相似。

从图10可见，随基岩强度增大，竖向永久位移和水平永久位移减小。

总体来说：就本例而言，曲线波动段加速度和位移随基岩强度变化率见表3所示。

表3 加速度和位移随覆盖层厚度变化率

5 结 论

西南山区碎石土斜坡场地地震效应是电力设施建设中需深入探究的问题。通过FLAD3D数值分析方式的运用，并将西南地区典型输电线塔位作为具体案例，考虑场地、地基条件、桩基础、杆塔特征，探讨场地遭遇实际地震作用时的场地地震效应，并探讨基岩岩性、覆盖层厚度对场地地震效应的影响。得出：

（1）斜坡地震波入射方向一致，处于斜坡上部、坡度约为40°、具3 m厚覆盖层下伏软岩的场地，沿着坡面向上，峰值加速度放大系数具备波动放大效应，竖向和水平位移从坡脚至坡顶处基本呈线性增大。塔位处斜坡微地貌的变化使得竖向和水平峰值加速度放大系数均达到1．8左右，地震效应局部放大较原始输入地震烈度增加1度。

（2）斜坡峰值加速度放大系数随覆盖层厚度的增大而减小，随基岩强度的增加而增大。斜坡永久位移则随覆盖层增加而增加，随基岩强度的增加而减小。

（3）覆盖层厚度每增加1 m，竖向和水平加速度放大系数分别减小0．12、0．16。薄覆盖层变化到中厚覆盖层，覆盖层每增加1 m永久位移增加0．1 m；中厚覆盖层变化到厚覆盖层，覆盖层每增加1 m永久位移增加0．4 m。

（4）随基岩强度增加，竖向加速度放大系数较水平加速度放大系数受基岩强度影响较为明显。参考文献：

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