(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610041)

換流站土建設(shè)計與施工過程中高邊坡逐漸成為一個不可避免的問題。這一方面由于換流站占地面積較大，±800 kV換流站的圍墻內(nèi)地面積多在15 hm2以上，另一方面由于土地資源的日益緊張，可選作站址的地區(qū)往往地勢起伏起大，場平后多會形成高邊坡。高邊坡的設(shè)計受地質(zhì)條件，地震動條件，用地條件等的限制，其復雜程度明顯區(qū)別于低邊坡的設(shè)計，是換流站土建設(shè)計的重點與難點之一。選擇合理的放坡坡率、支擋方案、截排水方案等是保證邊坡安全性的前提。在上述背景之下，本文對新松換流站高挖、填方邊坡的設(shè)計與分析進行一定探討，為類似工程提供一定的參考。

1 工程地質(zhì)條件

站址所在地為場地地貌屬構(gòu)造剝蝕低中山山地，原始地面相對高差在40～80 m之間。換流站圍墻內(nèi)占地約380×500 m場平后將形成最高44 m的挖方邊坡與最高30 m的填方邊坡(圖1)。根據(jù)《建筑工程邊坡規(guī)范》挖填方邊坡均屬于一級邊坡。

圖1 邊坡平面布置圖

場地土層主要為表層②1、②2粘性土層，下伏泥巖層。根據(jù)地勘資料，各層巖土參數(shù)設(shè)計值見表1。

表1 巖土參數(shù)設(shè)計值

挖方邊坡開挖后巖層(圖2)主要為④層全風化至中風化泥巖，局部含破碎帶。填方邊坡底部主要為②1層粘土、④層泥巖，局部溝谷地段存在較厚(0～8 m)的②2層粘土，其抗剪強度很差，對高填方邊坡的穩(wěn)定性有極為不利的作用(圖3)。填方邊坡填料主要來自于站區(qū)所挖土石方以及外摻碎石。

根據(jù)地震安評報告，換流站站址位于8度(0.26 g)抗震設(shè)防區(qū)，綜合水平地震系數(shù)取0.075，地震作用較大。

圖2 挖方區(qū)1-1地質(zhì)剖面圖

圖3 填方區(qū)2-2地質(zhì)剖面圖

2 挖方邊坡分析與設(shè)計

站址區(qū)域構(gòu)造作用強烈，受構(gòu)造作用影響，場地內(nèi)巖層扭轉(zhuǎn)及褶曲、小斷層、X節(jié)理多見，擠壓、揉皺現(xiàn)象明顯，基巖產(chǎn)狀變化大，產(chǎn)狀為265°～5°∠10°～71°。挖方邊坡區(qū)域共發(fā)育四組優(yōu)勢層面，傾向西－西北－北向，傾角較大，挖方邊坡區(qū)域主要為反向或切向巖質(zhì)邊坡，局部地段為土質(zhì)邊坡。

針對可能出現(xiàn)潛在滑動的特定結(jié)構(gòu)面組合形成的楔形塊體，根據(jù)地勘資料，進行穩(wěn)定性分析，計算參數(shù)見表2。典型剖面分析結(jié)果見表3。

表2 挖方邊坡計算參數(shù)

表3 挖方邊坡穩(wěn)定系數(shù)

4－4剖面為堆積體處的土質(zhì)挖方邊坡，在地震工況下安全系數(shù)小于1.15，實際放坡比采用1∶1.75。其余地段按1∶1.5放坡，邊坡整體穩(wěn)定性較好。

由于挖方高度較大，巖質(zhì)較軟，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，局部可能形成傾向坡外的軟弱結(jié)構(gòu)面或者多組節(jié)理組合形成不穩(wěn)定塊體而崩落，坡面采用框架錨桿梁護面，保證坡面局部穩(wěn)定性?？蚣芰洪g隔尺寸為3×3 m，錨桿長3 m，遇局部深層破碎帶時適當增加錨桿長度?？蚣荛g采用植草綠化封閉，避免泥巖迅速風化，坡腳設(shè)排水設(shè)施，見圖4。

圖4 挖方1－1剖面設(shè)計

3 填方邊坡分析與設(shè)計

3.1 邊坡支擋方案分析

站區(qū)最高填方邊坡高約30 m，位于天然沖溝的上方(2－2剖面)，填筑后坡底沉積有約8 m厚的②2層(見圖3)。原始土體抗剪強度低、地震烈度大等因素均對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，邊坡的支擋方案尤為重要。

若考慮對邊坡直接采用坡率法處理，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)見表4。由于邊坡最危險滑裂面穿過②2層(圖5(a))，阻滑段所能提供的阻力小，邊坡穩(wěn)定性差。因此，單純通過坡率法難以保證邊坡穩(wěn)定性，且最不利滑裂面在邊坡深層，不利于使用筋帶加固處理，需要進行支擋措施的設(shè)計。

表4 自然放坡情況下2－2剖面穩(wěn)定系數(shù)

考慮支擋方案的可靠性與施工的可操作性，本工程采用支擋能力較強的現(xiàn)澆鋼筋混凝土方樁進行邊坡支護，見圖5(b)、5(c)，抗滑樁錨入基巖。

圖5(b)所示的支擋方案下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)明顯增高(表5)。采用抗滑樁進行支擋后原始危險滑裂面被截斷，坡面的最危險滑面向更深層的位置移動，深層滑裂面處自重應(yīng)力增加(圖6)其產(chǎn)生的阻滑力相應(yīng)增加，穩(wěn)定安全系數(shù)明顯提高。

圖5 高填方邊坡支擋方案

圖6 滑動面底部正應(yīng)力隨距剪出口距離變化關(guān)系

采用方案b時滑面剪出口位于抗滑樁頂部，在地震工況下穩(wěn)定安全系數(shù)小于限值，仍有躍頂剪出的風險。為進一步增加邊坡阻滑能力，增加抗滑樁出露地面懸臂段的長度，最后一級邊坡考慮采用更緩的坡率使填土起到反壓坡腳的作用，如圖5(c)。采用方案c后邊坡各工況下的穩(wěn)定性均能滿足要求，見表5。為防止填土從樁間擠出，樁間設(shè)計擋土板。

表5 各方案高填方邊坡穩(wěn)定系數(shù)

3.2 抗滑樁受力分析

在分析所得未支擋邊坡各土塊的受力狀態(tài)后，各滑動面處的剩余下滑力可通過傳遞系數(shù)法計算，剪出口的剩余下滑力即為滑坡推力，見圖7。

圖7 傳遞系數(shù)法簡圖

其中，第i條塊的下滑力為：

第i條塊的抗滑力為：

第i條塊的剩余下滑力為：

式中：yi-1為傳遞系數(shù)，可表示為：

式中：Wi1為第i條塊水位線以上天然重量(kN/m)；Wi2為第i條塊水位線以下的浮重度(kN/m)；K為邊坡安全系數(shù)(kN/m)。

根據(jù)上述原則，高填土邊坡各工況下計算所得剩余下滑力見圖8。

圖8 剩余下滑力隨距剪出口距離變化關(guān)系

若不考慮安全系數(shù)對剩余下滑力的調(diào)整，普通工況邊坡剩余下滑力明顯小于其它兩種工況。根據(jù)安全系數(shù)限值調(diào)整后的三種工況剩余下滑力曲線較為接近，剪出口單位寬度邊坡的剩余下滑力約為1700 kN。

根據(jù)所得的滑坡推力及抗滑樁計算模型，并假定樁端約束條件、地基系數(shù)，可計算樁身各截面內(nèi)力見圖9，參數(shù)選取見表6。

表6 抗滑樁設(shè)計參數(shù)

3.3 邊坡填土方案

邊坡的填土質(zhì)量是關(guān)系邊坡安全性的又一關(guān)鍵因素，可用的填土方案可分為強夯方案與碾壓方案見圖10。其中強夯法對填土的壓實效果好，加固深度深，但震動較大，不宜用于靠近坡面的地方(本工程站區(qū)內(nèi)大面積填土采用強夯方案，能級6000 kN·m)?？紤]施工的便利性與填土質(zhì)量的可控性，本工程采用碾壓邊坡。碾壓邊坡與站內(nèi)強夯土之間采用低能級搭接夯(能級 2000 kN ·m)。

圖10 邊坡填土方案

低層強夯與搭接夯區(qū)深入坡體一定距離能消除一部分原始土層的變形。碾壓過程中通過控制分層填土厚度、土體含水最、碎石參量、壓實系數(shù)等因素來控制填土質(zhì)量設(shè)計參數(shù)見表7。

表7 邊坡填土設(shè)計參數(shù)

4 邊坡變形監(jiān)測

對于本工程這種地質(zhì)條件復雜的高邊坡，在施工及后續(xù)工程中進行變形監(jiān)測，分析邊坡各處的變形趨勢對評價邊坡的穩(wěn)定性有著極為重要的作用。

本工程變形最明顯、最具代表性的挖填方邊坡位移測點位置見圖1，水平位移監(jiān)測結(jié)果見圖10。

圖10 典型測點邊坡變形位移及速率曲線

可以看出：(1)挖方邊坡變形量及變形速率小于填方邊坡，穩(wěn)定性較好。(2)填方邊坡位移及變形速率相對較大。在邊坡竣工后150天左右時變形速率明顯減小，變形量趨于穩(wěn)定。(3)邊坡竣工一年后，邊坡的變形量及變形速率均未超過計算值與規(guī)范限值，且變形呈收斂趨勢。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合新松換流站的高邊坡分析與設(shè)計，本文可得出如下結(jié)論及建議：

(1)挖方區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性較好，可采用坡率法處理。坡率的確定應(yīng)考慮巖層構(gòu)造、邊坡整體穩(wěn)定性等因素。

(2)對于開挖后易風化、軟化的泥巖邊坡，應(yīng)及時采取有效的護面措施，保證坡面的局部穩(wěn)定性。

(3)填方區(qū)高邊坡在自然放坡不能穩(wěn)定時可考慮加筋、設(shè)支擋結(jié)構(gòu)等措施治理。在治理本工程中這類潛在深層滑動邊坡時，抗滑樁因其布置靈活、支擋能力強等優(yōu)點而有較大的優(yōu)勢。

(4)邊坡填筑時與應(yīng)站內(nèi)強夯有效結(jié)合，利用強夯壓實能力強的特點處理邊坡底部，有利于減小后期沉降，提高坡體穩(wěn)定性。邊坡施工參數(shù)對其穩(wěn)定性同樣有至關(guān)重要的作用，應(yīng)合理選擇相關(guān)參數(shù)。

(5)對于高邊坡，通過變形觀測可分析邊坡的位移趨勢進而判斷其穩(wěn)定性。本工程挖方邊坡變形較小，填方邊坡變形速率在邊坡竣工150天左右明顯減小，變形收斂，邊坡穩(wěn)定性較好。