新松换流站高边坡分析与设计

(西南电力设计院有限公司，四川 成都 610041)

换流站土建设计与施工过程中高边坡逐渐成为一个不可避免的问题。这一方面由于换流站占地面积较大，±800 kV换流站的围墙内地面积多在15 hm2以上，另一方面由于土地资源的日益紧张，可选作站址的地区往往地势起伏起大，场平后多会形成高边坡。高边坡的设计受地质条件，地震动条件，用地条件等的限制，其复杂程度明显区别于低边坡的设计，是换流站土建设计的重点与难点之一。选择合理的放坡坡率、支挡方案、截排水方案等是保证边坡安全性的前提。在上述背景之下，本文对新松换流站高挖、填方边坡的设计与分析进行一定探讨，为类似工程提供一定的参考。

1 工程地质条件

站址所在地为场地地貌属构造剥蚀低中山山地，原始地面相对高差在40～80 m之间。换流站围墙内占地约380×500 m场平后将形成最高44 m的挖方边坡与最高30 m的填方边坡(图1)。根据《建筑工程边坡规范》挖填方边坡均属于一级边坡。

图1 边坡平面布置图

场地土层主要为表层②1、②2粘性土层，下伏泥岩层。根据地勘资料，各层岩土参数设计值见表1。

表1 岩土参数设计值

挖方边坡开挖后岩层(图2)主要为④层全风化至中风化泥岩，局部含破碎带。填方边坡底部主要为②1层粘土、④层泥岩，局部沟谷地段存在较厚(0～8 m)的②2层粘土，其抗剪强度很差，对高填方边坡的稳定性有极为不利的作用(图3)。填方边坡填料主要来自于站区所挖土石方以及外掺碎石。

根据地震安评报告，换流站站址位于8度(0.26 g)抗震设防区，综合水平地震系数取0.075，地震作用较大。

图2 挖方区1-1地质剖面图

图3 填方区2-2地质剖面图

2 挖方边坡分析与设计

站址区域构造作用强烈，受构造作用影响，场地内岩层扭转及褶曲、小断层、X节理多见，挤压、揉皱现象明显，基岩产状变化大，产状为265°～5°∠10°～71°。挖方边坡区域共发育四组优势层面，倾向西－西北－北向，倾角较大，挖方边坡区域主要为反向或切向岩质边坡，局部地段为土质边坡。

针对可能出现潜在滑动的特定结构面组合形成的楔形块体，根据地勘资料，进行稳定性分析，计算参数见表2。典型剖面分析结果见表3。

表2 挖方边坡计算参数

表3 挖方边坡稳定系数

4－4剖面为堆积体处的土质挖方边坡，在地震工况下安全系数小于1.15，实际放坡比采用1∶1.75。其余地段按1∶1.5放坡，边坡整体稳定性较好。

由于挖方高度较大，岩质较软，岩层节理裂隙发育，局部可能形成倾向坡外的软弱结构面或者多组节理组合形成不稳定块体而崩落，坡面采用框架锚杆梁护面，保证坡面局部稳定性。框架梁间隔尺寸为3×3 m，锚杆长3 m，遇局部深层破碎带时适当增加锚杆长度。框架间采用植草绿化封闭，避免泥岩迅速风化，坡脚设排水设施，见图4。

图4 挖方1－1剖面设计

3 填方边坡分析与设计

3.1 边坡支挡方案分析

站区最高填方边坡高约30 m，位于天然冲沟的上方(2－2剖面)，填筑后坡底沉积有约8 m厚的②2层(见图3)。原始土体抗剪强度低、地震烈度大等因素均对边坡稳定性产生不利影响，边坡的支挡方案尤为重要。

若考虑对边坡直接采用坡率法处理，边坡安全稳定系数见表4。由于边坡最危险滑裂面穿过②2层(图5(a))，阻滑段所能提供的阻力小，边坡稳定性差。因此，单纯通过坡率法难以保证边坡稳定性，且最不利滑裂面在边坡深层，不利于使用筋带加固处理，需要进行支挡措施的设计。

表4 自然放坡情况下2－2剖面稳定系数

考虑支挡方案的可靠性与施工的可操作性，本工程采用支挡能力较强的现浇钢筋混凝土方桩进行边坡支护，见图5(b)、5(c)，抗滑桩锚入基岩。

图5(b)所示的支挡方案下边坡的稳定系数明显增高(表5)。采用抗滑桩进行支挡后原始危险滑裂面被截断，坡面的最危险滑面向更深层的位置移动，深层滑裂面处自重应力增加(图6)其产生的阻滑力相应增加，稳定安全系数明显提高。

图5 高填方边坡支挡方案

图6 滑动面底部正应力随距剪出口距离变化关系

采用方案b时滑面剪出口位于抗滑桩顶部，在地震工况下稳定安全系数小于限值，仍有跃顶剪出的风险。为进一步增加边坡阻滑能力，增加抗滑桩出露地面悬臂段的长度，最后一级边坡考虑采用更缓的坡率使填土起到反压坡脚的作用，如图5(c)。采用方案c后边坡各工况下的稳定性均能满足要求，见表5。为防止填土从桩间挤出，桩间设计挡土板。

表5 各方案高填方边坡稳定系数

3.2 抗滑桩受力分析

在分析所得未支挡边坡各土块的受力状态后，各滑动面处的剩余下滑力可通过传递系数法计算，剪出口的剩余下滑力即为滑坡推力，见图7。

图7 传递系数法简图

其中，第i条块的下滑力为：

第i条块的抗滑力为：

第i条块的剩余下滑力为：

式中：yi-1为传递系数，可表示为：

式中：Wi1为第i条块水位线以上天然重量(kN/m)；Wi2为第i条块水位线以下的浮重度(kN/m)；K为边坡安全系数(kN/m)。

根据上述原则，高填土边坡各工况下计算所得剩余下滑力见图8。

图8 剩余下滑力随距剪出口距离变化关系

若不考虑安全系数对剩余下滑力的调整，普通工况边坡剩余下滑力明显小于其它两种工况。根据安全系数限值调整后的三种工况剩余下滑力曲线较为接近，剪出口单位宽度边坡的剩余下滑力约为1700 kN。

根据所得的滑坡推力及抗滑桩计算模型，并假定桩端约束条件、地基系数，可计算桩身各截面内力见图9，参数选取见表6。

表6 抗滑桩设计参数

3.3 边坡填土方案

边坡的填土质量是关系边坡安全性的又一关键因素，可用的填土方案可分为强夯方案与碾压方案见图10。其中强夯法对填土的压实效果好，加固深度深，但震动较大，不宜用于靠近坡面的地方(本工程站区内大面积填土采用强夯方案，能级6000 kN·m)。考虑施工的便利性与填土质量的可控性，本工程采用碾压边坡。碾压边坡与站内强夯土之间采用低能级搭接夯(能级 2000 kN ·m)。

图10 边坡填土方案

低层强夯与搭接夯区深入坡体一定距离能消除一部分原始土层的变形。碾压过程中通过控制分层填土厚度、土体含水最、碎石参量、压实系数等因素来控制填土质量设计参数见表7。

表7 边坡填土设计参数

4 边坡变形监测

对于本工程这种地质条件复杂的高边坡，在施工及后续工程中进行变形监测，分析边坡各处的变形趋势对评价边坡的稳定性有着极为重要的作用。

本工程变形最明显、最具代表性的挖填方边坡位移测点位置见图1，水平位移监测结果见图10。

图10 典型测点边坡变形位移及速率曲线

可以看出：(1)挖方边坡变形量及变形速率小于填方边坡，稳定性较好。(2)填方边坡位移及变形速率相对较大。在边坡竣工后150天左右时变形速率明显减小，变形量趋于稳定。(3)边坡竣工一年后，边坡的变形量及变形速率均未超过计算值与规范限值，且变形呈收敛趋势。

5 结论与建议

结合新松换流站的高边坡分析与设计，本文可得出如下结论及建议：

(1)挖方区岩质边坡稳定性较好，可采用坡率法处理。坡率的确定应考虑岩层构造、边坡整体稳定性等因素。

(2)对于开挖后易风化、软化的泥岩边坡，应及时采取有效的护面措施，保证坡面的局部稳定性。

(3)填方区高边坡在自然放坡不能稳定时可考虑加筋、设支挡结构等措施治理。在治理本工程中这类潜在深层滑动边坡时，抗滑桩因其布置灵活、支挡能力强等优点而有较大的优势。

(4)边坡填筑时与应站内强夯有效结合，利用强夯压实能力强的特点处理边坡底部，有利于减小后期沉降，提高坡体稳定性。边坡施工参数对其稳定性同样有至关重要的作用，应合理选择相关参数。

(5)对于高边坡，通过变形观测可分析边坡的位移趋势进而判断其稳定性。本工程挖方边坡变形较小，填方边坡变形速率在边坡竣工150天左右明显减小，变形收敛，边坡稳定性较好。