李靜虹 王婉君 陳孝湘

(1.中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003;2.國(guó)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(chǎng)地建設(shè)多采用土方自平衡的方案，即在一個(gè)站區(qū)的場(chǎng)平內(nèi)將同時(shí)存在挖方和填方邊坡[2]；當(dāng)220kV及以上電壓等級(jí)的變電站采用平坡布置時(shí)，挖填方的邊坡高度可達(dá)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(kāi)挖起至竣工后的2年內(nèi)，監(jiān)測(cè)單位將對(duì)邊坡進(jìn)行持續(xù)的變形監(jiān)測(cè)，以掌握邊坡變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)竣工超過(guò)2年，一般認(rèn)為邊坡都進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，可以以不定時(shí)的人工巡視為主。

由于邊坡周邊環(huán)境變化等原因，在運(yùn)行后的一段時(shí)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(wèn)題，一些工程技術(shù)人員和學(xué)者也都展開(kāi)了相關(guān)的研究。白霖等針對(duì)220kV泉鄉(xiāng)變電所西北側(cè)不穩(wěn)定邊坡的滑移，比較了預(yù)應(yīng)力錨索加排樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架格構(gòu)加抗滑樁兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并最終選用了預(yù)應(yīng)力錨索加排樁的方案[7]。陳富強(qiáng)等針對(duì)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(duì)機(jī)場(chǎng)高填方邊坡的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了全面的穩(wěn)定性分析，認(rèn)為土體壓實(shí)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(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的邊坡工程。

福建某500kV變電站自上個(gè)世紀(jì)90年代投產(chǎn)以來(lái)，一直穩(wěn)定運(yùn)行，但進(jìn)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(hù)面片石大范圍脫開(kāi)等典型邊坡滑移表象。在采取臨時(shí)坡腳支撐措施后，立即開(kāi)展了詳勘，分析滑動(dòng)發(fā)生的原因，并采用條分法對(duì)比分析了坡體被動(dòng)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(yīng)用的建議，指導(dǎo)滑動(dòng)填方邊坡的科學(xué)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(chǎng)地東南側(cè)的高8m、坡率為1∶1.5的單級(jí)填方邊坡的局部段發(fā)生了坡頂片石護(hù)面結(jié)構(gòu)層長(zhǎng)條形開(kāi)裂、坡底排水溝側(cè)壁發(fā)生大量?jī)A斜等滑坡發(fā)生的變形征兆(圖1)，在進(jìn)入雨季后可能有加劇發(fā)展趨勢(shì)，需要開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)治理。

圖1 填方邊坡變形后的現(xiàn)場(chǎng)情況

為了進(jìn)一步觀測(cè)邊坡的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，在坡頂開(kāi)裂處撒白灰觀測(cè)后續(xù)的變形發(fā)展趨勢(shì)；為了適當(dāng)提升坡腳的抗滑力，在坡腳排洪溝內(nèi)采用密排木桿對(duì)稱(chēng)。

2.2 工程地質(zhì)條件

由于填方邊坡竣工已超過(guò)20年，填方土體受自重固結(jié)、降水等影響，較竣工時(shí)，其土體的物理力學(xué)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(duì)邊坡工程展開(kāi)了詳勘。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的剖面布置，一共鉆11個(gè)孔，形成了8個(gè)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(xì)砂層。

表1 邊坡范圍內(nèi)土體的物理力學(xué)參數(shù)

3 邊坡失穩(wěn)原因分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，該區(qū)域填方邊坡高H≤3m時(shí)，坡率為1∶1；填方高3.0m8.0m時(shí)，坡率為1∶1.75。同時(shí)根據(jù)站區(qū)的排洪設(shè)計(jì)，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(kuò)展底板，排水溝采用了強(qiáng)度為Mu20的片石、M5的砂漿砌筑，溝道整體自重達(dá)到了92.18kN/m，對(duì)填方邊坡的坡腳起到了很好的反壓和防護(hù)效果。

對(duì)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(mǎn)足排水溝作為坡腳護(hù)腳的穩(wěn)定性要求。填方邊坡坡面則采用了250mm厚的片石護(hù)面。

對(duì)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(shí)要求分層碾壓的壓實(shí)系數(shù)不低于0.94，壓實(shí)后土體的物理力學(xué)指標(biāo)可以滿(mǎn)足整體穩(wěn)定要求。

隨著邊坡建成投產(chǎn)，運(yùn)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(fēng)吹日曬，而排水盲溝也會(huì)遇到無(wú)紡布材質(zhì)劣化等因素導(dǎo)致的盲溝堵塞等問(wèn)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(guò)濾的無(wú)紡布等破壞發(fā)生堵塞，導(dǎo)致積水無(wú)法外排，坡體內(nèi)的孔隙水位上升。

②填方邊坡坡面的護(hù)面片石勾縫砂漿在長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)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(guò)站區(qū)的場(chǎng)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(qiáng)度指標(biāo)下降。

④坡腳的排洪溝砂漿強(qiáng)度為M5，同樣在長(zhǎng)期的日曬和排水侵蝕作用下，砂漿開(kāi)裂剝落，雖然面層有進(jìn)行了修補(bǔ)，但內(nèi)部砂漿的強(qiáng)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(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算。

現(xiàn)狀坡面設(shè)置了250mm厚度片石護(hù)面，等效于對(duì)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(jiàn)，由于填方邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)的變化，使得最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面為邊坡繞過(guò)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(mǎn)足安全要求。即在本次發(fā)生的邊坡坡腳的位移和坡頂護(hù)面開(kāi)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(yùn)行條件和實(shí)際的施工場(chǎng)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(dòng)區(qū)土體力學(xué)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(zhǎng)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(fù)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(jìn)行模擬分析，樁的深度按實(shí)際設(shè)計(jì)深度確定，由于采用了平面應(yīng)變單元，灌注樁的寬度采用等效剛度確定，計(jì)算結(jié)果如下：

(1)

樁頂模擬主要參數(shù)如下：①長(zhǎng)度 8.5m～10.0m之間，方向?yàn)樨Q直向下；②樁體抗剪強(qiáng)度2200kN/m；③剪切安全系數(shù) 0.8；④樁間距 1.4m；⑤應(yīng)用剪切的類(lèi)型為平行滑移。

穩(wěn)定分析時(shí)，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(fù)的階段；排洪溝施工完成后、坡面片石護(hù)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(xiǎn)的滑動(dòng)面形狀發(fā)生改變?；瑒?dòng)面的下部均位于坡腳排樁內(nèi)側(cè)，且安全系數(shù)得到了大幅提升，達(dá)到了1.315，滿(mǎn)足二級(jí)邊坡1.30的安全系數(shù)要求。對(duì)該加固方案進(jìn)一步分析后，在地震工況下的安全系數(shù)也達(dá)到了1.179，滿(mǎn)足二級(jí)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(dòng)區(qū)加固穩(wěn)定性分析

考慮到本次滑動(dòng)邊坡存在軟弱下臥層，同時(shí)填土方邊坡的土體物理力學(xué)指標(biāo)較低，通過(guò)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(xué)指標(biāo)，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(zhǎng)8.0m，即進(jìn)入到殘積土層或者強(qiáng)風(fēng)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(zhǎng)度為8.0m。

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

③仍然進(jìn)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(dòng)區(qū)設(shè)置旋噴樁加固區(qū)域提高土體的物理力學(xué)參數(shù)后，坡體最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面形狀與未設(shè)置加固土體的類(lèi)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(dá)到了1.443，在地震工況下的安全系數(shù)也達(dá)到了1.298，滿(mǎn)足二級(jí)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(chǎng)調(diào)查和邊坡失穩(wěn)機(jī)理分析都可得知，邊坡加固時(shí)需要對(duì)邊坡的排水系統(tǒng)進(jìn)行改造提升。主要包括：①排查清理盲溝的狀態(tài)，對(duì)于具備條件的排水盲溝進(jìn)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(fù)坡腳的排洪溝。

4.5 加固方案對(duì)比分析

根據(jù)前文分析，采用坡腳排樁和坡體被動(dòng)區(qū)加固的方案都可以滿(mǎn)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(duì)變電站運(yùn)行的影響、風(fēng)險(xiǎn)控制、工程投資等方面進(jìn)行綜合分析，對(duì)比詳見(jiàn)表2。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，最終采用坡腳排樁方案，在施工過(guò)程中，將邊坡的加固和排水系統(tǒng)的改造施工對(duì)變電站圍墻內(nèi)設(shè)施、坡頂圍墻和站外場(chǎng)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(jì)對(duì)比分析

為了進(jìn)一步降低施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，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?？⒐ず蟮倪吰卢F(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)裂縫開(kāi)裂、坡腳護(hù)腳發(fā)生了較大側(cè)向傾斜變形的現(xiàn)象。為此，在現(xiàn)場(chǎng)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(jī)理，并對(duì)不同的加固方案進(jìn)行了對(duì)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(yùn)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(shí)，除了裂縫、變形之外，尤其要注意對(duì)排水系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)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(dāng)護(hù)腳提供的強(qiáng)度或剛度不足時(shí)，會(huì)造成邊坡的整體滑移，在設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行護(hù)腳的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的驗(yàn)算。

③對(duì)已發(fā)生滑動(dòng)填方邊坡，其治理可采用在被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)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(lái)系統(tǒng)提高填方邊坡的整體穩(wěn)定性。

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