高压铁塔边坡支护措施的数值模拟研究

倪 力

(国网安徽省电力有限合肥供电公司，合肥 230022)

1 概 述

现阶段，边坡和滑坡的治理已取得较好的效果，学者们对此也进行了一系列的研究。郭钊等[1]通过无人机对坡体进行观察和研究，发现地下水渗流会对滑动面造成一定的影响。霍逸康等[2]利用数值模拟软件对软硬互层边坡的稳定性进行了研究，研究结果表明边坡倾角和岩层倾角对坡体稳定性有较大的影响。刘永旺等[3]利用MIDAS GTS数值模拟软件对高边坡的稳定性进行了研究，研究结果表明滑动面的查找对于治理边坡意义重大。王海芝等[4]对滑坡的稳定性进行了研究，认为稳定性系数和滑动面的位置，不应当仅通过数值模拟完成，还必须结合勘察方法。代雪等[5]通过Geostudio、理正软件和ANSYS软件，采用M-P法、Bishop法和强度折减法对边坡的稳定性进行了系统的研究，研究结果表明强度拆减系数法最合理。

以上的研究均聚焦到坡体的稳定性方面，而对于特殊边坡治理不能只考虑坡体的稳定性，如铁塔边坡，此类边坡还须严格控制坡体的水平和沉降位移。因此，本文通过MIDAS GTS数值模拟软件对铁塔边坡的沉降和位移、稳定性、支护措施的受力进行研究，研究结果可以为类似的铁塔边坡治理提供参考。

2 工程地质

选择安徽省合肥市某高压铁塔边坡为研究对象，结合现场勘察情况可知，该铁塔边坡长×高为80 m×56 m(图1)，边坡岩土体从上至下依次分为风化土、风化岩和软岩。岩土体的力学参数详见表1。

图1 高压铁塔边坡结构示意图

表1 岩土体物理力学参数

该铁塔边坡项目采用抗滑桩+锚杆组合的传统支护形式，为保证铁塔的稳定性，铁塔承台采用C20砼，承台下方为双排桩。通过室内实验可知，C20砼弹性模量为2.12e8 kN/m2,泊松比为0.21，容重为21.2 kN/m3；抗滑桩弹性模量为1.48e7 kN/m2，泊松比为0.31，容重为25.2 kN/m3；锚杆弹性模量为2.18e8 kN/m2,泊松比为0.19，容重为76.2 kN/m3。

3 数值模拟

利用MIDAS数值模拟软件对铁塔边坡进行模拟，因为本文研究的重点在于铁塔的位移控制和边坡的稳定性，因此暂不考虑土拱效应的影响[6-9]。

由图2可知，锚杆与水平面的夹角为12°，锚杆间隔3 m进行布置，抗滑桩每0.2 m进行网格划分，双排桩每0.5 m进行网格划分，且抗滑桩与双排桩均采用析取的命令进行建模。为保证数值模拟计算的连续性，承台、风化土、风化岩和软岩均采用每0.8 m进行网格划分；结合工程实际坡面采用砼进行喷射，喷射厚度为0.15 m。

图2 高压铁塔边坡数值模拟图

高压铁塔边坡共计363 396个单元，426 398结点，数值模拟计算至边坡最大不平衡力小于1e-5 N时结束。

3.1 位移分析

MIDAS数值模拟计算平衡以后，高压铁塔边坡的水平位移和沉降位移见图3。

图3 高压铁塔位移(单位：mm)

由图3(a)可知，95.6%岩土体的水平位移小于2 mm。说明此暴雨工况下坡体的位移控制在合理的范围内，铁塔也不至于因为坡体位移发生较大偏移，保证了铁塔的正常运转。

由图3(b)可知，94.6%岩土体的沉降控制在1.4 mm左右，沉降不超过2 mm，其余岩土体的沉降几乎没有变化。说明此支护措施下，边坡的沉降也得到了有效的控制。

由图3可知，暴雨工况下边坡的水平和沉降位移均得到有效的控制，不会影响铁塔的正常使用，说明支护措施有效。

3.2 受力分析

锚杆的受力见图4。锚杆的受力自上而下，轴力由1.2e2 kN逐渐增加至9.6e2 kN，此时最大轴力位于坡体中部，也是锚杆中部。随着距离抗滑桩的距离减小，锚杆轴力值逐渐减小至1.5e2 kN。由锚杆所受轴力值可知，坡体中部为锚杆受力最大处，因此可认为在此处可适当增加锚杆的数量或缩小锚杆的间距，而边坡上下两端可适当减少锚杆数量或增加锚杆间距，这样在保证工程稳定性要求的同时，也降低了工程造价。

图4 锚杆所受轴力(单位：kN)

双排桩所受轴力见图5，取靠近坡面的锚杆为例进行说明。锚杆所受轴力从上至下依次增加，由45 kN逐渐增大至170 kN，此轴力数值依然小于锚杆所受轴力的最大极限，满足工边坡工程稳定性要求。

图5 双排桩所受轴力(单位：kN)

抗滑桩弯矩图见图6。抗滑桩所受弯矩最大值为172 kN·m，此弯矩最大处位于距桩顶约1/6处，同时近2/3处抗滑桩所受弯矩几乎为0。说明此处岩土体位移较少，导致抗滑桩下部所受弯矩较少，一定程度上说明坡体位移较小，坡体较为稳定。

图6 抗滑桩所受弯矩(单位：kN·m)

3.3 边坡稳定性分析

利用MIDAS对边坡进行拆减系数法，剪应力平面图见图7。

图7 暴雨工况下边坡稳定性分析(一)

边坡滑动面并没有贯通，说明坡体是稳定的，安全系数为1.74，此安全系数大于1.2(大于暴雨工况要求的安全系数)，满足工程稳定性要求。据规范要求，边坡支护后安全系数应当控制在1.3～1.6，此安全系数明显略超过1.6，说明支护措施过强，可考虑适当减小支护。

因暴雨工况下边坡的滑动面并未贯通，通过MIDAS GTS软件进一步搜索潜在滑动面(图8)，滑动面已贯通。由贯通的滑动面可知，应力集中区位于坡面，应当于坡面中部加强支护，同时抗滑桩位置可适当往后布置，达到充分发挥抗滑桩的阻滑功能。

图8 暴雨工况下边坡稳定性分析(二)

3.4 数值模拟总结

1) 边坡支护后，坡体岩土体水平位移和沉降位移均不超过2 mm，满足边坡稳定性要求。因为坡体岩土体位移控制得较好，所以铁塔不会受到位移的影响，能够发挥铁塔输电的功能。

2) 结合滑动面和应力集中区域可知，应当在坡面中部多布置锚杆，而在坡面上下部位适当增加锚杆间距或减少锚杆布置，以达到充分节约工程造价的目的。

3) 抗滑桩所受的弯矩下部数值较小，一方面可以说明坡体位移较小，另一方面说明抗滑桩没有完全发挥其抗滑和阻滑的作用。可以通过调整抗滑桩的位置，达到发挥抗滑桩抗滑的作用。

4) 通过拆减系数法求得暴雨工况下边坡的稳定性系数超过1.6，说明治理措施过于保守，可考虑适当减少支护。

4 结 论

结合铁塔边坡工程，本文采取的加固措施为抗滑桩+锚杆。通过MIDAS数值模拟对铁塔边坡进行研究，结论如下：

1) 边坡的位移和沉降均控制在合理的范围内，不会对铁塔造成不良影响，该支护措施能够保证铁塔发挥其正常功能。

2) 边坡在暴雨工况下稳定性系数为1.7，说明支护措施略保守，可在锚杆的布置和抗滑桩布置位置重新进行选择，以达到节约工程造价的目的。

3) 本文没有考虑土拱效应的影响，此方面的研究有待进一步深入。