水下邊坡變形分析及加固設(shè)計

王海建，馬曉攀

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣州 510610)

常規(guī)工程邊坡的變形或破壞，容易被目視觀測到，并通過外觀變形特點及適當(dāng)?shù)目辈焓侄危袛嗥渥冃卧虿⒆鞒鲠槍π缘募庸烫幚?。但對于水利水電工程中處于水下的邊坡，無法通過岸上直接觀察到的變形，來推斷變形原因，此時還必須通過水下檢測去進(jìn)一步摸查。目前常用的水下檢測方法，除了潛水員目視檢查外，已發(fā)展出一些先進(jìn)的檢測手段，如水下攝像監(jiān)視機、水下電位測量技術(shù)、水下超聲波檢測技術(shù)、水下機器人檢測等新的技術(shù)手段[1-6]，使建筑物水下部位的摸查更為便利，為加固處理提供依據(jù)。另一方面，水下邊坡的加固處理也比岸上邊坡復(fù)雜和困難，如施工條件差、受水位變動干擾大等，因此，水下邊坡工程的檢測和加固處理需特別謹(jǐn)慎。

1 工程概況

某徑流式電站位于重慶市，其尾水渠邊坡分兩段，其中尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)邊坡最高約為30 m，共分為3級，224.0 m高程以下為半重力式擋土墻，墻頂上部為斜坡，分為2級，坡度為1∶1.5～1∶2.0，馬道高程為234.0 m(見圖1)；尾水渠下游護(hù)坦段(0+117.49～0+142.51)邊坡最高約為20 m，斜坡式，分為2級，坡度為1∶1.5～1∶2.0，坡底高程為224.0 m(見圖2)。邊坡原設(shè)計均采用C20鋼筋混凝土護(hù)坡，設(shè)排水孔及反濾土工布。

圖1 尾水渠斜坡段邊坡示意(單位：m)

圖2 尾水渠護(hù)坦段邊坡示意(單位：m)

電站于2016年投入運行，運行情況良好，尾水渠左岸邊坡運行無異?，F(xiàn)象。在2018年7月份壩址發(fā)生暴雨及大洪水(“7.12”洪水)，部分邊坡及234.0 m高程馬道出現(xiàn)變形，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)邊坡排水孔完全堵塞失效。考慮到電站處于運行發(fā)電高峰期，流量較大，尾水位一直保持在230 m高程附近，為安全考慮，僅對水上部位采取臨時封閉縫隙及疏通邊坡排水孔等緊急措施，汛期過后邊坡暫時穩(wěn)定。鑒于該邊坡緊靠機組尾水出口，一旦滑塌將嚴(yán)重影響機組運行安全，因此，需進(jìn)一步查清水下變形情況，研究加固修復(fù)措施，保證電站下一個汛期的運行安全及發(fā)電效益。

2 邊坡變形原因研究

2.1 水下摸查情況

2019年1月枯水期電站尾水位約為228 m，現(xiàn)場組織潛水員采用水下攝像機對水下邊坡及坡腳擋墻部位進(jìn)行了水下攝影及測量。根據(jù)摸查情況，尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)邊坡，234.0 m高程以上邊坡未有明顯變形，234.0 m高程馬道與下部邊坡的變形縫開裂約5～10 cm，234.0 m高程馬道變形較大，變形縫開裂約5～10 cm，邊坡護(hù)坡面板下部已淘刷形成空腔，但基礎(chǔ)擋墻基本未發(fā)生變形，且該范圍邊坡坡腳與224.0 m高程基礎(chǔ)擋墻相接處224.0 m高程也未發(fā)現(xiàn)較大變形，說明該部分邊坡基礎(chǔ)的擋墻是穩(wěn)定的，因上部馬道與邊坡分縫變形錯開，導(dǎo)致滲水淘刷下部形成空隙。而尾水渠下游護(hù)坦段(0+117.49～0+142.51)邊坡，水上部分及馬道變形約1～2 cm，邊坡整體情況暫時穩(wěn)定，234.0 m高程馬道未有明顯變形，但234.0 m高程以下的邊坡，發(fā)生坡腳變形較大，有張開約10～20 cm現(xiàn)象，為本次水下檢查發(fā)現(xiàn)的新狀況(見圖3)。說明該部位在今年“7.12”洪水影響下，邊坡土體被淘刷帶走，引起坡腳發(fā)生變形，危及整個邊坡的安全。即兩段邊坡的結(jié)構(gòu)不同，其水下部分與水上部分也呈現(xiàn)不同的變形(分布情況見圖4)。

圖3 邊坡水下檢查影像示意

圖4 邊坡變形分部范圍示意

2.2 邊坡穩(wěn)定復(fù)核

電站自投入運行至“7.12”洪水期間，尾水渠左岸邊坡已運行2 a多，未出現(xiàn)明顯變形。因此，立足邊坡實際運行情況，重點復(fù)核尾水渠左岸邊坡在暴雨后地下水位較高、邊坡排水失效、同時遭遇水位驟降工況下的整體穩(wěn)定。

1) 斷面選取

分別針對兩段邊坡各取1個典型斷面進(jìn)行復(fù)核。

① 選取尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)最高邊坡，計算模型示意見圖5。

圖5 典型斷面1計算模型示意

② 選取尾水渠下游護(hù)坦段(0+117.49～0+142.51)水下坡腳變形較大處的0+120斷面，計算模型示意見圖6。

圖6 典型斷面2計算模型示意

2) 計算工況

① 邊坡排水完全失效，極端工況下尾水位迅速降落至230.0 m，坡內(nèi)水位取洪水位238.5 m(坡頂?shù)孛娓叱碳s240.0 m，取比地面低約1.5 m)。

② 邊坡排水不及時，尾水位降落至正常水位230.0 m，坡內(nèi)水位取234.5 m(略高于馬道)。

③ 計算參數(shù)

根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》(SL 386—2007)，本工程邊坡的級別為4級，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合(正常運用)為1.15～1.1，特殊組合(非常運用)為1.1～1.05。

根據(jù)前期地勘成果，邊坡土體上層為砂卵礫石土，滲透系數(shù)約為1×10-5m/s，邊坡穩(wěn)定分析時原狀土取綜合內(nèi)摩擦角為35°，擋土墻后開挖回填的砂卵礫石土取30°。擋土墻基礎(chǔ)為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、粉細(xì)砂巖等?？紤]到墻底基礎(chǔ)巖土層變化不均，為安全計，地基均按照土層參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。

④ 計算方法：采用瑞典圓弧法，利用有限元分析軟件進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。

⑤ 計算結(jié)果：穩(wěn)定計算結(jié)果見表1，各工況計算結(jié)果依次如圖7～圖12所示。

表1 尾水邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

圖7 斷面1工況1上部坡面

圖8 斷面1工況1墻底滑面

圖9 斷面1工況2上部坡面

圖10 斷面1工況2墻底滑面

圖11 斷面2工況1

圖12 斷面2工況2

2.3 變形原因分析

1) 結(jié)合施工過程情況，尾水渠斜坡段擋墻后為開挖回填區(qū)，回填土壓實不足，土體長期固結(jié)后本身發(fā)生一部分沉降變形，發(fā)展到一定程度后面板出現(xiàn)縫隙。而邊坡排水措施現(xiàn)場檢查幾乎全部失效堵塞，持續(xù)暴雨后邊坡內(nèi)土體飽和后抗剪強度降低，邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低，在洪水期進(jìn)一步淘刷，導(dǎo)致邊坡混凝土面板變形進(jìn)一步發(fā)展。

2) 數(shù)值模擬計算結(jié)果表明，尾水渠左側(cè)邊坡在水位驟降工況時，若邊坡土體內(nèi)水位不高于234.5 m，擋墻與邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但當(dāng)遭遇暴雨坡內(nèi)土體水位高于234.5 m、排水失效、水位驟降時，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求，最危險滑面均發(fā)生在224.0～234.0 m范圍內(nèi)邊坡，該高程為洪水期水位變動沖刷影響范圍，這與現(xiàn)場情況基本一致。總體來說，上部邊坡尤其是234.0 m馬道以下邊坡在暴雨后地下水位較高、邊坡體排水失效、同時遭遇水位驟降，這種極端工況下容易發(fā)生失穩(wěn)變形現(xiàn)象。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬分析成果，邊坡最大承受4.5～5 m左右的水頭差(即水位234.5→230 m)，該條件下邊坡穩(wěn)定安全，超出該數(shù)值則易發(fā)生失穩(wěn)。因此，加強邊坡排水，洪水期邊坡內(nèi)水迅速排出是十分重要的?！?.12”洪水退水期間，因現(xiàn)場發(fā)生暴雨，邊坡排水管失效，坡內(nèi)水位過高，同時填土發(fā)生沉降，導(dǎo)致邊坡沉陷、變形。計算結(jié)果基本與現(xiàn)場實際情況一致。

3 邊坡加固處理設(shè)計

根據(jù)上述分析，電站尾水渠邊坡變形原因主要有兩個：①邊坡內(nèi)回填土體壓實度不足，經(jīng)長期固結(jié)密實后產(chǎn)生局部沉降，導(dǎo)致邊坡局部變形；②暴雨導(dǎo)致邊坡地下水位較高、同時遭遇洪水驟降情況，此時邊坡排水不暢、內(nèi)外側(cè)水位差較大。因此，加強邊坡排水、降低地下水位十分關(guān)鍵。另外，邊坡混凝土面板下局部開裂已形成空腔，需對開裂部位及空腔進(jìn)行修補，同時對邊坡進(jìn)行加固支護(hù)。

本工程邊坡變形部位大部分位于水下，目前對水下結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)已有較多技術(shù)，如水下不分散混凝土加固技術(shù)，水下膜袋混凝土護(hù)坡技術(shù)，以及水下灌注環(huán)氧粘結(jié)劑等對缺陷進(jìn)行修補，或利用石籠沙袋等形成臨時圍堰對護(hù)坡進(jìn)行修復(fù)[2-12]。

結(jié)合變形原因、邊坡運行情況、施工條件、投資等因素，初擬了膜袋混凝土密封坡面加錨筋樁方案、圍堰干地施工方案、水下打樁護(hù)腳方案等3個方案進(jìn)行綜合比較。干地施工方案對電站影響較大，且投資較大，水下打樁護(hù)腳方案需租用大型船只用作水上打樁平臺，而下游因其他工程影響了航道，船只進(jìn)出難度較大。經(jīng)研究分析，采用水下膜袋混凝土加岸上錨筋樁方案便于施工，且可以分期實施，最終推薦采用該方案。具體分期實施設(shè)計如下。

3.1 尾水渠下游護(hù)坦段邊坡(0+117.49～0+142.51)

鑒于現(xiàn)場施工條件較差，汛期即將到來，而膜袋混凝土澆筑工期較長，因此，該段邊坡分期加固處理，先開展一期應(yīng)急處理，避免汛期影響邊坡安全，后續(xù)有條件再施工膜袋混凝土。

1) 一期應(yīng)急處理措施

① 首先在水下對坡腳及坡面縫隙采用玻纖棉填縫+水玻璃密封，同時表面采用鉆孔+安裝膨脹螺絲+鋪設(shè)橡膠止水帶+鋪設(shè)熱鍍鋅鋼板+固定螺絲+水玻璃密封(見圖13)。該項工作全部在水下完成。

圖13 縫隙封堵做法大樣示意

② 密封完成后，對于坡面脫空區(qū)采用填充砂漿處理，注漿孔結(jié)合現(xiàn)場脫空區(qū)進(jìn)行布置，同一區(qū)域孔間距采用2.5 m，注漿施工時需密切注意壓力變化情況，當(dāng)壓力超過0.1 MPa時，待砂漿凝固后可檢查坡腳下部填充情況，若已密實則注漿施工完成，若仍有空隙則需調(diào)整注漿孔位置繼續(xù)注漿。

③ 施工過程中密切注意邊坡縫隙及坡腳是否有漿液滲出情況，注漿壓力需緩慢增加，避免破壞邊坡面板。

④ 恢復(fù)邊坡排水孔，成孔時采用套管，埋入PVC排水花管，管身包裹2層土工布。

2) 二期永久處理措施

針對坡面張開的情況采用膜袋混凝土保護(hù)坡面及坡腳，坡面上打錨筋樁固坡。施工順序：膜袋混凝土→錨筋樁→坡面脫空區(qū)填充砂漿→坡面排水孔。坡面膜袋混凝土厚為0.3 m，向坡腳外延伸2 m寬。錨筋樁鉆孔直徑為110 mm，末端穿透滑弧，間距為2 m，排距為 4 m，套管采用鋼花管，管壁上設(shè)置注漿孔。坡面脫空區(qū)填充砂漿，填充孔距結(jié)合現(xiàn)場脫空區(qū)進(jìn)行布置。坡面排水孔采用φ80PVC排水花管。坡面加固設(shè)計方案見圖14～圖15。

圖14 邊坡加固設(shè)計斷面(水平段)示意

圖15 邊坡加固設(shè)計斷面(擋墻段)示意

3.2 尾水渠斜坡段邊坡(0+059.65～0+117.49)

該部位采用恢復(fù)坡面排水管、加設(shè)錨筋樁及邊坡錨桿等措施進(jìn)行處理，錨桿采用φ25全長粘結(jié)型砂漿錨桿，間排距為2 m。對于變形過大的空隙缺口，密封處理措施與尾水渠下游護(hù)坦段一致?？紤]到邊坡變形特點，該段錨筋樁布置在馬道。具體參數(shù)與尾水渠下游護(hù)坦段一致。

3.3 加固方案穩(wěn)定復(fù)核

對加固處理的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，結(jié)果表明，邊坡在擬定的最極端暴雨工況下，穩(wěn)定系數(shù)均有明顯提升(見圖16、圖17)，滿足規(guī)范要求，說明所采用的加固措施是合適的。但是極端情況下的安全系數(shù)裕度不是很大，必須要加強邊坡排水管維護(hù)，使邊坡排水通暢，運行在更加安全的工況下。

圖16 加固后安全系數(shù)1.18(水平段極端工況)

圖17 加固后安全系數(shù)1.10(擋墻段極端工況)

3.4 加固后運行情況

邊坡加固選擇在當(dāng)年枯水期進(jìn)行，實施過程中不影響電站運行。加固后，2019年汛期未出現(xiàn)異常變形，邊坡基本穩(wěn)固，加固效果滿足要求。

4 結(jié)語

1) 該電站尾水渠邊坡下部常年位于水下，接近1#機組尾水出口，一旦滑塌破壞對電站運行安全影響較大，不能簡單的通過岸上觀察就下結(jié)論，而忽視水下變形可能與岸上觀察的不一致，造成加固方案與實際情況不匹配，必須謹(jǐn)慎處理。

2) 通過水下摸查和量測變形程度和范圍，同時建立邊坡模型對其特殊運行工況進(jìn)行模擬，分析邊坡飽和土體在不同初始水位驟降的工況，得出邊坡可以承受的最大水位差。確定強降水條件下，邊坡土體飽和，而邊坡排水失效，是邊坡變形的主要原因。

3) 針對不同區(qū)域的變形情況進(jìn)行加固處理，同時考慮到不能影響電站發(fā)電運行的要求，結(jié)合實施條件進(jìn)行方案比較，最終采用水下膜袋混凝土、水上邊坡錨筋樁以及充填灌漿、加強排水等綜合措施，取得了較好的效果。自處理后截止目前已安全運行2 a多，情況良好。