滑坡灾害下500 k V铁塔安全性分析

王彦海 李清泉 陈 波 时文峰

(三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

我国地形地貌多样，输电线路走廊多位于丘陵、高山地带.输电线路具有点多、线长、面广的特点，线路所经过的地形地貌复杂，气候多变，容易受到自然灾害的影响.尽管在输电线路可行性研究阶段进行了地质灾害评估，但不能完全避免小规模的自然灾害，这成为了输电线路运行期间灾害的主要来源[1-4].在自然灾害中对线路影响大的有雪灾、台风、滑坡等，滑坡灾害主要集中在丘陵、山区.

目前，在我国建成的输电线路中已有多条线路因滑坡受到了影响.四川500 k V甘蜀一二线149号铁塔D腿外侧发生大面积滑坡[5]；500 k V二滩-自贡输电线路自投运以来，几乎每年会发生因滑坡引起的输电线路设备损坏事件，并使线路被迫停运改造[6]；2013年9月贵州铜仁市因特大暴雨导致山体滑坡，10基电杆倒塌、22基电杆倾斜，造成多条低压线路停电[7]；广东500 k V贺罗Ⅰ线332号铁塔塔腿周围发生滑坡(如图1所示)，严重影响线路的正常运行.

图1 贺罗Ⅰ线332号滑坡实例图

目前，对输电铁塔安全性研究主要集中于采空区地表变形条件下铁塔的承载力分析.袁广林等[8-9]研究了采空区动态地表变形对输电铁塔内力的影响，得到了采空区输电铁塔的结构内力变化规律和抵抗地表变形的能力；杨风利等[10-11]研究了采空区基础变形时输电铁塔的结构动力冲击效应和承载力分析，表明基础变形时塔腿斜材应力变化最大，并确定了不同工况下的基础变形限值；国外学者[12-13]采用中心有限差分法对输电铁塔进行了动力特性研究；陈英等[14-16]分析了滑坡的发育特征和成因机理并提出了相关的治理措施；Bezuglova E V等[17]通过研究滑坡坡面的强度指标建立了边坡稳定性评估程序.

综上所述，国内外均已进行了输电线路铁塔安全性研究，特别是采空区铁塔的安全性研究较多，均以直线塔为研究对象建立模型，分析不同条件下输电铁塔的安全性，但对承担不平衡张力的转角耐张塔进行相关研究的较少.采空区多位于铁塔基础正下方深处，主要以基础发生不均匀沉降作为影响铁塔安全的因素；而滑坡灾害则发生在铁塔基础周围，距离输电铁塔更近，主要以基础发生倾斜变形作为影响铁塔安全的因素.对于滑坡灾害下输电铁塔的安全性研究局限于灾后的处理和治理方面，但对滑坡灾害前的输电铁塔的安全性分析较少.本文通过ANSYS软件建立输电线路转角耐张塔仿真模型，模拟滑坡灾害下铁塔基础的变形，根据仿真结果研究该状态下的输电铁塔的安全性，为输电铁塔在发生滑坡灾害后的安全性评估提供参考.

1 铁塔模型

1.1 铁塔参数

本文以某500 k V JG1干字型转角耐张塔为研究对象，铁塔呼称高度21 m，总高34.5 m，导线采用四分裂LGJ-400/35钢芯铝绞线，地线为GJ-80钢绞线和OPGW2通信光缆.塔材采用热轧等边角钢，最大规格为L200×14，最小规格为L40×4，主材为Q345号钢，斜材、辅材等为Q235号钢.铁塔单线图如图2所示.

图2 500 k V JG1铁塔单线图

1.2 模型建立

本文通过有限元软件ANSYS进行铁塔的建模和分析，仿真模型塔身主材、斜材、横隔材采用BEAM188梁单元模拟，辅材采用LINK8杆单元模拟.梁单元之间采用刚接，杆单元与梁单元之间采用铰接.BEAM188梁单元是三维线性两节点梁单元，基于Timoshenko梁结构理论，考虑了剪切变形的影响，适合分析纤细的梁结构.LINK8杆单元是三维杆单元，是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有3个自由度，不承受弯矩，在工程模拟上广泛应用于桁架、连杆、缆索、弹簧等模拟.仿真模型采用ANSYS默认笛卡尔坐标系，自下而上的方式根据铁塔图纸建立模型.特别需要注意的是梁单元具有方向性，在建模过程中需要根据图纸确定正确的梁单元方向.建模完成后的仿真模型如图3所示.

图3 500 k V JG1铁塔仿真结构图

1.3 荷载的施加

铁塔所受荷载包括铁塔本身、导地线、绝缘子串、线路金具等自重荷载，导线张力，风荷载等.铁塔顺线路方向的导线张力为铁塔两侧的导线张力在顺线路方向的分力，铁塔两侧的导线张力TCP=0.95×TP×x%(TP为导线的计算拉断力，取103.9 k N；x%为计算拉断力的百分数，取25%)，其他荷载的计算按照相关规范[18-20]计算得出.风荷载主要作用于铁塔塔身、导地线、绝缘子串上.由于风荷载的特殊性，风对铁塔产生的荷载不能完全按照实际情况施加于仿真模型上.因此本文中导地线、绝缘子串等风荷载均按集中荷载的方式施加在仿真模型相关节点上，塔身风荷载分段施加在铁塔模型中的迎风面相关节点上.

2 工况组合

铁塔基础周围发生滑坡时，在基础未断裂的情况下，由于受到滑坡影响的一侧土压力减小，基础可能发生水平滑移、沉降与倾斜，倾斜变形可分解为水平方向的变形和竖直方向的沉降变形.限于篇幅，本文将主要研究铁塔不同基础周围发生滑坡时引起的铁塔基础水平滑移对输电铁塔安全性的影响.

铁塔内力计算需要在一定的工况条件下进行，因此需要确定计算的工况组合.由于滑坡发生的位置可以在铁塔四周任意位置，为了简化计算，本文研究的滑坡位置共计8处，如图4所示.圆弧凹侧为滑坡位置，小圆弧表示铁塔单腿基础周围的滑坡，大圆弧表示铁塔双腿基础周围的滑坡.风向分为90°大风和45°大风，风向与铁塔基础关系如图5所示.因此工况组合共有16种，如图6所示.

图4 滑坡位置示意图

图5 风向与铁塔基础关系

图6 工况组合

本文以90°大风条件下输电铁塔的单腿滑移和双腿滑移为例进行分析.单腿滑移为塔脚与铁塔中心桩的连线方向向外滑移，双腿滑移为垂直于双腿连线方向向外滑移且双腿滑移量相同.图7表示了单腿滑移和双腿滑移其中一种情况.图中圆弧凹侧表示滑坡位置，黑色箭头表示铁塔基础滑移方向.

图7 滑坡位置与基础滑移方向

由于仿真模型中的节点有6个自由度，在塔腿节点发生水平滑移时，需要添加约束条件来模拟基础发生的水平滑移情况，其约束条件见表1.表中单腿滑移以A腿为例，双腿滑移以AB腿为例.表中UX、UY、UZ为平动自由度，ROTX、ROTY、ROTZ为转动自由度.根据线路相关资料和相关规范[18-20]，设置荷载步，将铁塔在90°大风和45°大风条件下的风荷载、塔头荷载、自重荷载和不平衡张力等荷载施加在模型上，并在模型塔脚施加一定约束，进行各个工况的仿真计算.

3 水平滑移分析

滑坡灾害作用下铁塔基础会发生变形，假定铁塔基础不发生破坏和较大的变形，在铁塔基础变形过程中铁塔达到下述3种条件之一时认为铁塔发生破坏：1)铁塔主材、斜材和辅材等杆件轴力达到极值发生失稳破坏；2)铁塔主材、斜材和辅材等杆件所受应力达到设计极限值发生屈服破坏，Q235号钢材极值取215 MPa，Q345号钢材极值取310 MPa，其中任意一种达到极限值铁塔即发生破坏；3)铁塔中心线上顶端倾斜位移根据相关规程[19]超过极值时发生倾斜破坏.

3.1 单腿滑移分析

单腿滑移共有8种工况，以90°大风条件下A腿为例进行分析.在A腿滑移量不断增加的过程中，铁塔的最大应力位置发生变化，从MX1点变化至MX2点再变化至MX3点，如图8所示(MX1，MX2，MX3分别表示A腿滑移量处于第1阶段、第2阶段、第3阶段时，铁塔最大应力所处位置的点).最初位置MX1点位于AD侧右导线下方第一段主材连接处；当滑移量达到10 mm时转移至MX2点C腿塔脚处；当滑移量达到35 mm时，转移至铁塔MX3点AB侧第一道横隔材与斜材的连接处.

图8 铁塔最大应力位置变化示意图

由于铁塔最大应力位置有变化，需要检查当最大应力的位置位于Q345号钢材上时，其铁塔其他所用Q235号钢材的应力是否超过215 MPa.90°大风条件下A腿滑移时，在所有Q235号钢材中，21 775号单元节点的应力始终最大，因此选择此单元作为监测点，其他工况组合视具体情况选择监测点.对于A腿滑移当滑移量达到44 mm时，Q235号钢材最大应力已经超过215 MPa，铁塔发生破坏.其滑移量与铁塔最大应力、铁塔顶端倾斜位移关系如图9(a)所示.图中红色曲线为铁塔中心线上最高点的横线路方向位移.铁塔在塔脚未发生滑移时由于受到导地线自重、风荷载、温度等因素的影响会使铁塔顶端产生一定的位移，此时铁塔顶端倾斜位移不为零.如图9(a)所示，铁塔的顶端倾斜位移随着A腿滑移量的增加而线性减少，当滑移量为2 mm时，铁塔顶端倾斜位移为56.627 mm，倾斜率为1.64‰；最大应力随着A腿滑移量的增加而增加，当滑移量为44 mm时，最大应力位于Q235号钢材上，铁塔发生破坏；21775单元节点应力随着A腿滑移量的增加而线性增加，当滑移量达到30 mm时与最大应力曲线重合，说明此时铁塔最大应力转移至21 775单元节点.将上述结果列入表2.

图9 90°大风铁塔最大应力、顶端倾斜位移、监测点应力随各塔腿变化图

表2 90°大风单腿滑移仿真结果

3.2 双腿滑移分析

双腿滑移共有8种工况，以90°大风条件下AD双腿为例进行分析.当AD双腿滑移量为2 mm时，最大应力位置在AD侧右导线下方第一段主材连接处，如图8所示MX1处；当AD双腿滑移量为4 mm时，最大应力位于C腿塔脚，如图8所示MX3处.当AD双腿滑移量达到70 mm时，铁塔最大应力为317.726 MPa，超过Q345号钢材最大设计应力，铁塔发生破坏.在此过程中，铁塔Q235号钢材始终没有超过215 MPa.

90°大风条件下4种工况组合的铁塔最大应力和顶端倾斜位移如图10所示.由于铁塔顶端倾斜位移随着AD腿滑移量的增加而只减少了0.002 mm，可以忽略不计，因此认为当AD双腿发生滑移时，铁塔顶端位移量保持不变，此时铁塔顶端倾斜位移为57.353 mm，倾斜率为1.66‰.

铁塔基础的对侧即AB侧与CD侧，AD侧与BC侧在相同的位移条件下的最大应力是一致的，只是铁塔顶端的位移稍有不同.其中AD、BC侧双腿滑移的增量对铁塔顶端倾斜位移影响很小，其倾斜变形均未超过极值.双腿滑移的4种情况中，最大应力所处位置均为C腿塔脚.

4 单、双腿综合分析

在上述8种工况中各条件下的最大应力均随着滑移量的增加而增加；铁塔顶端位移中A、D单腿滑移和AB双腿滑移3种情况是随着滑移量的增加而减少；而BC、AD双腿滑移时铁塔顶端位移随滑移量的增加认为没有变化；剩下3种情况下铁塔顶端位移随着滑移量的增加而增加.在单腿滑移中首先发生破坏的都是铁塔第一道横隔材与斜材的连接处；在双腿滑移中首先发生破坏的都是C腿塔脚.

当工况条件为45°大风时，其结果见表3.其中铁塔顶端位移变化趋势和最大应力变化趋势与90°大风相似，最大应力所处位置也相似，铁塔的倾斜变形均未超过极值.

将不同工况组合条件下的基础滑移极值列入表4.从表中可看出所有工况中A腿滑移时其极限值为43 mm，为最小位移极值；45°大风条件下CD双腿滑移时其极值为81 mm，为最大位移极值，而90°大风条件下与45°大风条件下的滑移极限值相差不大；铁塔转角外侧比转角内侧基础周围发生滑坡时铁塔的滑移量极值小，铁塔顺线路比横线路基础周围发生滑坡时铁塔的滑移量极值小.综上所述，单腿滑移时最不利工况为90°大风A腿滑移，双腿滑移时最不利工况为90°大风AD/BC双腿滑移，所有工况中最不利工况为90°大风A腿滑移.

表4 各工况条件下滑移量极值

5 结 语

本研究通过仿真建模并针对不同的工况组合，模拟输电铁塔基础周围发生滑坡后的基础变形，分析了铁塔的塔材应力和位移变化情况，主要得出以下结论：

1)所有工况组合中，90°大风A腿滑移工况下铁塔滑移量限值最小，为滑坡灾害下铁塔基础变形的控制工况.

2)当输电铁塔转角外侧基础周围发生滑坡引起铁塔基础单腿滑移时，对铁塔安全性影响比转角内侧大.当输电铁塔顺线路方向基础周围发生滑坡引起铁塔基础双腿滑移时，铁塔的允许滑移量极值比横线路方向小.输电铁塔转角外侧和顺线路方向基础周围发生滑坡时对铁塔的安全性影响大.

3)铁塔均为应力达到最大设计值而发生破坏，铁塔的倾斜变形均未达到极限值，铁塔发生破坏以塔材发生屈服破坏为主，运行维护时应以铁塔应力监测为主，倾斜变形为辅.

4)铁塔发生破坏时塔材的顺序为铁塔第一道横隔材、塔脚，在易发生滑坡灾害的地区在铁塔设计时应针对这些塔材进行加强，在发生滑坡情况下铁塔还未破坏时应对这些塔材进行加固处理.