沿海山区变电站多年填方边坡滑动失稳原因分析及治理
2022-08-03李静虹王婉君陈孝湘
李静虹 王婉君 陈孝湘
(1.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003;2.国网福建省电力有限公司建设分公司，福建 福州 350012)
1 概述
随着输变电工程建设环保水保要求的不断提高[1]，地处山区的变电站等工业建筑工程，场地建设多采用土方自平衡的方案，即在一个站区的场平内将同时存在挖方和填方边坡[2]；当220kV及以上电压等级的变电站采用平坡布置时，挖填方的边坡高度可达20～40m，属于高填方边坡工程[3-5]。
根据现有的边坡工程建管要求，在边坡开挖起至竣工后的2年内，监测单位将对边坡进行持续的变形监测，以掌握边坡变化的动态过程。当竣工超过2年，一般认为边坡都进入了相对稳定的状态，可以以不定时的人工巡视为主。
由于边坡周边环境变化等原因，在运行后的一段时间内也可能出现滑坡或者其他危及填方边坡安全的问题，一些工程技术人员和学者也都展开了相关的研究。白霖等针对220kV泉乡变电所西北侧不稳定边坡的滑移，比较了预应力锚索加排桩、预应力锚索框架格构加抗滑桩两个方案的优缺点，并最终选用了预应力锚索加排桩的方案[7]。陈富强等针对珠海某软土边坡出现的滑移情况，在分析各种加固方法的基础上，提出了抛石反压的方案[8]。杨校辉等对机场高填方边坡的监测进行了全面的稳定性分析，认为土体压实度、地下水位、设置土工织物等措施是提高边坡稳定性的有效手段[9]。前述研究和工程实例都给填方边坡的稳定分析和变形控制提出了治理思路，但还都是基于特定的工程背景和地质条件，不具有普遍适用性，而且未涉及多年填土、长期稳定运行的边坡工程。
福建某500kV变电站自上个世纪90年代投产以来，一直稳定运行，但进入2019年后，在站址东侧的填方边坡后出现坡脚排水沟侧墙倾斜、坡顶护面片石大范围脱开等典型边坡滑移表象。在采取临时坡脚支撑措施后，立即开展了详勘，分析滑动发生的原因，并采用条分法对比分析了坡体被动区加固和坡脚抗滑桩加固的不同技术方案，提出了工程应用的建议，指导滑动填方边坡的科学治理，保证电网安全。
2 工程概况
2.1 工程及其失稳概况
2019年春季后，福建沿海某500kV变电站在场地东南侧的高8m、坡率为1∶1.5的单级填方边坡的局部段发生了坡顶片石护面结构层长条形开裂、坡底排水沟侧壁发生大量倾斜等滑坡发生的变形征兆(图1)，在进入雨季后可能有加剧发展趋势，需要开展专项治理。
图1 填方边坡变形后的现场情况
为了进一步观测边坡的动态变化过程，在坡顶开裂处撒白灰观测后续的变形发展趋势；为了适当提升坡脚的抗滑力，在坡脚排洪沟内采用密排木杆对称。
2.2 工程地质条件
由于填方边坡竣工已超过20年，填方土体受自重固结、降水等影响，较竣工时，其土体的物理力学参数已经发生了变化，为了精确分析边坡变形发生的影响因素及加固后的稳定性，对边坡工程展开了详勘。
根据现场的剖面布置，一共钻11个孔，形成了8个地质剖面，其中最典型的8-8剖面如图2所示。
图2 典型地质剖面图(8-8剖面)
详勘得到的典型地质参数如表1所示。填方坡体下方存在②淤泥质土层和④泥质中细砂层。
表1 边坡范围内土体的物理力学参数
3 边坡失稳原因分析
根据原设计方案，该区域填方边坡高H≤3m时，坡率为1∶1；填方高3.0m
对于排水沟沟底遇到淤泥质土的部分，在基底抛填1.0m的大块石挤淤，以满足排水沟作为坡脚护脚的稳定性要求。填方边坡坡面则采用了250mm厚的片石护面。
对于填方边坡而言，边坡整体稳定性取决于填土的质量，在施工时要求分层碾压的压实系数不低于0.94，压实后土体的物理力学指标可以满足整体稳定要求。
随着边坡建成投产，运行期间坡面的片石、浆砌排洪沟、坡体的排水系统等都需要直接接受风吹日晒，而排水盲沟也会遇到无纺布材质劣化等因素导致的盲沟堵塞等问题，边坡的稳定发生了一定变化：
①填方土体与原状土间的排水盲沟因过滤的无纺布等破坏发生堵塞，导致积水无法外排，坡体内的孔隙水位上升。
②填方边坡坡面的护面片石勾缝砂浆在长期日晒作用下发生了破坏，大量的缝隙使得雨水极易渗入到坡体内。
③坡面的排水管外露部分受日晒的作用，材料劣化，同时透水管的坡体内段也可能堵塞，最终造成坡面的排水系统失效，使得坡体内的排水系统最终失效。由于场地采用了挖填自平衡的方案，在站区高的一侧的地面水最终都通过站区的场地，积到填方区，使得填方区域的土体自重增大，土体的抗剪强度指标下降。
④坡脚的排洪沟砂浆强度为M5，同样在长期的日晒和排水侵蚀作用下，砂浆开裂剥落，虽然面层有进行了修补，但内部砂浆的强度劣化，影响了片石间的粘结，最终在边坡推力的作用下发生了变形。
图3 坡脚排水沟大样图
4 治理方案分析
由于边坡变形的主要原因包括了排水系统的失效和排洪沟浆砌片石的劣化，故治理方案需要包含两大部分，即稳定性的提升和排水系统的改造。
4.1 稳定分析方法及荷载条件
边坡整体稳定采用岩土工程软件Geoslope分析。土质边坡采用简化毕肖普法计算。
现状坡面设置了250mm厚度片石护面，等效于对于土质边坡坡面施加了垂直方向的均布荷载，荷载的大小为p=20.8×0.25=5.2kN/m2。
由于坡顶有围墙、餐厅等建筑物，且围墙内外可能存在巡检人员等荷载，故取均布荷载为q=10.0kN/m3。
图4为自然工况下边坡稳定分析的结果，由图4可见，由于填方边坡土体物理力学参数的变化，使得最危险的滑动面为边坡绕过坡脚的排洪沟底部发生了整体失稳，现状的安全系数为1.076，不满足安全要求。即在本次发生的边坡坡脚的位移和坡顶护面开裂之外，边坡整体的稳定性也存在不足。
图4 变电站边坡整体稳定分析(自然状态)
根据该变电站的运行条件和实际的施工场地条件，可采用坡脚排桩加固或坡体内部土体局部注浆加固的方式，提升被动区土体力学参数的方案。
4.2 坡脚排桩加固稳定分析
拟在坡底设置抗滑桩，桩径 0.8m、桩间距 1.4m，根据淤泥层厚度的不同，灌注桩桩长为 8.5～10.0m，桩顶设置 0.6m高、0.8m宽的冠梁，在排洪沟拆除与恢复期间，兼作为坡体外侧基槽的挡土结构。
在Geoslope中，灌注桩采用加固荷载里的桩单元进行模拟分析，桩的深度按实际设计深度确定，由于采用了平面应变单元，灌注桩的宽度采用等效刚度确定，计算结果如下：
(1)
桩顶模拟主要参数如下：①长度 8.5m～10.0m之间，方向为竖直向下；②桩体抗剪强度2200kN/m；③剪切安全系数 0.8；④桩间距 1.4m；⑤应用剪切的类型为平行滑移。
稳定分析时，选择最不利的工况，主要包含了两种工况：即灌注桩施工完成后、排洪沟拆除但未恢复的阶段；排洪沟施工完成后、坡面片石护面也施工完成后。
图5为稳定分析的结果，设置抗滑桩后，坡体最危险的滑动面形状发生改变。滑动面的下部均位于坡脚排桩内侧，且安全系数得到了大幅提升，达到了1.315，满足二级边坡1.30的安全系数要求。对该加固方案进一步分析后，在地震工况下的安全系数也达到了1.179，满足二级边坡1.10的安全要求。
图5 坡脚设置抗滑桩的稳定分析结果(自然工况)
4.3 坡体被动区加固稳定性分析
考虑到本次滑动边坡存在软弱下卧层，同时填土方边坡的土体物理力学指标较低，通过地基处理的方式，系统提高边坡软弱下卧层及填方土体的物理力学指标，可以提高边坡的稳定性。
具体做法为：采用排距、列距都为4.0m的高压旋喷桩，旋喷桩桩径为600mm，采用梅花形布置，桩长8.0m，即进入到残积土层或者强风化岩层 2.0m以上。
加固方案的主要技术参数如下：
①采用旋喷桩加固，旋喷桩的直径为600mm，布置间距为4.0m，梅花形布置，桩长度为8.0m。
②加固后的地基土的土体物理力学指标采用等代内摩擦角提高的方式计算，加固区域的指标统一提高至c=15kPa、φ=15°。
③仍然进行自然工况和地震工况的稳定性分析。
图6为稳定分析的结果，在坡体的被动区设置旋喷桩加固区域提高土体的物理力学参数后，坡体最危险的滑动面形状与未设置加固土体的类似(如图4所示)，但安全系数得到了大幅度提升，自然工况下达到了1.443，在地震工况下的安全系数也达到了1.298，满足二级边坡的安全要求。
图6 加固抗滑区域地基土的边坡整体稳定(自然状态)
4.4 排水系统的改造提升
从边坡失稳的现场调查和边坡失稳机理分析都可得知，边坡加固时需要对边坡的排水系统进行改造提升。主要包括：①排查清理盲沟的状态，对于具备条件的排水盲沟进行通排，保证畅通；②重新在坡面往坡体内打入软式透水管；③拆除并恢复坡脚的排洪沟。
4.5 加固方案对比分析
根据前文分析，采用坡脚排桩和坡体被动区加固的方案都可以满足边坡整体稳定的安全系数提升要求，但需结合排水系统的改造、施工对变电站运行的影响、风险控制、工程投资等方面进行综合分析，对比详见表2。
经技术经济比选，最终采用坡脚排桩方案，在施工过程中，将边坡的加固和排水系统的改造施工对变电站围墙内设施、坡顶围墙和站外场平范围内的用地影响都降到了最低。
表2 不同加固方案的技术经济对比分析
为了进一步降低施工过程的风险，排桩采用跳打的施工方案。在排桩、冠梁施工完成后，拆除并用M10的砂浆重新砌筑外侧的排洪沟。竣工后的边坡现场情况如图7所示。
图7 竣工后的边坡
5 结论
已竣工投产20余年的福建山区某500kV变电站填方边坡出现了坡顶贯通长裂缝开裂、坡脚护脚发生了较大侧向倾斜变形的现象。为此，在现场调查分析的基础上，结合详勘数据，分析了边坡变形的机理，并对不同的加固方案进行了对比分析，得出主要结论如下。
①在降雨量充沛的沿海山区，排水系统失效是填方边坡在运行期间整体稳定性影响最大、最不利的因素，在日常巡检时，除了裂缝、变形之外，尤其要注意对排水系统状态进行排查。
②坡脚设置的大截面排洪沟在一定程度上降低了边坡的安全性，当护脚提供的强度或刚度不足时，会造成边坡的整体滑移，在设计时需要进行护脚的稳定性和强度的验算。
③对已发生滑动填方边坡，其治理可采用在被动区土体进行注浆加固的方案，也可以在坡脚设置抗滑灌注桩或者较大刚度的挡土墙，来系统提高填方边坡的整体稳定性。
④从技术经济综合比较，在滑动区边坡的坡脚设置抗滑桩对边坡现状的扰动较小、对坡顶建(构)筑物影响最小，是相关工程的优选方案。
