滑坡災(zāi)害下500 k V鐵塔安全性分析

王彥海 李清泉 陳 波 時(shí)文峰

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

我國地形地貌多樣，輸電線路走廊多位于丘陵、高山地帶.輸電線路具有點(diǎn)多、線長、面廣的特點(diǎn)，線路所經(jīng)過的地形地貌復(fù)雜，氣候多變，容易受到自然災(zāi)害的影響.盡管在輸電線路可行性研究階段進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害評估，但不能完全避免小規(guī)模的自然災(zāi)害，這成為了輸電線路運(yùn)行期間災(zāi)害的主要來源[1-4].在自然災(zāi)害中對線路影響大的有雪災(zāi)、臺風(fēng)、滑坡等，滑坡災(zāi)害主要集中在丘陵、山區(qū).

目前，在我國建成的輸電線路中已有多條線路因滑坡受到了影響.四川500 k V甘蜀一二線149號鐵塔D腿外側(cè)發(fā)生大面積滑坡[5]；500 k V二灘-自貢輸電線路自投運(yùn)以來，幾乎每年會發(fā)生因滑坡引起的輸電線路設(shè)備損壞事件，并使線路被迫停運(yùn)改造[6]；2013年9月貴州銅仁市因特大暴雨導(dǎo)致山體滑坡，10基電桿倒塌、22基電桿傾斜，造成多條低壓線路停電[7]；廣東500 k V賀羅Ⅰ線332號鐵塔塔腿周圍發(fā)生滑坡(如圖1所示)，嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)行.

圖1 賀羅Ⅰ線332號滑坡實(shí)例圖

目前，對輸電鐵塔安全性研究主要集中于采空區(qū)地表變形條件下鐵塔的承載力分析.袁廣林等[8-9]研究了采空區(qū)動態(tài)地表變形對輸電鐵塔內(nèi)力的影響，得到了采空區(qū)輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律和抵抗地表變形的能力；楊風(fēng)利等[10-11]研究了采空區(qū)基礎(chǔ)變形時(shí)輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)動力沖擊效應(yīng)和承載力分析，表明基礎(chǔ)變形時(shí)塔腿斜材應(yīng)力變化最大，并確定了不同工況下的基礎(chǔ)變形限值；國外學(xué)者[12-13]采用中心有限差分法對輸電鐵塔進(jìn)行了動力特性研究；陳英等[14-16]分析了滑坡的發(fā)育特征和成因機(jī)理并提出了相關(guān)的治理措施；Bezuglova E V等[17]通過研究滑坡坡面的強(qiáng)度指標(biāo)建立了邊坡穩(wěn)定性評估程序.

綜上所述，國內(nèi)外均已進(jìn)行了輸電線路鐵塔安全性研究，特別是采空區(qū)鐵塔的安全性研究較多，均以直線塔為研究對象建立模型，分析不同條件下輸電鐵塔的安全性，但對承擔(dān)不平衡張力的轉(zhuǎn)角耐張塔進(jìn)行相關(guān)研究的較少.采空區(qū)多位于鐵塔基礎(chǔ)正下方深處，主要以基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降作為影響鐵塔安全的因素；而滑坡災(zāi)害則發(fā)生在鐵塔基礎(chǔ)周圍，距離輸電鐵塔更近，主要以基礎(chǔ)發(fā)生傾斜變形作為影響鐵塔安全的因素.對于滑坡災(zāi)害下輸電鐵塔的安全性研究局限于災(zāi)后的處理和治理方面，但對滑坡災(zāi)害前的輸電鐵塔的安全性分析較少.本文通過ANSYS軟件建立輸電線路轉(zhuǎn)角耐張塔仿真模型，模擬滑坡災(zāi)害下鐵塔基礎(chǔ)的變形，根據(jù)仿真結(jié)果研究該狀態(tài)下的輸電鐵塔的安全性，為輸電鐵塔在發(fā)生滑坡災(zāi)害后的安全性評估提供參考.

1 鐵塔模型

1.1 鐵塔參數(shù)

本文以某500 k V JG1干字型轉(zhuǎn)角耐張塔為研究對象，鐵塔呼稱高度21 m，總高34.5 m，導(dǎo)線采用四分裂LGJ-400/35鋼芯鋁絞線，地線為GJ-80鋼絞線和OPGW2通信光纜.塔材采用熱軋等邊角鋼，最大規(guī)格為L200×14，最小規(guī)格為L40×4，主材為Q345號鋼，斜材、輔材等為Q235號鋼.鐵塔單線圖如圖2所示.

圖2 500 k V JG1鐵塔單線圖

1.2 模型建立

本文通過有限元軟件ANSYS進(jìn)行鐵塔的建模和分析，仿真模型塔身主材、斜材、橫隔材采用BEAM188梁單元模擬，輔材采用LINK8桿單元模擬.梁單元之間采用剛接，桿單元與梁單元之間采用鉸接.BEAM188梁單元是三維線性兩節(jié)點(diǎn)梁單元，基于Timoshenko梁結(jié)構(gòu)理論，考慮了剪切變形的影響，適合分析纖細(xì)的梁結(jié)構(gòu).LINK8桿單元是三維桿單元，是桿軸方向的拉壓單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度，不承受彎矩，在工程模擬上廣泛應(yīng)用于桁架、連桿、纜索、彈簧等模擬.仿真模型采用ANSYS默認(rèn)笛卡爾坐標(biāo)系，自下而上的方式根據(jù)鐵塔圖紙建立模型.特別需要注意的是梁單元具有方向性，在建模過程中需要根據(jù)圖紙確定正確的梁單元方向.建模完成后的仿真模型如圖3所示.

圖3 500 k V JG1鐵塔仿真結(jié)構(gòu)圖

1.3 荷載的施加

鐵塔所受荷載包括鐵塔本身、導(dǎo)地線、絕緣子串、線路金具等自重荷載，導(dǎo)線張力，風(fēng)荷載等.鐵塔順線路方向的導(dǎo)線張力為鐵塔兩側(cè)的導(dǎo)線張力在順線路方向的分力，鐵塔兩側(cè)的導(dǎo)線張力TCP=0.95×TP×x%(TP為導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力，取103.9 k N；x%為計(jì)算拉斷力的百分?jǐn)?shù)，取25%)，其他荷載的計(jì)算按照相關(guān)規(guī)范[18-20]計(jì)算得出.風(fēng)荷載主要作用于鐵塔塔身、導(dǎo)地線、絕緣子串上.由于風(fēng)荷載的特殊性，風(fēng)對鐵塔產(chǎn)生的荷載不能完全按照實(shí)際情況施加于仿真模型上.因此本文中導(dǎo)地線、絕緣子串等風(fēng)荷載均按集中荷載的方式施加在仿真模型相關(guān)節(jié)點(diǎn)上，塔身風(fēng)荷載分段施加在鐵塔模型中的迎風(fēng)面相關(guān)節(jié)點(diǎn)上.

2 工況組合

鐵塔基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡時(shí)，在基礎(chǔ)未斷裂的情況下，由于受到滑坡影響的一側(cè)土壓力減小，基礎(chǔ)可能發(fā)生水平滑移、沉降與傾斜，傾斜變形可分解為水平方向的變形和豎直方向的沉降變形.限于篇幅，本文將主要研究鐵塔不同基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡時(shí)引起的鐵塔基礎(chǔ)水平滑移對輸電鐵塔安全性的影響.

鐵塔內(nèi)力計(jì)算需要在一定的工況條件下進(jìn)行，因此需要確定計(jì)算的工況組合.由于滑坡發(fā)生的位置可以在鐵塔四周任意位置，為了簡化計(jì)算，本文研究的滑坡位置共計(jì)8處，如圖4所示.圓弧凹側(cè)為滑坡位置，小圓弧表示鐵塔單腿基礎(chǔ)周圍的滑坡，大圓弧表示鐵塔雙腿基礎(chǔ)周圍的滑坡.風(fēng)向分為90°大風(fēng)和45°大風(fēng)，風(fēng)向與鐵塔基礎(chǔ)關(guān)系如圖5所示.因此工況組合共有16種，如圖6所示.

圖4 滑坡位置示意圖

圖5 風(fēng)向與鐵塔基礎(chǔ)關(guān)系

圖6 工況組合

本文以90°大風(fēng)條件下輸電鐵塔的單腿滑移和雙腿滑移為例進(jìn)行分析.單腿滑移為塔腳與鐵塔中心樁的連線方向向外滑移，雙腿滑移為垂直于雙腿連線方向向外滑移且雙腿滑移量相同.圖7表示了單腿滑移和雙腿滑移其中一種情況.圖中圓弧凹側(cè)表示滑坡位置，黑色箭頭表示鐵塔基礎(chǔ)滑移方向.

圖7 滑坡位置與基礎(chǔ)滑移方向

由于仿真模型中的節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，在塔腿節(jié)點(diǎn)發(fā)生水平滑移時(shí)，需要添加約束條件來模擬基礎(chǔ)發(fā)生的水平滑移情況，其約束條件見表1.表中單腿滑移以A腿為例，雙腿滑移以AB腿為例.表中UX、UY、UZ為平動自由度，ROTX、ROTY、ROTZ為轉(zhuǎn)動自由度.根據(jù)線路相關(guān)資料和相關(guān)規(guī)范[18-20]，設(shè)置荷載步，將鐵塔在90°大風(fēng)和45°大風(fēng)條件下的風(fēng)荷載、塔頭荷載、自重荷載和不平衡張力等荷載施加在模型上，并在模型塔腳施加一定約束，進(jìn)行各個(gè)工況的仿真計(jì)算.

3 水平滑移分析

滑坡災(zāi)害作用下鐵塔基礎(chǔ)會發(fā)生變形，假定鐵塔基礎(chǔ)不發(fā)生破壞和較大的變形，在鐵塔基礎(chǔ)變形過程中鐵塔達(dá)到下述3種條件之一時(shí)認(rèn)為鐵塔發(fā)生破壞：1)鐵塔主材、斜材和輔材等桿件軸力達(dá)到極值發(fā)生失穩(wěn)破壞；2)鐵塔主材、斜材和輔材等桿件所受應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)極限值發(fā)生屈服破壞，Q235號鋼材極值取215 MPa，Q345號鋼材極值取310 MPa，其中任意一種達(dá)到極限值鐵塔即發(fā)生破壞；3)鐵塔中心線上頂端傾斜位移根據(jù)相關(guān)規(guī)程[19]超過極值時(shí)發(fā)生傾斜破壞.

3.1 單腿滑移分析

單腿滑移共有8種工況，以90°大風(fēng)條件下A腿為例進(jìn)行分析.在A腿滑移量不斷增加的過程中，鐵塔的最大應(yīng)力位置發(fā)生變化，從MX1點(diǎn)變化至MX2點(diǎn)再變化至MX3點(diǎn)，如圖8所示(MX1，MX2，MX3分別表示A腿滑移量處于第1階段、第2階段、第3階段時(shí)，鐵塔最大應(yīng)力所處位置的點(diǎn)).最初位置MX1點(diǎn)位于AD側(cè)右導(dǎo)線下方第一段主材連接處；當(dāng)滑移量達(dá)到10 mm時(shí)轉(zhuǎn)移至MX2點(diǎn)C腿塔腳處；當(dāng)滑移量達(dá)到35 mm時(shí)，轉(zhuǎn)移至鐵塔MX3點(diǎn)AB側(cè)第一道橫隔材與斜材的連接處.

圖8 鐵塔最大應(yīng)力位置變化示意圖

由于鐵塔最大應(yīng)力位置有變化，需要檢查當(dāng)最大應(yīng)力的位置位于Q345號鋼材上時(shí)，其鐵塔其他所用Q235號鋼材的應(yīng)力是否超過215 MPa.90°大風(fēng)條件下A腿滑移時(shí)，在所有Q235號鋼材中，21 775號單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力始終最大，因此選擇此單元作為監(jiān)測點(diǎn)，其他工況組合視具體情況選擇監(jiān)測點(diǎn).對于A腿滑移當(dāng)滑移量達(dá)到44 mm時(shí)，Q235號鋼材最大應(yīng)力已經(jīng)超過215 MPa，鐵塔發(fā)生破壞.其滑移量與鐵塔最大應(yīng)力、鐵塔頂端傾斜位移關(guān)系如圖9(a)所示.圖中紅色曲線為鐵塔中心線上最高點(diǎn)的橫線路方向位移.鐵塔在塔腳未發(fā)生滑移時(shí)由于受到導(dǎo)地線自重、風(fēng)荷載、溫度等因素的影響會使鐵塔頂端產(chǎn)生一定的位移，此時(shí)鐵塔頂端傾斜位移不為零.如圖9(a)所示，鐵塔的頂端傾斜位移隨著A腿滑移量的增加而線性減少，當(dāng)滑移量為2 mm時(shí)，鐵塔頂端傾斜位移為56.627 mm，傾斜率為1.64‰；最大應(yīng)力隨著A腿滑移量的增加而增加，當(dāng)滑移量為44 mm時(shí)，最大應(yīng)力位于Q235號鋼材上，鐵塔發(fā)生破壞；21775單元節(jié)點(diǎn)應(yīng)力隨著A腿滑移量的增加而線性增加，當(dāng)滑移量達(dá)到30 mm時(shí)與最大應(yīng)力曲線重合，說明此時(shí)鐵塔最大應(yīng)力轉(zhuǎn)移至21 775單元節(jié)點(diǎn).將上述結(jié)果列入表2.

圖9 90°大風(fēng)鐵塔最大應(yīng)力、頂端傾斜位移、監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力隨各塔腿變化圖

表2 90°大風(fēng)單腿滑移仿真結(jié)果

3.2 雙腿滑移分析

雙腿滑移共有8種工況，以90°大風(fēng)條件下AD雙腿為例進(jìn)行分析.當(dāng)AD雙腿滑移量為2 mm時(shí)，最大應(yīng)力位置在AD側(cè)右導(dǎo)線下方第一段主材連接處，如圖8所示MX1處；當(dāng)AD雙腿滑移量為4 mm時(shí)，最大應(yīng)力位于C腿塔腳，如圖8所示MX3處.當(dāng)AD雙腿滑移量達(dá)到70 mm時(shí)，鐵塔最大應(yīng)力為317.726 MPa，超過Q345號鋼材最大設(shè)計(jì)應(yīng)力，鐵塔發(fā)生破壞.在此過程中，鐵塔Q235號鋼材始終沒有超過215 MPa.

90°大風(fēng)條件下4種工況組合的鐵塔最大應(yīng)力和頂端傾斜位移如圖10所示.由于鐵塔頂端傾斜位移隨著AD腿滑移量的增加而只減少了0.002 mm，可以忽略不計(jì)，因此認(rèn)為當(dāng)AD雙腿發(fā)生滑移時(shí)，鐵塔頂端位移量保持不變，此時(shí)鐵塔頂端傾斜位移為57.353 mm，傾斜率為1.66‰.

鐵塔基礎(chǔ)的對側(cè)即AB側(cè)與CD側(cè)，AD側(cè)與BC側(cè)在相同的位移條件下的最大應(yīng)力是一致的，只是鐵塔頂端的位移稍有不同.其中AD、BC側(cè)雙腿滑移的增量對鐵塔頂端傾斜位移影響很小，其傾斜變形均未超過極值.雙腿滑移的4種情況中，最大應(yīng)力所處位置均為C腿塔腳.

4 單、雙腿綜合分析

在上述8種工況中各條件下的最大應(yīng)力均隨著滑移量的增加而增加；鐵塔頂端位移中A、D單腿滑移和AB雙腿滑移3種情況是隨著滑移量的增加而減少；而BC、AD雙腿滑移時(shí)鐵塔頂端位移隨滑移量的增加認(rèn)為沒有變化；剩下3種情況下鐵塔頂端位移隨著滑移量的增加而增加.在單腿滑移中首先發(fā)生破壞的都是鐵塔第一道橫隔材與斜材的連接處；在雙腿滑移中首先發(fā)生破壞的都是C腿塔腳.

當(dāng)工況條件為45°大風(fēng)時(shí)，其結(jié)果見表3.其中鐵塔頂端位移變化趨勢和最大應(yīng)力變化趨勢與90°大風(fēng)相似，最大應(yīng)力所處位置也相似，鐵塔的傾斜變形均未超過極值.

將不同工況組合條件下的基礎(chǔ)滑移極值列入表4.從表中可看出所有工況中A腿滑移時(shí)其極限值為43 mm，為最小位移極值；45°大風(fēng)條件下CD雙腿滑移時(shí)其極值為81 mm，為最大位移極值，而90°大風(fēng)條件下與45°大風(fēng)條件下的滑移極限值相差不大；鐵塔轉(zhuǎn)角外側(cè)比轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡時(shí)鐵塔的滑移量極值小，鐵塔順線路比橫線路基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡時(shí)鐵塔的滑移量極值小.綜上所述，單腿滑移時(shí)最不利工況為90°大風(fēng)A腿滑移，雙腿滑移時(shí)最不利工況為90°大風(fēng)AD/BC雙腿滑移，所有工況中最不利工況為90°大風(fēng)A腿滑移.

表4 各工況條件下滑移量極值

5 結(jié) 語

本研究通過仿真建模并針對不同的工況組合，模擬輸電鐵塔基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡后的基礎(chǔ)變形，分析了鐵塔的塔材應(yīng)力和位移變化情況，主要得出以下結(jié)論：

1)所有工況組合中，90°大風(fēng)A腿滑移工況下鐵塔滑移量限值最小，為滑坡災(zāi)害下鐵塔基礎(chǔ)變形的控制工況.

2)當(dāng)輸電鐵塔轉(zhuǎn)角外側(cè)基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡引起鐵塔基礎(chǔ)單腿滑移時(shí)，對鐵塔安全性影響比轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)大.當(dāng)輸電鐵塔順線路方向基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡引起鐵塔基礎(chǔ)雙腿滑移時(shí)，鐵塔的允許滑移量極值比橫線路方向小.輸電鐵塔轉(zhuǎn)角外側(cè)和順線路方向基礎(chǔ)周圍發(fā)生滑坡時(shí)對鐵塔的安全性影響大.

3)鐵塔均為應(yīng)力達(dá)到最大設(shè)計(jì)值而發(fā)生破壞，鐵塔的傾斜變形均未達(dá)到極限值，鐵塔發(fā)生破壞以塔材發(fā)生屈服破壞為主，運(yùn)行維護(hù)時(shí)應(yīng)以鐵塔應(yīng)力監(jiān)測為主，傾斜變形為輔.

4)鐵塔發(fā)生破壞時(shí)塔材的順序?yàn)殍F塔第一道橫隔材、塔腳，在易發(fā)生滑坡災(zāi)害的地區(qū)在鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對這些塔材進(jìn)行加強(qiáng)，在發(fā)生滑坡情況下鐵塔還未破壞時(shí)應(yīng)對這些塔材進(jìn)行加固處理.