持续强降雨条件下黄土-红层地区输电线路塔基场地

王国尚 李朝晖 赵栋 张国明 何永强 魏明强

摘 要：特殊岩土复合地貌区域输电线路塔基在极端降雨天气极易出现塔基不稳定问题。通过对临夏地区黄土-红层二元结构斜坡上塔基持续强降雨后出现的病害调查，发现黄土-红层斜坡构成的建筑场地地基稳定性主要受以下因素影响，即地貌人工改造，黄土-红层的特殊岩土工程性质，持续强降雨对岩土特性劣化，坡体渗流场的变化等。研究表明临夏地区黄土-红层斜坡以浅层破坏为主，具有蠕变塌滑特征。持续强降雨导致二元结构斜坡出现平行坡面渗流与土层基岩界面渗流。在考虑饱和状态下土层参数及渗流场的影响时，斜坡稳定系数远小于1，因此在气候变暖极端天气增多的大气候条件下，输电线路工程应考虑暴雨重现期和降雨持时的影响，塔基基础应嵌入红层以下一定深度，设计应当考虑浅层土体水平变形，或采用其他工程措施抵消水平应力。

关键词：塔基病害;持续强降雨;塔基稳定;黄土;红层

中图分类号：TU433 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0096-06

Abstract：The instability of the tower base of transmission line in the special soil-rock complex landform area is easy to occur in extreme rainfall weather. Through the investigation of the diseases that appeared after continuous heavy rainfall on the tower foundation on the loess-red layer dual structure slope in Linxia area， it is found that the stability of the building site composed of loess-red beds slope is mainly affected by the following factors： artificial transformation of geomorphology， special geotechnical engineering properties of loess-red beds-slope， deterioration of rock and soil characteristics by continuous heavy rainfall， the change of the seepage field of the slope， etc. The study shows that the loess-red beds slope in Linxia area is dominated by shallow failure， with creep-slump characteristics. Continuous heavy rainfall results in parallel slope seepage with dual structure and soil bedrock interface seepage. The slope stability coefficient is much less than 1 when considering the influence of soil parameters in saturated state and seepage. Therefore， the heavy rain recurrence period and rainfall holding time should be taken into account in the transmission line project under the condition of increasing extreme climate. The tower foundation should be embedded in a certain depth below the red beds layer， and the horizontal deformation of shallow soil should be considered in the design， or other engineering measures should be adopted to counteract the horizontal stress.

Key words：disease of tower foundation;continuous heavy rainfall;stability of tower foundations;loess;red beds

0 引言

输电线路工程地域跨度大，工程环境相对恶劣。随近年来全球气候变化，极端恶劣的灾害性天气对电力系统的影响更加频繁，据统计因全球气候变化以及极端天氣带来的电力系统经济损失在过去的40年里平均上升了10倍[1]。输电线路遇到地质灾害会造成线路损伤，例如地基沉降导致杆塔倾斜[2，3]，降雨、不当削坡弃土导致滑坡与垮塌，山洪、泥石流等造成输电线路故障。临夏回族自治州位于甘肃省中部，按照中国地质灾害类型区划[4] 临夏属于黄土水土流失、湿陷、崩塌、滑坡、泥石流为主的地质灾害区，是全省气象灾害最严重的地区之一。截止2015年共41年的统计资料表明，全州共发生294 起地质灾害，其中7起危害较大如永靖县盐锅峡镇黑台方台滑坡，东乡县洒勒山滑坡，东乡县那勒寺乡三甲村奴拉山滑坡等，其诱发因素均与暴雨有关[5]。临夏某段330kV输电线路工程共有塔位70余基，分布于中-高山山坡地带。2018年9月，输电线路工程区出现不同程度的斜坡滑塌失稳病害，发生病害的塔基约21基，大部分处于中-高山斜坡区域。斜坡以覆盖型红层边坡为主，即上部土体以黄土为主，下覆第三系红层，构成土岩组合型斜坡。该区域黄土具有湿陷性，遇水沉陷;第三系红层成岩时间短，成岩程度差、水敏感性强，斜坡岩土体均属于特殊性岩土。斜坡坡度在30°左右，坡形呈局部直线或台阶状。2018年7-8月临夏地区遭遇了50年一遇的暴雨天气，降雨量大，持续时间长。本文针对临夏段塔基病害进行系统调查，从特殊岩土分布特征、强度参数水敏特性、黄土-红层斜坡渗流特性、极端气候暴雨至灾因子等方面对输电线路塔基稳定性与斜坡稳定性进行综合研究，为今后类似地区，特殊岩土组合斜坡下叠加极端天气条的塔基稳定评价、地基基础设计、施工维护提出建议和参考。

1 研究区黄土-红层地貌地质特征

1.1 区域地形地貌及地质构造

临夏州地处青藏高原和黄土高原的过渡地带，地势西南高、东北部低呈倾斜盆地状态。境内的积石山、太子山、莲花山海拔在3000m以上，形成了西南屏障。平均海拔2000m，相对高差达3000m以上，山地面积占总面积的90%。境内沟谷纵横，冲刷切割剧烈。境内多黄土，大部分山梁、丘陵及峁、岭、塬、坪、川、谷、盆地，均被黄土层覆盖，厚度几米至数十米不等，局部地区的黄土覆盖厚度更大。由于独特的黄土地貌和人类活动的影响，使临夏州成为地质灾害最严重的地区之一。

研究区属祁吕贺山字型构造体系前缘西翼东南端，临夏——临洮凹断陷的一部分。由青藏高原东北缘雷积山深大断裂、秦岭北深大断裂和祁连山东延余脉马衔山围成的一个具有山前拗陷性质的盆地，属第三纪大型陇中盆地的西南隅。盆地中新生界非常发育，大致以临夏市大夏河近南北向的正断层为界，可将盆地一分为二。西盆地主要位于正断层的下降盘并紧接青藏高原，第三纪红层厚达1600多米，并已强烈变形和褶皱，东盆地主要位于正断层的上升盘，仅南侧与西秦岭相接，构造相对稳定。第三纪红层在盆地中部仅厚约400～500m，地层水平，延伸稳定[6]。

1.2 线路区地形地貌

研究区线路走径区地形地貌属于山地及丘陵地貌，地形起伏，相对高差较大。山区沟壑发育，沟谷切割密度高，坡陡谷深，多数沟谷呈“V”字型，沟床比降一般大于7%，切割深度一般较大，冲沟内多无常流水，但季节性流水较大。发生斜坡变形的区域在地貌上基本都属于山地斜坡地貌，微地貌呈现出不同坡度的斜坡与宽窄不一的平台、陡坎交互分布特征。塔基基本位于平台区域或坡度相对较缓的斜坡上。典型地貌详见图1。经测绘分析出现病害的塔基地形坡体总体坡度20～30°，坡体经人工改造形成多级梯级，平台为耕地，坡体完整，均具有局部陡坎或局部陡坡，坡度17～26°，分布于坡体中部，塔基区域坡度9～11°，平缓区域宽窄不一，随山体整体地形变化。塔基所处场地地形整体特点是平台区域后缘是上一级斜坡陡坎下的坡脚，平台前缘也是下一级斜坡陡坎之上的坡肩，平台陡坎分布示意详见图2所示。

2 研究区塔基病害调查及分析

通过现场调查发现，塔基病害表现为以下几种形式：塔基暂时稳定，塔体保持设计的垂直度，没有出现倾斜，塔体杆材没有出现变形，塔基场地平台前缘塔腿基础附近出现平行于斜坡走向的拉裂缝或前缘陡坎产生塌滑如图3;塔基场地出现不均匀沉降和水平变形，平台后缘陡坎及平台前缘陡坡均发生塌滑，裂缝从塔腿之间延展。

出现病害的时间主要集中在7-8月，现场调查时既有地表水沿塔基平台区域流淌，也有地下水沿土岩界面从平台下方陡坎出露，水量较大。某些塔基平台前缘陡坎出现含水率差异分布，陡坎底部聚水。某塔基现场开挖基桩桩底已浸泡于水中如图4所示。

除1个病害塔基位于阶地外，其他均位于中高山斜坡区域。塔基基础为人工挖孔灌注桩，进入黏土岩1m左右。病害塔基场地地层均为上部黄土下部黏土岩夹砂岩。黄土层以粉土、粉质粘土为主，土层厚度0.5～2.8m的病害塔基场地占90%。

3 黄土红层二元斜坡的物理力学特性及水理特性

3.1 黄土物理力学特性

选择研究区典型病害塔基场地开挖探井采用原状土样，按照国标土工试验方法标准进行室内物理力学性质试验[7]，力学实验主要指固结快剪试验。试验结果分别见表1～表3。饱和状态下斜坡上覆黄土层的粘聚力下降9.1%～30%，内摩擦角下降11.8%～20.1%。粉土具有Ⅱ级自重湿陷性，粉质粘土具有Ⅰ～Ⅱ级自重湿陷性。

3.2 红层物理力学特性

研究区下伏地层为第三系基岩，大多呈褐红色-橘红色等，因此又称为第三系红层。该层成岩时间短，胶结弱，随黏土矿物含量不同出现不同的膨胀特性，遇水易产生崩解、失水干裂，易受扰动，工程稳定相差，开挖暴露后风化速度极快，强度急剧降低。据文献报道，水利工程中因基础失稳而失事的13座重力坝中就有9座坝基为红层[8]，说明红层坝基稳定存在较大问题。西南地区 50 年代修建的成昆铁路、成渝铁路、宝成铁路等铁路不同程度的穿过红层分布地区[9]。在铁路工程建设过程因坡体开挖和填筑路基诱发了大量的工程滑坡和古滑坡复活。

本研究采用荷兰帕纳科（PANalytical）公司粉末X射线衍射仪，对场地典型岩样进行了化学成分分析，结果表明SiO2含量为主，在砂质泥岩和黏土岩中含量分别为69%和44%。Al2O3、MgO各占8%～9%，Fe2O3、FeO、K2O、MgO、Na2O、TiO2、含量小于3%，其他约占3%。临夏地区第三系紅层物理力学指标见表4。

3.3 黄土-红层水理特性

研究区黄土成分为粉土和粉质粘土，纵向分布不均匀，现场取样按照天然平均含水率18%，天然干密度度17g/cm3制作扰动样，进行变水头渗透试验渗透系数范围值7.05×10-7cm/s～3.85×10-7cm/s。临夏红层水理性质[10]见表5。甘肃省第三系红层吸水率在0.56%～18.12%，平均值为7.46%。泥岩最大为 10.79%，底砾岩最小为 1.44%.砂岩 6.82%，砂砾岩 6.98%。随细颗粒含量增加，岩石吸水率增高。甘肃红层含水率在 1.38%-18.08%，平均值为 9.25%。泥岩 12.35%，砂岩 12.28%，砂砾岩 7.12%。新近系平均 10.94%，古近系8.29%。随细颗粒增多，泥岩含水率大于砂砾岩含水率[10]。研究区黏土岩砖红色，层状结构，块状构造，泥质胶结，水平层理明显，产状近于水平，岩体破碎，粘土岩遇水易软化，表层1.0～2.0m强风化。膨胀性较弱透水性较差。

研究区潜水主要赋存于岩体裂隙及部分土体的孔隙中，埋深较小。水力坡降主要受地形控制，同时降雨量对其埋深及水力起降影响较大。主要受大气降水、高山冰雪融化水的补给，水量较丰沛，排泄于临近的地表水系中。斜坡土层有上层滞水分布，主要赋存于表层黄土层中的局部隔水层之上，大气降水补给，水量完全受大气降水控制，对斜坡稳定性影响极大。

4 塔基病害区域降雨特征

降雨是引起滑坡的主要原因之一。1949～1995年期间我国滑坡灾害中68.5%由降雨引起[11-12] 。研究表明，降雨显著降低边坡的稳定性，主要表现在以下几个方面：降雨入渗引起土体内部基质吸力降低，从而导致土体强度降低;土壤含水率在降雨中上升，同时地下水位上升引起边坡破坏;降雨期间加大了土体的渗透系数。暴雨往往是红层地区地质灾害的直接诱发因素。基于甘肃省29个气象站1968～2017年的降水数据[13-15]，甘肃省暴雨主要出现在汛期（5～9月），特别是主汛期（7～8月）是暴雨发生最集中的时段。甘肃临夏地区和政气象站距离发生病害的塔基约11km，可以地代表发生塔基病害的典型区域的气象特征。该气象站海拔高程约2162.8m，选择和政气象站为参证站，收集了和政站近37年及2018年逐日降雨资料。图5、图6图7分别是研究区和政气象站1981～2017年累年各月平均降雨量、2018年各月降雨量和2018年7～8月日降雨量。可以看出2017年以前月最大降雨量小于120mm，而2018年8月降雨量为294mm，近37年以来，和政平均日最大降雨量约45mm，2018年7月份日最大降雨量为72mm （发生在2018年7月19日），是平均值的1.6倍。2018年7、8月份降雨。

量远大于近40年中的最大值;该地区各塔基工点降雨量大小受微地形地貌影响具有较大差异，大暴雨中心强度常出现在迎风坡等上升区域内（地形与风场切变区域）;大暴雨之前有较长的前期降水量累计，5、6月份即开始进入降水量增长期，前期降水量使得地层含水量逐步达到饱和状态。

5 塔基场地稳定性分析

场地在建筑抗震设计规范[16]中是这样定义的“工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区，居民小区和自然村或不小于1.0km2的平面面积”。场地稳定性根据岩土工程勘察基本术语标准的定义，指拟建场地是否存在导致场地滑移、大的变形和破坏等严重情况的地质条件，如存在这种条件，即认为场地不稳定。输电线路工程中塔基的场地占地范围相对小，每个塔基所在区域只有塔基和塔体，因此输电线路塔基场地稳定问题基本就是塔基地基稳定问题。

研究区黄土-红层斜坡地貌上出现病害的输电线路塔基基本上采用桩基础，随黄土层厚度和基岩埋深变化桩长范围值4.7～9.1m，桩端嵌入第三系红层深度0.7～3.0m。研究区2017年以前的整个线路勘察设计表明相似的地貌单元地层岩性上的塔基保持着正常的使用状态。而2018年7～8月之后，发生大范围的塔基基础变形和水平位移。根据现场调查，发生塔基严重变形的场地表现为上部土体发生塌滑，土岩界面有地下水渗出，斜坡以浅层破坏和土岩界面破坏为主要特征，塌滑扰动深度大部分在2.0m左右。因此在全球气候逐渐变暖，极端天气增多，持续强降雨条件下，黄土-红层二元斜坡地貌上的输电线路塔基场地稳定性评价，以及塔基基础设计应当引入气候变化因子，具体可以从以下角度进行稳定分析评价。

5.1 持续强降雨条件下的斜坡稳定分析

采用持续强降雨条件下的土层参数、土岩界面参数、渗流模型，进行土坡稳定计算和评价，根据计算结果进行塔基基础形式选择设计计算，嵌固深度要考虑第三系红层上部容易受水浸湿，强度劣化的特点。根据现场出现病害的桩基础，嵌入红层深度普遍小于2.0m，考虑持续强降雨条件下的桩基嵌入基岩深度应大于3m，并考虑上部土层的水平侧压力。以144#塔基为例，塔基场地天然工况设计参数为粉质粘土容重20.7kN/m3，泊松比0.4，杨氏模量2162kPa，内摩擦角17.4°，粘聚力14.65kPa;强风化红层容重25.1kN/m3，杨氏模量30000kPa，内摩擦角24°，粘聚力32kPa。分别采用极限平衡法和有限元强度折减法，对正常工况和暴雨工况的斜坡进行稳定性计算，计算剖面见图8，图9，计算结果表明，天然工况下采用极限平衡法进行稳定性分析，稳定性系数为1.263，采用有限元分析，强度折减系数为1.09;暴雨工况下，采用极限平衡法进行稳定性分析，稳定性系数为0.863，采用有限元分析强度折减系数为0.89。该分析计算结果与现场实际调查结果相一致，即在2018年以前斜坡整体稳定性好，2018年持续强降雨条件下，斜坡产生滑塌破坏。

5.2 临界暴雨强度判断斜坡稳定性

暴雨往往是红层地区地质灾害的直接诱发因素，气象预报关于降雨等级的划分为：大雨 > 25mm /24h， 暴雨 > 50mm /24h。滑坡临界暴雨强度是指造成一个地区大量出现滑坡的最小降雨量，一般采用日降雨量确定一个地区的临界暴雨强度[17]。研究表明四川盆地滑坡临界暴雨强度为200mm/d，陕南地区的暴雨滑坡与前期雨量有较为明显的关系，滑坡临界暴雨强度为70mm/d。不同地区临界暴雨强度有很大不同，受地层、岩性、构造、滑坡特征、多年降雨量等因素影响。临夏地区的斜坡蠕变滑塌具有堆积滑坡的诸多特点，即滑面相对较陡，滑体重力对滑坡稳定性影响较大，所以滑体的饱水、滑带力学强度的降低、滑面充水形成的浮托力对滑坡的稳定性均会产生明显的不利影响，堆积土滑坡临界暴雨强度值比较低，同时临界暴雨强度还与前期降雨量有关。

根据临夏地区近年来降雨资料特别是2018年5～9月降雨资料，分析发现，5～6月平均降雨量低于历年平均降雨量，斜坡土体处于相对干旱气候，进入7月后遭遇近40年最大月降雨量，其中7月18日降雨量达到73.3mm/d，为暴雨，暴雨之前7月上旬连续断续降雨多達6d，其中3d降雨量超过20mm/d，7月15日降雨量10.5mm，7月18日遭遇暴雨，在暴雨之前有明显的数量可观的前期降雨累积，因此7月18日当天及其后2～3d发生了大量的斜坡滑塌、泥石流等地质灾害。8月2日又遭遇暴雨，日降雨量达到69.6mm/d，之后有13天经历降水，其中出现5d日降雨量超过20mm/d。8月2后之后又有大量斜坡滑塌以及浅层滑坡出现。

根据以上和政县气象降雨资料、斜坡失稳、泥石流灾害发生时段调查，可以明确判断出大量斜坡塌滑与暴雨日和前期降雨量关系密切。研究区斜坡构造大多为土岩组合斜坡，即堆积土斜坡，且堆积土厚度不大，以粉土粉质黏土为主，饱和渗透系数根据室内室内渗透试验为0.33～0.61mm/d，根据植被覆盖、降雨诱发滑坡资料等，建议临界暴雨强度按60mm/d考虑。根据该参数可以对研究区内塔基斜坡进行极端气候观测预警，也可根据近年来降雨降雨量趋势，调整设计对斜坡的设防等级。

6 结语

通过对临夏黄土红层地区输电线路塔基病害调查分析，开展构成斜坡土体岩体的特殊工程特性与水理特性研究，以及研究区极端气候持续强降雨特征，得出以下结论。

（1）临夏黄土红层输电线路塔基场地在自然条件下基本呈稳定状态，具有一定的斜坡安全性储备。但在持续降雨极端天气和暴雨天气条件下，斜坡上部土体饱和，强度降低，土层中局部出现上层滞水，土岩结合面出现渗流，潜在破坏面逐渐发展联通，形成以塌滑、蠕滑表层变形的斜坡破坏模式。

（2） 研究区2018年汛期遭遇近40年极端天气，暴雨大雨天气频繁，暴雨之前有较大的前期降雨量，具备浅层滑坡的触发因素。初步推断临夏地区临界暴雨强度约为60mm/d。

（3） 塔基设计中要充分考虑斜坡蠕变塌滑产生的水平应力，加深基础在基岩中的嵌固深度，扣除可能浸水软化的深度，建议桩端进入中风化基岩，抵抗基岩浸水软化后强度降低产生的不利影响。

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