新松換流站高邊坡分析與設(shè)計(jì)

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610041)

換流站土建設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中高邊坡逐漸成為一個(gè)不可避免的問(wèn)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(shì)起伏起大，場(chǎng)平后多會(huì)形成高邊坡。高邊坡的設(shè)計(jì)受地質(zhì)條件，地震動(dòng)條件，用地條件等的限制，其復(fù)雜程度明顯區(qū)別于低邊坡的設(shè)計(jì)，是換流站土建設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)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(duì)新松換流站高挖、填方邊坡的設(shè)計(jì)與分析進(jìn)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(chǎng)地地貌屬構(gòu)造剝蝕低中山山地，原始地面相對(duì)高差在40～80 m之間。換流站圍墻內(nèi)占地約380×500 m場(chǎng)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(jí)邊坡。

圖1 邊坡平面布置圖

場(chǎng)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(jì)值見(jiàn)表1。

表1 巖土參數(shù)設(shè)計(jì)值

挖方邊坡開(kāi)挖后巖層(圖2)主要為④層全風(fēng)化至中風(fēng)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(qiáng)度很差，對(duì)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(lái)自于站區(qū)所挖土石方以及外摻碎石。

根據(jù)地震安評(píng)報(bào)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(jì)

站址區(qū)域構(gòu)造作用強(qiáng)烈，受構(gòu)造作用影響，場(chǎng)地內(nèi)巖層扭轉(zhuǎn)及褶曲、小斷層、X節(jié)理多見(jiàn)，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(shì)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(duì)可能出現(xiàn)潛在滑動(dòng)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(jìn)行穩(wěn)定性分析，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。典型剖面分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 挖方邊坡計(jì)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(shí)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(hù)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(zhǎng)3 m，遇局部深層破碎帶時(shí)適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度?？蚣荛g采用植草綠化封閉，避免泥巖迅速風(fēng)化，坡腳設(shè)排水設(shè)施，見(jiàn)圖4。

圖4 挖方1－1剖面設(shè)計(jì)

3 填方邊坡分析與設(shè)計(jì)

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(jiàn)圖3)。原始土體抗剪強(qiáng)度低、地震烈度大等因素均對(duì)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(duì)邊坡直接采用坡率法處理，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表4。由于邊坡最危險(xiǎn)滑裂面穿過(guò)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(guò)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(jìn)行支擋措施的設(shè)計(jì)。

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(qiáng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土方樁進(jìn)行邊坡支護(hù)，見(jiàn)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(jìn)行支擋后原始危險(xiǎn)滑裂面被截?cái)?，坡面的最危險(xiǎn)滑面向更深層的位置移動(dòng)，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(dòng)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步增加邊坡阻滑能力，增加抗滑樁出露地面懸臂段的長(zhǎng)度，最后一級(jí)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(jiàn)表5。為防止填土從樁間擠出，樁間設(shè)計(jì)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(dòng)面處的剩余下滑力可通過(guò)傳遞系數(shù)法計(jì)算，剪出口的剩余下滑力即為滑坡推力，見(jiàn)圖7。

圖7 傳遞系數(shù)法簡(jiǎn)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(jì)算所得剩余下滑力見(jiàn)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(duì)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(jì)算模型，并假定樁端約束條件、地基系數(shù)，可計(jì)算樁身各截面內(nèi)力見(jiàn)圖9，參數(shù)選取見(jiàn)表6。

表6 抗滑樁設(shè)計(jì)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(qiáng)夯方案與碾壓方案見(jiàn)圖10。其中強(qiáng)夯法對(duì)填土的壓實(shí)效果好，加固深度深，但震動(dòng)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(qiáng)夯方案，能級(jí)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(qiáng)夯土之間采用低能級(jí)搭接夯(能級(jí) 2000 kN ·m)。

圖10 邊坡填土方案

低層強(qiáng)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(guò)程中通過(guò)控制分層填土厚度、土體含水最、碎石參量、壓實(shí)系數(shù)等因素來(lái)控制填土質(zhì)量設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 邊坡填土設(shè)計(jì)參數(shù)

4 邊坡變形監(jiān)測(cè)

對(duì)于本工程這種地質(zhì)條件復(fù)雜的高邊坡，在施工及后續(xù)工程中進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，分析邊坡各處的變形趨勢(shì)對(duì)評(píng)價(jià)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(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1，水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 典型測(cè)點(diǎn)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(duì)較大。在邊坡竣工后150天左右時(shí)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(guò)計(jì)算值與規(guī)范限值，且變形呈收斂趨勢(shì)。

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(jì)，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(duì)于開(kāi)挖后易風(fēng)化、軟化的泥巖邊坡，應(yīng)及時(shí)采取有效的護(hù)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(shí)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(dòng)邊坡時(shí)，抗滑樁因其布置靈活、支擋能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而有較大的優(yōu)勢(shì)。

(4)邊坡填筑時(shí)與應(yīng)站內(nèi)強(qiáng)夯有效結(jié)合，利用強(qiáng)夯壓實(shí)能力強(qiáng)的特點(diǎn)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(duì)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(duì)于高邊坡，通過(guò)變形觀測(cè)可分析邊坡的位移趨勢(shì)進(jìn)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。