输电走廊上边坡失稳滚石对杆塔撞击影响分析

岳灵平，周政，朱奕弢，刘春翔，康宏，吴田

(1.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000； 2．湖州电力设计院有限公司， 浙江 湖州 313000；3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司， 湖北 武汉 430074； 4.三峡大学电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

0 引言

我国极端气候环境频繁，受灾损失巨大[1-2].特别是地质灾害，受到人工因素的影响，边坡失稳崩塌严重，给输电走廊带来了系列运维问题，影响了区域供电安全.输电走廊沿着坡面架设，极易受到走廊上边坡崩塌的威胁，相关的问题极少受到人们关注.滚石灾体相关研究，如滚石的来源[3-4]、滚石冲撞测试[5-7]以及防护设备设计[8-9]等一直是国内外防灾减灾的重点研究领域.在输电杆塔形变研究方面，工程人员关注了地基及基础变位对整塔变形及受力特性影响，集中采空区域和崩塌区域[10-11].本文中以浙江湖州为例，在充分调研丘陵区域情况的基础上，分析输电走廊上边坡失稳滚石冲击力、杆塔撞击的影响因素，根据研究数据，初步提出相关的应对措施.

1 分析方法

1.1 输电走廊边坡分析我国东部地区丘陵地带分布众多，短时强降雨是诱发该地区边坡发生失稳和滑坡的关键因素.以浙江湖州为例，湖州地区地处东部山地区域，茶场、梯田和山地约占区域面积的1/3，人工垒石比较普遍，是输电杆塔滚石灾害的来源.据不完全统计，湖州经济作物安吉白茶区域面积超过1 900 km2，多数退林返茶，垒石成垄，方便排水，如图1所示的安吉白茶典型茶垄.这种茶场设计带来了系列问题：1)垒石成松散布置，未采用水泥固化，在降雨强度较大的时候，这些垒石在坡面水流或泥石流的冲击下形成滚石流；2)退林返茶前，原生林如楠竹、马尾松、金钱松和柳杉等林木根系发达，砍伐后根系枯化、岩土松散，容易受到短时降雨的影响，形成滚石灾害体.

图1 安吉白茶典型茶垄

湖州辖区坡面输电杆塔的统计情况如表1所示，其中处于坡角< 20°的输电杆塔占比43.62%，处于坡角为20°～ 25°的输电杆塔占比25.53%，处于坡角为25°～ 30°的输电杆塔占比23.40%，处于坡角大于> 30°的输电杆塔占比较小，仅占7.45%；220 kV输电杆塔最多，为21基，500 kV输电杆塔其次，为20基.

表1 湖州辖区坡面输电杆塔情况表

对湖州辖区安吉白茶的茶垄垒石抽样统计情况进行分析，主要以碳酸岩、粉砂岩和花岗岩等，多为不规则形状，这类垒石大小分布情况如表2所示.其中处于坡角< 20°的垒石占比30.61%，处于坡角为20°～25°的垒石占比42.42%，处于坡角为25°～ 30°的垒石占比16.70%，处于坡角大于> 30°的垒石占比较小，仅占10.27%.

表2 坡面茶垄垒石统计表

通过输电线路滚石事故或故障的分析，滚石引发的坡面输电杆塔故障，多为杆塔基础和杆塔角钢材料；坡度超过60°危险更大，并且滚石越大，危险性越大；连续滚石带来的灾害最为常见.

1.2 冲击试验设置根据文献[5]，在自然坡面人工开挖滚石滑道，滑道下端安装冲击力测试装置，包括滚石挡板单元和测试传感单元.滚石滑道长20 m，宽1.5 m，滚石挡板和测试传感2个单元之间分别布置4组冲击力传感器和高速摄像仪，用于采集滚石冲击力的测试数据，包括滚石冲击力和冲击速度，并获取滚石冲击峰值的数据，以及采用滚石冲击破坏杆塔地基和角钢的数据，整体布局如图2a所示，数据采集系统如图2b所示，现场如图3所示.具体试验步骤如下：

图2 实验设置

图3 实验现场图

1)根据湖州辖区坡面输电杆塔分布以及茶垄垒石情况，分别选择坡角约30°和约60°的自然坡面，人工开挖滚石滑道(长20 m，宽1.5 m)，滑面尽量以原生态地层为主；

2)滚石为花岗岩制成的球体，质量分别为0.5 kg、1.0 kg、2 .0 kg、4.0 kg和6.0 kg；

3)滚石滑道20 m、15 m、11 m、7 m和5 m等固定位置处放置滚石，实时测量滚球下滑的运动速度，记录滚石的冲击速度和冲击力大小；

4)湖州地基采用C30或C25的混凝土，角钢采用Q345B或Q420B钢材，厚度8 ～ 24 mm，采用滚石分别连续撞击破坏杆塔地基和角钢，以C30的混凝土(1 m3的混凝土方)，角钢采用Q345B(厚度12 mm)钢材作为研究对象，将杆塔地基和角钢样品分别固定在挡板单元上，实验测量分析滚石破坏的影响因素.

根据以上步骤，分析滚石的冲击速度和冲击力大小，以及连续撞击破坏杆塔地基和角钢，获取相关影响因素.

2 结果与分析

2.1 滚石冲击分析图4为坡角约30°时滚石冲击力峰值与冲击速度的关系图，图5为坡角约60°时滚石冲击力峰值与冲击速度的关系图.根据图4和图5的结果可知：相同的坡角条件下，滚石的冲击力峰值与滚石冲击速度或滚石质量成正相关关系；坡角直接影响滚石的冲击力峰值，该结果与文献[5]的结果基本一致.具体如下：

1)相同坡角和相同质量滚石，滚石的冲击力峰值与滚石冲击速度基本成线性关系，且随着滚石冲击速度迅速增大；

2)相同坡角条件下，如果滚石冲击速度基本相同，滚石的冲击力峰值随着滚石质量迅速上升；

3)滚石质量一定的条件下，滚石的冲击力峰值随着坡角增大而上升；

4)结合图4和图5，根据表3，本次试验采用自然坡面进行相关试验，自然坡面比实验室坡面相对粗糙，比对了7 m坡长的数据，无论是4 kg的滚石还是6 kg的滚石，在相同坡度和坡长，以及相同质量条件下，自然坡面的滚石的冲击力峰值与滚石冲击速度，总是略低于实验室坡面的数值；

表3 7 m坡长的数据比对

图5 坡角约60°条件下滚石冲击力峰值与滚石冲击速度的关系

5)滚石的冲击力峰值代表滚石的破坏力，滚石越大破坏力越强，如4 kg以上滚石，坡长超过5 m，冲击力峰值超过20 kN.

2.2 滚石破坏分析根据DL/T 741[12]，杆塔基础表面不应脱落、钢筋不应外露；铁塔主材相邻结点间弯曲度不超过0.2%.该规定可以作为滚石对杆塔基础以及铁塔主材的破坏标准阈值.实验中用滚石分别撞击破坏杆塔地基和角钢，其采用的地基和角钢材料的参数如表4所示，坡角为60°，坡长为7 m.获得的结果如表5和表6所示.

表4 滚石冲击铁塔的材料参数

根据表5和表6的结果可知：滚石对铁塔基础和塔材造成的损伤，达到破坏标准，故障破坏与滚石冲击力有明显的线性关系.以坡角为60°、坡长为7 m、滚石次数为20次的条件为例，具体分析如下：

表5 单次滚石破坏结果

表6 造成破坏的滚石次数

1)分析单个单次滚石破坏结果可知，滚石质量超过6 kg才会对铁塔基础产生破坏故障，滚石质量超过4 kg才会对铁塔塔材产生破坏故障；

2)分析多次滚石破坏结果可知，造成铁塔基础破坏故障的滚石质量超过2 kg，造成铁塔塔材破坏故障的滚石质量超过1 kg，才出现破坏的累积效应；

3)分析多次滚石形成累积破坏结果可知，故障破坏与滚石冲击力有明显的线性关系.

2.3 应对措施分析实际情况输电线路所处坡面的坡角，基本以 < 30°为主，坡角较为缓和，滚石不规则较多，这些滚石相对球形滚石的破坏力更强，针对滚石灾害体情况，可以采用以下应对措施：

1)固化滚石灾害体.针对输电杆塔上边坡的茶场、梯田和山地垒石，采用水泥固化并做好排水措施，减少滚石灾害体的发生.

2)采用柔性防护网.短时强降雨或者人工开挖均会形成滚石灾害体，根据输电走廊的巡视情况，发现灾害体有发生的可能性，可采用柔性防护网减少滚石灾害体对输电杆塔的破坏.

滚石灾害体发生有特定的条件，如短时强降雨、人工开挖或者上边坡垒石，加强滚石灾害易发生区域输电走廊的巡视，必要时采用相应的应对措施，可以极大减少输电走廊上边坡滚石灾害的发生.根据初步的统计数据，增加这些应对措施后，可基本杜绝这类灾害的发生.

3 结论

1)输电杆塔上边坡滚石灾害体的来源为丘陵区域经济作物的垒石和强降雨的坡面滑坡体；

2)相同坡角条件下，滚石的冲击力峰值与滚石冲击速度或滚石质量满足线性正相关关系，坡角直接影响滚石的冲击力峰值；

3)滚石对铁塔基础和塔材造成的故障破坏与滚石冲击力有明显的线性关系，并且滚石质量超过1 kg，才出现故障破坏累积效应；

4)针对滚石灾害体情况，可以采用水泥固化灾害体、采用柔性防护网等应对措施，减少滚石灾害故障的产生.