李靜虹 王婉君 陳孝湘

(1.中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350003;2.國網(wǎng)福建省電力有限公司建設(shè)分公司，福建 福州 350012)

1 概述

隨著輸變電工程建設(shè)環(huán)保水保要求的不斷提高[1]，地處山區(qū)的變電站等工業(yè)建筑工程，場地建設(shè)多采用土方自平衡的方案，即在一個站區(qū)的場平內(nèi)將同時存在挖方和填方邊坡[2]；當220kV及以上電壓等級的變電站采用平坡布置時，挖填方的邊坡高度可達20～40m，屬于高填方邊坡工程[3-5]。

根據(jù)現(xiàn)有的邊坡工程建管要求，在邊坡開挖起至竣工后的2年內(nèi)，監(jiān)測單位將對邊坡進行持續(xù)的變形監(jiān)測，以掌握邊坡變化的動態(tài)過程。當竣工超過2年，一般認為邊坡都進入了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可以以不定時的人工巡視為主。

由于邊坡周邊環(huán)境變化等原因，在運行后的一段時間內(nèi)也可能出現(xiàn)滑坡或者其他危及填方邊坡安全的問題，一些工程技術(shù)人員和學者也都展開了相關(guān)的研究。白霖等針對220kV泉鄉(xiāng)變電所西北側(cè)不穩(wěn)定邊坡的滑移，比較了預應力錨索加排樁、預應力錨索框架格構(gòu)加抗滑樁兩個方案的優(yōu)缺點，并最終選用了預應力錨索加排樁的方案[7]。陳富強等針對珠海某軟土邊坡出現(xiàn)的滑移情況，在分析各種加固方法的基礎(chǔ)上，提出了拋石反壓的方案[8]。楊校輝等對機場高填方邊坡的監(jiān)測進行了全面的穩(wěn)定性分析，認為土體壓實度、地下水位、設(shè)置土工織物等措施是提高邊坡穩(wěn)定性的有效手段[9]。前述研究和工程實例都給填方邊坡的穩(wěn)定分析和變形控制提出了治理思路，但還都是基于特定的工程背景和地質(zhì)條件，不具有普遍適用性，而且未涉及多年填土、長期穩(wěn)定運行的邊坡工程。

福建某500kV變電站自上個世紀90年代投產(chǎn)以來，一直穩(wěn)定運行，但進入2019年后，在站址東側(cè)的填方邊坡后出現(xiàn)坡腳排水溝側(cè)墻傾斜、坡頂護面片石大范圍脫開等典型邊坡滑移表象。在采取臨時坡腳支撐措施后，立即開展了詳勘，分析滑動發(fā)生的原因，并采用條分法對比分析了坡體被動區(qū)加固和坡腳抗滑樁加固的不同技術(shù)方案，提出了工程應用的建議，指導滑動填方邊坡的科學治理，保證電網(wǎng)安全。

2 工程概況

2.1 工程及其失穩(wěn)概況

2019年春季后，福建沿海某500kV變電站在場地東南側(cè)的高8m、坡率為1∶1.5的單級填方邊坡的局部段發(fā)生了坡頂片石護面結(jié)構(gòu)層長條形開裂、坡底排水溝側(cè)壁發(fā)生大量傾斜等滑坡發(fā)生的變形征兆(圖1)，在進入雨季后可能有加劇發(fā)展趨勢，需要開展專項治理。

圖1 填方邊坡變形后的現(xiàn)場情況

為了進一步觀測邊坡的動態(tài)變化過程，在坡頂開裂處撒白灰觀測后續(xù)的變形發(fā)展趨勢；為了適當提升坡腳的抗滑力，在坡腳排洪溝內(nèi)采用密排木桿對稱。

2.2 工程地質(zhì)條件

由于填方邊坡竣工已超過20年，填方土體受自重固結(jié)、降水等影響，較竣工時，其土體的物理力學參數(shù)已經(jīng)發(fā)生了變化，為了精確分析邊坡變形發(fā)生的影響因素及加固后的穩(wěn)定性，對邊坡工程展開了詳勘。

根據(jù)現(xiàn)場的剖面布置，一共鉆11個孔，形成了8個地質(zhì)剖面，其中最典型的8-8剖面如圖2所示。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖(8-8剖面)

詳勘得到的典型地質(zhì)參數(shù)如表1所示。填方坡體下方存在②淤泥質(zhì)土層和④泥質(zhì)中細砂層。

表1 邊坡范圍內(nèi)土體的物理力學參數(shù)

3 邊坡失穩(wěn)原因分析

根據(jù)原設(shè)計方案，該區(qū)域填方邊坡高H≤3m時，坡率為1∶1；填方高3.0m8.0m時，坡率為1∶1.75。同時根據(jù)站區(qū)的排洪設(shè)計，在坡腳設(shè)置了內(nèi)尺寸為1.6m寬、1.5m高的排洪溝(圖3)，排洪溝采用漿砌片石砌筑，底板和外側(cè)的壁厚均為600mm，臨近填方側(cè)的厚度為1100mm，并設(shè)置了擴展底板，排水溝采用了強度為Mu20的片石、M5的砂漿砌筑，溝道整體自重達到了92.18kN/m，對填方邊坡的坡腳起到了很好的反壓和防護效果。

對于排水溝溝底遇到淤泥質(zhì)土的部分，在基底拋填1.0m的大塊石擠淤，以滿足排水溝作為坡腳護腳的穩(wěn)定性要求。填方邊坡坡面則采用了250mm厚的片石護面。

對于填方邊坡而言，邊坡整體穩(wěn)定性取決于填土的質(zhì)量，在施工時要求分層碾壓的壓實系數(shù)不低于0.94，壓實后土體的物理力學指標可以滿足整體穩(wěn)定要求。

隨著邊坡建成投產(chǎn)，運行期間坡面的片石、漿砌排洪溝、坡體的排水系統(tǒng)等都需要直接接受風吹日曬，而排水盲溝也會遇到無紡布材質(zhì)劣化等因素導致的盲溝堵塞等問題，邊坡的穩(wěn)定發(fā)生了一定變化：

①填方土體與原狀土間的排水盲溝因過濾的無紡布等破壞發(fā)生堵塞，導致積水無法外排，坡體內(nèi)的孔隙水位上升。

②填方邊坡坡面的護面片石勾縫砂漿在長期日曬作用下發(fā)生了破壞，大量的縫隙使得雨水極易滲入到坡體內(nèi)。

③坡面的排水管外露部分受日曬的作用，材料劣化，同時透水管的坡體內(nèi)段也可能堵塞，最終造成坡面的排水系統(tǒng)失效，使得坡體內(nèi)的排水系統(tǒng)最終失效。由于場地采用了挖填自平衡的方案，在站區(qū)高的一側(cè)的地面水最終都通過站區(qū)的場地，積到填方區(qū)，使得填方區(qū)域的土體自重增大，土體的抗剪強度指標下降。

④坡腳的排洪溝砂漿強度為M5，同樣在長期的日曬和排水侵蝕作用下，砂漿開裂剝落，雖然面層有進行了修補，但內(nèi)部砂漿的強度劣化，影響了片石間的粘結(jié)，最終在邊坡推力的作用下發(fā)生了變形。

圖3 坡腳排水溝大樣圖

4 治理方案分析

由于邊坡變形的主要原因包括了排水系統(tǒng)的失效和排洪溝漿砌片石的劣化，故治理方案需要包含兩大部分，即穩(wěn)定性的提升和排水系統(tǒng)的改造。

4.1 穩(wěn)定分析方法及荷載條件

邊坡整體穩(wěn)定采用巖土工程軟件Geoslope分析。土質(zhì)邊坡采用簡化畢肖普法計算。

現(xiàn)狀坡面設(shè)置了250mm厚度片石護面，等效于對于土質(zhì)邊坡坡面施加了垂直方向的均布荷載，荷載的大小為p=20.8×0.25=5.2kN/m2。

由于坡頂有圍墻、餐廳等建筑物，且圍墻內(nèi)外可能存在巡檢人員等荷載，故取均布荷載為q=10.0kN/m3。

圖4為自然工況下邊坡穩(wěn)定分析的結(jié)果，由圖4可見，由于填方邊坡土體物理力學參數(shù)的變化，使得最危險的滑動面為邊坡繞過坡腳的排洪溝底部發(fā)生了整體失穩(wěn)，現(xiàn)狀的安全系數(shù)為1.076，不滿足安全要求。即在本次發(fā)生的邊坡坡腳的位移和坡頂護面開裂之外，邊坡整體的穩(wěn)定性也存在不足。

圖4 變電站邊坡整體穩(wěn)定分析(自然狀態(tài))

根據(jù)該變電站的運行條件和實際的施工場地條件，可采用坡腳排樁加固或坡體內(nèi)部土體局部注漿加固的方式，提升被動區(qū)土體力學參數(shù)的方案。

4.2 坡腳排樁加固穩(wěn)定分析

擬在坡底設(shè)置抗滑樁，樁徑 0.8m、樁間距 1.4m，根據(jù)淤泥層厚度的不同，灌注樁樁長為 8.5～10.0m，樁頂設(shè)置 0.6m高、0.8m寬的冠梁，在排洪溝拆除與恢復期間，兼作為坡體外側(cè)基槽的擋土結(jié)構(gòu)。

在Geoslope中，灌注樁采用加固荷載里的樁單元進行模擬分析，樁的深度按實際設(shè)計深度確定，由于采用了平面應變單元，灌注樁的寬度采用等效剛度確定，計算結(jié)果如下：

(1)

樁頂模擬主要參數(shù)如下：①長度 8.5m～10.0m之間，方向為豎直向下；②樁體抗剪強度2200kN/m；③剪切安全系數(shù) 0.8；④樁間距 1.4m；⑤應用剪切的類型為平行滑移。

穩(wěn)定分析時，選擇最不利的工況，主要包含了兩種工況：即灌注樁施工完成后、排洪溝拆除但未恢復的階段；排洪溝施工完成后、坡面片石護面也施工完成后。

圖5為穩(wěn)定分析的結(jié)果，設(shè)置抗滑樁后，坡體最危險的滑動面形狀發(fā)生改變?；瑒用娴南虏烤挥谄履_排樁內(nèi)側(cè)，且安全系數(shù)得到了大幅提升，達到了1.315，滿足二級邊坡1.30的安全系數(shù)要求。對該加固方案進一步分析后，在地震工況下的安全系數(shù)也達到了1.179，滿足二級邊坡1.10的安全要求。

圖5 坡腳設(shè)置抗滑樁的穩(wěn)定分析結(jié)果(自然工況)

4.3 坡體被動區(qū)加固穩(wěn)定性分析

考慮到本次滑動邊坡存在軟弱下臥層，同時填土方邊坡的土體物理力學指標較低，通過地基處理的方式，系統(tǒng)提高邊坡軟弱下臥層及填方土體的物理力學指標，可以提高邊坡的穩(wěn)定性。

具體做法為：采用排距、列距都為4.0m的高壓旋噴樁，旋噴樁樁徑為600mm，采用梅花形布置，樁長8.0m，即進入到殘積土層或者強風化巖層 2.0m以上。

加固方案的主要技術(shù)參數(shù)如下：

①采用旋噴樁加固，旋噴樁的直徑為600mm，布置間距為4.0m，梅花形布置，樁長度為8.0m。

②加固后的地基土的土體物理力學指標采用等代內(nèi)摩擦角提高的方式計算，加固區(qū)域的指標統(tǒng)一提高至c=15kPa、φ=15°。

③仍然進行自然工況和地震工況的穩(wěn)定性分析。

圖6為穩(wěn)定分析的結(jié)果，在坡體的被動區(qū)設(shè)置旋噴樁加固區(qū)域提高土體的物理力學參數(shù)后，坡體最危險的滑動面形狀與未設(shè)置加固土體的類似(如圖4所示)，但安全系數(shù)得到了大幅度提升，自然工況下達到了1.443，在地震工況下的安全系數(shù)也達到了1.298，滿足二級邊坡的安全要求。

圖6 加固抗滑區(qū)域地基土的邊坡整體穩(wěn)定(自然狀態(tài))

4.4 排水系統(tǒng)的改造提升

從邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)場調(diào)查和邊坡失穩(wěn)機理分析都可得知，邊坡加固時需要對邊坡的排水系統(tǒng)進行改造提升。主要包括：①排查清理盲溝的狀態(tài)，對于具備條件的排水盲溝進行通排，保證暢通；②重新在坡面往坡體內(nèi)打入軟式透水管；③拆除并恢復坡腳的排洪溝。

4.5 加固方案對比分析

根據(jù)前文分析，采用坡腳排樁和坡體被動區(qū)加固的方案都可以滿足邊坡整體穩(wěn)定的安全系數(shù)提升要求，但需結(jié)合排水系統(tǒng)的改造、施工對變電站運行的影響、風險控制、工程投資等方面進行綜合分析，對比詳見表2。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選，最終采用坡腳排樁方案，在施工過程中，將邊坡的加固和排水系統(tǒng)的改造施工對變電站圍墻內(nèi)設(shè)施、坡頂圍墻和站外場平范圍內(nèi)的用地影響都降到了最低。

表2 不同加固方案的技術(shù)經(jīng)濟對比分析

為了進一步降低施工過程的風險，排樁采用跳打的施工方案。在排樁、冠梁施工完成后，拆除并用M10的砂漿重新砌筑外側(cè)的排洪溝。竣工后的邊坡現(xiàn)場情況如圖7所示。

圖7 竣工后的邊坡

5 結(jié)論

已竣工投產(chǎn)20余年的福建山區(qū)某500kV變電站填方邊坡出現(xiàn)了坡頂貫通長裂縫開裂、坡腳護腳發(fā)生了較大側(cè)向傾斜變形的現(xiàn)象。為此，在現(xiàn)場調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合詳勘數(shù)據(jù)，分析了邊坡變形的機理，并對不同的加固方案進行了對比分析，得出主要結(jié)論如下。

①在降雨量充沛的沿海山區(qū)，排水系統(tǒng)失效是填方邊坡在運行期間整體穩(wěn)定性影響最大、最不利的因素，在日常巡檢時，除了裂縫、變形之外，尤其要注意對排水系統(tǒng)狀態(tài)進行排查。

②坡腳設(shè)置的大截面排洪溝在一定程度上降低了邊坡的安全性，當護腳提供的強度或剛度不足時，會造成邊坡的整體滑移，在設(shè)計時需要進行護腳的穩(wěn)定性和強度的驗算。

③對已發(fā)生滑動填方邊坡，其治理可采用在被動區(qū)土體進行注漿加固的方案，也可以在坡腳設(shè)置抗滑灌注樁或者較大剛度的擋土墻，來系統(tǒng)提高填方邊坡的整體穩(wěn)定性。

④從技術(shù)經(jīng)濟綜合比較，在滑動區(qū)邊坡的坡腳設(shè)置抗滑樁對邊坡現(xiàn)狀的擾動較小、對坡頂建(構(gòu))筑物影響最小，是相關(guān)工程的優(yōu)選方案。