新松換流站高邊坡分析與設計

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610041)

換流站土建設計與施工過程中高邊坡逐漸成為一個不可避免的問題。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，可選作站址的地區往往地勢起伏起大，場平后多會形成高邊坡。高邊坡的設計受地質條件，地震動條件，用地條件等的限制，其復雜程度明顯區別于低邊坡的設計，是換流站土建設計的重點與難點之一。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，本文對新松換流站高挖、填方邊坡的設計與分析進行一定探討，為類似工程提供一定的參考。

1 工程地質條件

站址所在地為場地地貌屬構造剝蝕低中山山地，原始地面相對高差在40～80 m之間。換流站圍墻內占地約380×500 m場平后將形成最高44 m的挖方邊坡與最高30 m的填方邊坡(圖1)。根據《建筑工程邊坡規范》挖填方邊坡均屬于一級邊坡。

圖1 邊坡平面布置圖

場地土層主要為表層②1、②2粘性土層，下伏泥巖層。根據地勘資料，各層巖土參數設計值見表1。

表1 巖土參數設計值

挖方邊坡開挖后巖層(圖2)主要為④層全風化至中風化泥巖，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，其抗剪強度很差，對高填方邊坡的穩定性有極為不利的作用(圖3)。填方邊坡填料主要來自于站區所挖土石方以及外摻碎石。

根據地震安評報告，換流站站址位于8度(0.26 g)抗震設防區，綜合水平地震系數取0.075，地震作用較大。

圖2 挖方區1-1地質剖面圖

圖3 填方區2-2地質剖面圖

2 挖方邊坡分析與設計

站址區域構造作用強烈，受構造作用影響，場地內巖層扭轉及褶曲、小斷層、X節理多見，擠壓、揉皺現象明顯，基巖產狀變化大，產狀為265°～5°∠10°～71°。挖方邊坡區域共發育四組優勢層面，傾向西－西北－北向，傾角較大，挖方邊坡區域主要為反向或切向巖質邊坡，局部地段為土質邊坡。

針對可能出現潛在滑動的特定結構面組合形成的楔形塊體，根據地勘資料，進行穩定性分析，計算參數見表2。典型剖面分析結果見表3。

表2 挖方邊坡計算參數

表3 挖方邊坡穩定系數

4－4剖面為堆積體處的土質挖方邊坡，在地震工況下安全系數小于1.15，實際放坡比采用1∶1.75。其余地段按1∶1.5放坡，邊坡整體穩定性較好。

由于挖方高度較大，巖質較軟，巖層節理裂隙發育，局部可能形成傾向坡外的軟弱結構面或者多組節理組合形成不穩定塊體而崩落，坡面采用框架錨桿梁護面，保證坡面局部穩定性。框架梁間隔尺寸為3×3 m，錨桿長3 m，遇局部深層破碎帶時適當增加錨桿長度。框架間采用植草綠化封閉，避免泥巖迅速風化，坡腳設排水設施，見圖4。

圖4 挖方1－1剖面設計

3 填方邊坡分析與設計

3.1 邊坡支擋方案分析

站區最高填方邊坡高約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(見圖3)。原始土體抗剪強度低、地震烈度大等因素均對邊坡穩定性產生不利影響，邊坡的支擋方案尤為重要。

若考慮對邊坡直接采用坡率法處理，邊坡安全穩定系數見表4。由于邊坡最危險滑裂面穿過②2層(圖5(a))，阻滑段所能提供的阻力小，邊坡穩定性差。因此，單純通過坡率法難以保證邊坡穩定性，且最不利滑裂面在邊坡深層，不利于使用筋帶加固處理，需要進行支擋措施的設計。

表4 自然放坡情況下2－2剖面穩定系數

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的現澆鋼筋混凝土方樁進行邊坡支護，見圖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定系數明顯增高(表5)。采用抗滑樁進行支擋后原始危險滑裂面被截斷，坡面的最危險滑面向更深層的位置移動，深層滑裂面處自重應力增加(圖6)其產生的阻滑力相應增加，穩定安全系數明顯提高。

圖5 高填方邊坡支擋方案

圖6 滑動面底部正應力隨距剪出口距離變化關系

采用方案b時滑面剪出口位于抗滑樁頂部，在地震工況下穩定安全系數小于限值，仍有躍頂剪出的風險。為進一步增加邊坡阻滑能力，增加抗滑樁出露地面懸臂段的長度，最后一級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定性均能滿足要求，見表5。為防止填土從樁間擠出，樁間設計擋土板。

表5 各方案高填方邊坡穩定系數

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后，各滑動面處的剩余下滑力可通過傳遞系數法計算，剪出口的剩余下滑力即為滑坡推力，見圖7。

圖7 傳遞系數法簡圖

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，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(kN/m)。

根據上述原則，高填土邊坡各工況下計算所得剩余下滑力見圖8。

圖8 剩余下滑力隨距剪出口距離變化關系

若不考慮安全系數對剩余下滑力的調整，普通工況邊坡剩余下滑力明顯小于其它兩種工況。根據安全系數限值調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。

根據所得的滑坡推力及抗滑樁計算模型，并假定樁端約束條件、地基系數，可計算樁身各截面內力見圖9，參數選取見表6。

表6 抗滑樁設計參數

3.3 邊坡填土方案

邊坡的填土質量是關系邊坡安全性的又一關鍵因素，可用的填土方案可分為強夯方案與碾壓方案見圖10。其中強夯法對填土的壓實效果好，加固深度深，但震動較大，不宜用于靠近坡面的地方(本工程站區內大面積填土采用強夯方案，能級6000 kN·m)。考慮施工的便利性與填土質量的可控性，本工程采用碾壓邊坡。碾壓邊坡與站內強夯土之間采用低能級搭接夯(能級 2000 kN ·m)。

圖10 邊坡填土方案

低層強夯與搭接夯區深入坡體一定距離能消除一部分原始土層的變形。碾壓過程中通過控制分層填土厚度、土體含水最、碎石參量、壓實系數等因素來控制填土質量設計參數見表7。

表7 邊坡填土設計參數

4 邊坡變形監測

對于本工程這種地質條件復雜的高邊坡，在施工及后續工程中進行變形監測，分析邊坡各處的變形趨勢對評價邊坡的穩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點位置見圖1，水平位移監測結果見圖10。

圖10 典型測點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，穩定性較好。(2)填方邊坡位移及變形速率相對較大。在邊坡竣工后150天左右時變形速率明顯減小，變形量趨于穩定。(3)邊坡竣工一年后，邊坡的變形量及變形速率均未超過計算值與規范限值，且變形呈收斂趨勢。

5 結論與建議

結合新松換流站的高邊坡分析與設計，本文可得出如下結論及建議：

(1)挖方區巖質邊坡穩定性較好，可采用坡率法處理。坡率的確定應考慮巖層構造、邊坡整體穩定性等因素。

(2)對于開挖后易風化、軟化的泥巖邊坡，應及時采取有效的護面措施，保證坡面的局部穩定性。

(3)填方區高邊坡在自然放坡不能穩定時可考慮加筋、設支擋結構等措施治理。在治理本工程中這類潛在深層滑動邊坡時，抗滑樁因其布置靈活、支擋能力強等優點而有較大的優勢。

(4)邊坡填筑時與應站內強夯有效結合，利用強夯壓實能力強的特點處理邊坡底部，有利于減小后期沉降，提高坡體穩定性。邊坡施工參數對其穩定性同樣有至關重要的作用，應合理選擇相關參數。

(5)對于高邊坡，通過變形觀測可分析邊坡的位移趨勢進而判斷其穩定性。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，邊坡穩定性較好。