某山区输电线路铁塔变形分析

陈晓锋，杨 煜，万 飞

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610016)

0 引言

某输电线路位于四川省西部山区，地形为深切割的高山斜坡。2020年进入汛期以来，该地区连续降雨，境内地质灾害频发。当年9月，在项目竣工验收过程中，验收单位反映该线路段某塔基场地存在桩周土下沉脱开、堡坎开裂、塔基周围土坎垮塌、铁塔塔材变形等情况。设计单位对该塔位进行了现场复核，通过对铁塔变形进行现场踏勘走访、测绘调查、专项勘察及稳定性分析评价，并对铁塔基础进行了抽芯检测，最终查明该铁塔变形原因。

1 塔位变形情况调查

该铁塔为直线塔，塔位位于北东向高山斜坡半山腰，场地地面坡度30～35°，基础采用人工挖孔桩基础，桩长14～16 m。塔基变形主要表现为：B、C、D腿基础桩周土与基础脱开，地面呈绕基础立柱半圆弧状裂口，较基础顶面相对沉降，裂缝之间并未相互贯通，均呈孤立状分布。A腿地表基础与桩周土轻微脱开、未见明显沉降。铁塔变形状况主要包括：各腿主材弯曲变形；A、B腿中间的交叉斜材变形凸出约260 mm，C、D腿横隔面斜材在横材螺栓交接处断裂等。

同时，调查人员现场对铁塔及基础进行了变形测量，从测量数据可以发现：A腿基础相对于B、C、D腿基础高差出现了58～63 mm不等的沉降；铁塔基础根开发生位移，其中A、B腿根开实测值较设计值增大了218 mm，差值比例达到了1.2%，且A腿相对其他腿基础向坡下移动，铁塔偏转约0.1°。从测量的数据来看，铁塔杆件及基础变形较大，根开移动较多，已不满足GB 50233—2014《110 kV～750 kV架空输电线路施工及验收规范》[1]的要求，铁塔无法使用。

2 边坡变形情况

根据踏勘调查及收资走访结果来看，塔位附近坡面变形主要表现为塔腿下坡侧弃土松动、沉降、开裂，边坡局部陡坎部位的蠕动拉裂，下坡侧公路回头弯处堡坎外鼓及线路左侧45 m外的坡面浅层溜滑等。变形情况如图1所示。

图1 场地周围坡面变形分布示意图

2.1 弃土沉降开裂

施工弃土弃渣堆积于各塔腿基础下坡侧，形成一定厚度的渣坡，调查发现基础边缘与弃土间土体开裂，开裂位置为基础下坡侧，一般沿基础呈圆弧形，距离基础边缘30～80 cm，长度约3.0～5.5 m，张开度约25～30 cm，下沉约10～20 cm，深度最大可测约1.3 m。

2.2 斜坡变形情况

塔位所处边坡塔位坡上侧距中心约30 m处有一长度约8.5 m的拉张裂缝，其张开度1～2 cm，半充填，基本无错动，平行于等高线方向。在塔位下坡侧55 m外公路内侧堡坎有局部鼓胀变形，但边坡未见明显的滑塌或开裂，局部挡墙内有少量渗水。在塔位A腿北东方向约45 m处坡面有一小型的滑坡，宽度约30 m，长度约40 m，滑体厚度1～2 m，为浅层的土体溜滑。

3 塔位地质条件

线路塔位所在区域地处四川西部高原山区，河谷深切，地形受构造控制明显，呈现出典型的高山峡谷地貌。塔位地形处于高山斜坡之上，山坡坡度一般在30°左右。据调查，斜坡原为台阶状耕地，后退耕还林。线路方向顺边坡方向，A、D腿位于坡下侧，中心坡下侧约55 m、坡上侧约45 m均为乡村水泥路。

根据区域地质资料及钻探结果，塔位的地层条件见表1所列，边坡的地层情况如图2所示。

表1 塔位地层情况表

图2 塔位边坡场地工程地质剖面图

4 塔位场地稳定性分析评价

4.1 定性分析

通过现场踏勘调查分析，发现区域内雨季诱发的滑坡体多发生在槽谷、裸露的人工切坡处，且为地下水或地表水发育、覆盖层厚度大的地段；而该塔所处边坡相对地势较高，并未处于槽坡内，地表及两侧未见明显地表水流，亦非地表水易汇集的区域；同时，通过现场大量的踏勘调查，发现塔位所处的坡体未发现明显的变形迹象(如开裂、滑塌)，坡体上侧公路、下侧公路未发现明显开裂、错断等变形，在塔位坡上侧的小裂缝规模很小，张开度有限，仅为表层土体的局部蠕变，铁塔基础周边的裂缝为人工弃渣局部张开、沉降，形成不连续裂缝。

坡脚公路堡坎的局部变形主要是由于堡坎质量差，受到降雨后，墙后土体饱水，重度增大产生的挤压变形所致。

在塔位左侧45 m外的凹槽形坡面泥石流为浅表层1～2 m的土体溜滑，深度有限，未形成高陡临空面，其对塔位处整体边坡的稳定未造成直接影响，结合前述坡面特征，该塔位所在边坡整体较稳定。

4.2 定量计算

4.2.1 计算方法

根据前述，目前坡体基本稳定，未发生滑动，仅局部有轻微蠕动变形。根据现行边坡及滑坡勘察规范[2-3]，采用刚体极限平衡法、滑动面采用圆弧形滑动面进行边坡稳定性计算。

4.2.2 计算剖面

根据现场勘查情况，线路走向与坡面方向基本一致，因此计算剖面按线路顺坡向的方向。

4.2.3 计算工况

工程区所在区域的地震动峰值加速度为0.15g，对应抗震设防烈度为7度，在进行边坡稳定性计算时，须考虑地震的影响，故选择以下三种工况进行计算：

工况一：天然工况(自重)

工况二：暴雨工况(自重+暴雨)

工况三：地震工况(自重+地震)

其中，工况一和工况三的土层计算参数采用天然重度、天然内摩擦角和天然粘聚力；工况二土层计算参数采用饱和重度、饱和内摩擦角和饱和粘聚力，工况一、工况二和工况三的抗滑安全系数分别取1.30、1.15和1.15。

4.2.4 计算参数

根据本工程勘察结果、计算边坡岩土结构及实际状态，并适当参照类似边坡工程勘查治理经验，本工程边坡稳定性计算时，取值见表2所列。

表2 边坡计算参数取值表

4.2.5 计算结果

根据现场调查，根据工程地质剖面(见图2)，分别对边坡整体稳定、潜在滑动面穿过裂缝、潜在滑动面穿过塔基下坡侧公路和潜在滑动面穿过基岩陡坎4种情况(见图3～图6)，对坡体的稳定性进行了计算。

图3 边坡整体稳定计算

图4 穿过裂缝稳定性计算

图5 穿过公路稳定性计算

图6 穿过岩坎稳定性计算

边坡稳定计算采用GEO5软件，通过自动搜索圆弧滑动和折线滑动面，计算工况采用天然工况、暴雨工况及地震工况，得出安全系数后判定边坡的稳定性，其边坡稳定性的计算结果见表3所列。

表3 稳定性计算成果表

由计算结果可知，现有岩土条件下，塔基边坡在各种工况下是稳定的，在暴雨工况及地震工况下安全储备有所降低，但仍满足边坡整体稳定，计算结果与现状相吻合。

4.2.6 数值分析

由上述分析可得，在最受控工况(暴雨)下剖面最危险区主要位于表层的含黏性土碎石层与碎石层交界面，深度一般4～6 m。为进一步分析论证，选用GEO5中的有限元数值分析模块进行分析，结果如图7～10所示。

图7 等效塑性应变等值面图

图8 总位移等值面图

图9 等效塑性应变矢量图

图10 总位移矢量图

由图可知，等效塑性应变主要发生在塔位上坡侧公路的下侧3 m到铁塔区间及铁塔下坡侧25 m之间，影响深度内土层主要是表层的含黏性土碎石层，其应变值为0.010 97%；主要变形区位于塔位上坡侧公路到铁塔区间内，根据模拟计算结果，其总位移最大变形量约0.205 mm。

数值模拟分析表明，在最受控的暴雨工况下边坡的自然蠕动变形量值小(不足1 cm)，边坡整体稳定，数值分析计算结果与现场调查、极限平衡量化计算结果一致。

4.3 综合评价

通过前面定性分析、定量计算及数值模拟分析，再结合踏勘调查、钻探情况，综合判断塔位所在边坡整体稳定，在暴雨情况下，可能会在局部陡坎部位发生蠕动变形，在局部陡坎的变形部位可能会出现浅层土体拉裂现象，现有岩土工程条件下，塔位所在边坡整体稳定。

5 基础抽芯检测

根据上节分析，铁塔所处边坡场地稳定，研判铁塔出现的变形并非边坡变形所造成的。为了验证是否是由于基础问题产生的变形，现场对A、D腿基础进行了抽芯检测，抽芯检测设备采用某品牌背包钻机及XY-100型回旋钻机(钻探采用双管植物胶取芯，单次回尺1.5 m，口径91 mm)，钻芯情况及岩芯照片见表4所列及图11～13所示。

图11 A腿某品牌钻机钻芯照片

图12 A腿回旋钻机钻芯照片

图13 D腿回旋钻机钻芯照片

表4 塔腿基础桩身混凝土钻探情况对比

根据回旋钻机钻孔与某品牌背包钻机钻孔钻探情况及岩芯的比对可以发现，某品牌钻机由于受钻探工艺的影响，其钻探岩芯普遍较差，但在一些关键钻探信息上与回旋钻机钻探情况保持基本一致，比如钻探漏水情况、含有木屑杂质情况、掉钻空洞情况、上部与下部岩芯明显有差别的界限深度情况等。

从钻芯的结果来看，A、D腿基础的混凝土质量差。特别是A腿，除了钻探过程中漏水、有空洞外，还发现存在木屑等杂质，说明了桩身混凝土存在较多裂隙、孔洞，也有可能出现断桩、缩颈、砼离析、松散等情况。根据现行电力工程基桩检测技术规程[4]，可以判定A、D腿的桩身完整性为VI类，不符合工程质量要求。

6 铁塔变形原因分析

针对塔基场地地面变形和塔材变形现状，根据现场踏勘调查、收资走访，结合勘察钻探、基础钻芯，定性定量分析及数值模拟计算等，综合分析后得出如下意见：

1)塔位所在边坡整体稳定，路径及塔位场地选择是合理的；

2)根据气象资料，今年雨季以来，塔位所在区域6～7月份降雨量是多年平均水平的1.63倍，8月以来降雨天数高达75.3%，具有明显的连续、集中、持续降雨特征，对地质灾害发育及各种坡面变形提供了诱发条件；

3)近期的连续降雨对塔基所在场地浅表层，特别是塔基下坡侧大量堆砌的施工弃渣的稳定性产生不利影响，有向下缓慢蠕动的趋势，这是桩腿下坡侧弃土开裂沉降的主要原因；

4)现场地表轻微变形并不足以对塔基基础及塔身结构产生如此剧烈的变形影响，不排除桩基础砼质量与上部结构的关联影响问题；

5)塔基基础混凝土质量差。施工时可能发生了断桩，或者在上部荷载和土的共同作用下，桩体发生了弯折，这是导致塔腿基础发生变形的直接原因；

6)与基础设计值相比较，A腿基础相对位移较大，在荷载组合的作用下，基础及塔身内力重新分配，导致了塔身部分区段塔材的变形；

7)塔材变形严重，已不满足使用要求，需要采取塔位调整措施或改线措施，现有场地仍可利用，但应考虑反复扰动的不利影响。

7 结论

西南山区输电线路遭受地质灾害的风险较高，但铁塔出现变形的因素有很多，并非都是由地质原因造成，应具体问题具体分析，通过本文案例进行分析总结，也有利于今后处理其他类似的问题。

1)对输电工程，常用的桩基完整性检测方法有低应变法、高应变法、声波投射法及钻芯法等，设计上应根据工程等级、复杂程度、施工难度等因素，在施工图阶段明确适宜的桩基检测方法和要求，同时还应加强监理的监督、业主的管理职能，保证施工质量。

2)由于基础部分属于隐蔽工程，出现质量问题不宜被发现，钻孔抽芯检测是最为直观和直接的手段。

3)对铁塔变形的分析，应从多方面进行，比如施工、设计或材料、安装等等，要具体问题具体分析，本文塔位出现变形的原因就是基础施工质量问题。对不易确定变形原因的，可采用排除法对可能出现的变形原因进行一一排除。

4)对陡峻山区的输电线路而言，设计上应充分考虑地形、施工等因素对场地及基础稳定的影响。对地质条件较脆弱的塔位，设计可采取连梁基础增强基础整体稳定，施工时还应特别注意弃土的合理堆放，避免因弃土沉降滑移，造成边坡失稳，影响基础稳定。

5)通过某品牌背包钻机与XY-100型回旋钻机的钻探对比，我们可以发现某品牌钻机取芯受设备、孔径及钻探工艺的影响，其结果有时候不能代表真实的情况，特别是对破碎层，取芯效果很差，因此应根据不同的岩性特点选用适宜的钻探设备。