基坑开挖影响电力线路塔基稳定性的数值模拟研究

　　0引言

 

　　拟建湘潭河东第二污水厂位于湘江南岸一级阶地，地势平坦开阔，地面高程34.23m～36.01m，地表分布农田和鱼塘。根据现场勘探，评估区场地内上覆第四系全新统冲积粉质粘土及卵石层，下伏白垩系紫红色粉砂岩。紧邻拟建污水处理厂基坑两侧在运行的220kV和500kV两基铁塔均为跨越（湘江）塔，塔基荷载较大，属于线路重点保护的杆塔之一，对周边工程地质条件要求高，若周围施工使塔基地段工程地质条件发生变化，造成塔基失稳或变形，将严重影响线路运行。因此，为了更加真实地反映实际情况，有必要采用三维有差分计算程序进行分析。

 

　　1模拟方案

 

　　本次模拟根据湘潭市河东第二污水处理厂基坑开挖建立模型，模型尺寸为长度372m×宽度289m×高度45m，由于本次研究的主要内容是基坑开挖后塔基的稳定性，根据圣维南原理，模型大小满足计算精度要求。模型内开挖区为（长边332m+短边308m）×宽度144m×高度18m，考虑到220kV线路塔腿离用地红线边界约10m，本次模拟主要研究220kV和500kV线路塔基（即PA和PB）稳定性。如图1-1所示。

 

　　根据湘潭河东第二污水厂基坑开挖的实际工况最终确定以下两种方案进行建模计算：

 

　　方案1：按现场实际情况，在未加支护桩的前提下进行基坑开挖；

 

　　方案2：按现场实际情况，在采用“支护桩+钢筋砼内支撑”支护，坑壁顶部4m按1：1进行放坡，由上至下布置3排12m长钢花管后进行基坑开挖；

 

　　通过两种不同方案进行对比，分析在不同条件下，基坑开挖对两条不同线路的塔基稳定性影响以及基坑开挖后形成的高边坡稳定性影响，从而得出相应结论。

 

　　2计算结果及分析

 

　　2.1方案1未加支护桩的前提下进行基坑开挖

 

　　2.1.1基坑未开挖前

 

　　本次模拟采用mohr-coulomb模型进行分析计算。模型共有145200个单元，158112个节点，三维计算模型及网格划分见图2.1-1。

 

　　受PB影响，塔基范围内，未产生拉应力，垂直方向上最大位移为19.73cm，即最大沉降19.73cm，塔基四周土体鼓起最大位移为7.14cm。

 

　　2.1.2基坑开挖后

 

　　基坑开挖后，PA边坡附近Y方向上最大位移达到42.49m，PB边坡附近Y方向上最大位移达到48.55m，从数值上看出，在未进行放坡及支护前提下开挖基坑，必然造成边坡失稳。

 

　　2.2方案2采用“支护桩+钢筋砼内支撑”支护，坑壁顶部4m按1：1进行放坡，由上至下布置3排12m长钢花管后进行基坑开挖

 

　　2.2.1基坑开挖后

 

　　由图2.2-1可知基坑开挖后，PA边坡附近Y方向上最大位移为5.85cm，PB边坡附近Y方向上最大位移为5.25cm，与直接开挖相比，在进行放坡及支护前提下开挖基坑，边坡稳定性增加，远远小于未进行支护情况下的48.55m。

 

　　3结论

 

　　依据数值模拟分析结果，可提出以下结论：

 

　　（1）通过数学建模，按设计支护方案的条件下，基坑开挖后，PA塔基范围内，靠近边坡一侧塔腿沉降略大于另一侧塔腿沉降，约为3cm，表明实际工程中，220kV塔基可能遭受不均匀沉降，但沉降较小。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）以及《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T5919—2005），模拟中最大位移3cm，满足规范中允许沉降范围。而PB塔基范围内，4条塔腿最大沉降仅为0.12cm，因此可知，基坑开挖对500kV线路影响小于220kV线路。

 

　　（2）基坑开挖会引起边坡的侧向位移及塔基的竖向沉降，本次模拟假定的为塔基范围内受均布荷载，受力土层均为表层软土，而实际工程中，两条线路塔基基础均为台阶式基础，基础埋深至4.6米，所以计算结果，沉降位移可能偏小。建议在现场施工时必须设置多个位移观测点，严密监测地下水位的变动及塔基各塔腿的沉降，为基坑开挖的合理控制提供参考。

 

　　（3）防止因高地下水位作用引起显著的基坑渗流，进而导致坑底流土、基坑侧向位移显著增大及地基的不均匀沉降等不利后果，建议采用结构底部加长、底部灌浆以及基坑坑底加固等措施来保证基坑及塔基的安全。

 

　　（4）由数值模拟可知，在未进行放坡以及支护桩的前提下基坑开挖后，形成土体破坏，高边坡失稳，而按设计资料开挖后，最大位移在220kV线路附近，为5.85cm，考虑到本次模拟的开挖为一步开挖，建议实际生产过程中基坑开挖为分步开挖，对基坑延深开挖时，在护坡桩嵌固深度较短的情况下，可以通过对桩体增设支点、增加锚固力的方式保证基坑支护结构稳定。

 

　　（5）基坑开挖阶段可能会出现坑周土体裂缝，建议立即进行注浆灌缝处理，避免此处形成集水井而引起塔基的不均匀沉降。

 

　　Abstract：TheproposedXiangtanHedong2ndsewageplantlocatesatthefirstgradeterraceoftheXiangriversouthbank，whichisquaternaryalluvialformedmainlybycohesivesoilandpebblebed.Aspebblebedhasrelativelyhighwaterpermeability，engineeringgeologicalproblems，suchasseepagedeformationcanbecausedduringthefoundationexcavation.A220kVanda500kVcrossingtowerarebuiltatthebothsidesoftheproposedproject.Bothtowersareamongthekeyprotectiongroupwithhighloadpower.Therefore，anyprojectundertakennearbyhastoconsiderthegeologicalcondition.Otherwisechangesofgeologicaltermscouldcauseinstabilityanddeformationofthetowers，imposingsevereimpactontheoperationofthecircuit.Thisarticleappliesgeneralfiniteelementsoftware（FLAC3D）tosimulateandanalyzetheactualproblems，concludingthatthefoundationexcavationwouldcausesoilfailureandhighslopeinstabilitywithoutsettlingslopeandretainingpile.However，iftheexcavationfollowstheprojectdesign，themaximumdisplacementofsettlementcouldbelimitednearbythe220kVcircuitwithrelativelysmallsettlement.Accordingto《Codefordesignofbuildingfoundation》（GB50007-2011）and《Technicalregulationfordesigningfoundationofoverheadtransmissionline》（DL/T5919-2005），therangeofsettlementissatisfied.

 

　　Keywords：Simulation，Roof，Pit，Powerline.

 

　　参考文献

 

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