水下邊坡變形分析及加固設計

王海建，馬曉攀

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

常規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的勘察手段，判斷其變形原因并作出針對性的加固處理。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，已發展出一些先進的檢測手段，如水下攝像監視機、水下電位測量技術、水下超聲波檢測技術、水下機器人檢測等新的技術手段[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。另一方面，水下邊坡的加固處理也比岸上邊坡復雜和困難，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)。邊坡原設計均采用C20鋼筋混凝土護坡，設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常現象。在2018年7月份壩址發生暴雨及大洪水(“7.12”洪水)，部分邊坡及234.0 m高程馬道出現變形，現場檢查發現邊坡排水孔完全堵塞失效。考慮到電站處于運行發電高峰期，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定。鑒于該邊坡緊靠機組尾水出口，一旦滑塌將嚴重影響機組運行安全，因此，需進一步查清水下變形情況，研究加固修復措施，保證電站下一個汛期的運行安全及發電效益。

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行了水下攝影及測量。根據摸查情況，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，邊坡護坡面板下部已淘刷形成空腔，但基礎擋墻基本未發生變形，且該范圍邊坡坡腳與224.0 m高程基礎擋墻相接處224.0 m高程也未發現較大變形，說明該部分邊坡基礎的擋墻是穩定的，因上部馬道與邊坡分縫變形錯開，導致滲水淘刷下部形成空隙。而尾水渠下游護坦段(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，發生坡腳變形較大，有張開約10～20 cm現象，為本次水下檢查發現的新狀況(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，引起坡腳發生變形，危及整個邊坡的安全。即兩段邊坡的結構不同，其水下部分與水上部分也呈現不同的變形(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 邊坡穩定復核

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，未出現明顯變形。因此，立足邊坡實際運行情況，重點復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定。

1) 斷面選取

分別針對兩段邊坡各取1個典型斷面進行復核。

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，坡內水位取洪水位238.5 m(坡頂地面高程約240.0 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，坡內水位取234.5 m(略高于馬道)。

③ 計算參數

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

根據前期地勘成果，邊坡土體上層為砂卵礫石土，滲透系數約為1×10-5m/s，邊坡穩定分析時原狀土取綜合內摩擦角為35°，擋土墻后開挖回填的砂卵礫石土取30°。擋土墻基礎為泥質粉砂巖、粉砂巖、粉細砂巖等。考慮到墻底基礎巖土層變化不均，為安全計，地基均按照土層參數進行復核。

④ 計算方法：采用瑞典圓弧法，利用有限元分析軟件進行抗滑穩定計算。

⑤ 計算結果：穩定計算結果見表1，各工況計算結果依次如圖7～圖12所示。

表1 尾水邊坡穩定計算結果

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) 結合施工過程情況，尾水渠斜坡段擋墻后為開挖回填區，回填土壓實不足，土體長期固結后本身發生一部分沉降變形，發展到一定程度后面板出現縫隙。而邊坡排水措施現場檢查幾乎全部失效堵塞，持續暴雨后邊坡內土體飽和后抗剪強度降低，邊坡抗滑穩定安全系數降低，在洪水期進一步淘刷，導致邊坡混凝土面板變形進一步發展。

2) 數值模擬計算結果表明，尾水渠左側邊坡在水位驟降工況時，若邊坡土體內水位不高于234.5 m，擋墻與邊坡整體穩定安全系數均滿足規范要求。但當遭遇暴雨坡內土體水位高于234.5 m、排水失效、水位驟降時，邊坡穩定安全系數不滿足規范要求，最危險滑面均發生在224.0～234.0 m范圍內邊坡，該高程為洪水期水位變動沖刷影響范圍，這與現場情況基本一致。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生失穩變形現象。

3) 根據數值模擬分析成果，邊坡最大承受4.5～5 m左右的水頭差(即水位234.5→230 m)，該條件下邊坡穩定安全，超出該數值則易發生失穩。因此，加強邊坡排水，洪水期邊坡內水迅速排出是十分重要的。“7.12”洪水退水期間，因現場發生暴雨，邊坡排水管失效，坡內水位過高，同時填土發生沉降，導致邊坡沉陷、變形。計算結果基本與現場實際情況一致。

3 邊坡加固處理設計

根據上述分析，電站尾水渠邊坡變形原因主要有兩個：①邊坡內回填土體壓實度不足，經長期固結密實后產生局部沉降，導致邊坡局部變形；②暴雨導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、內外側水位差較大。因此，加強邊坡排水、降低地下水位十分關鍵。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行修補，同時對邊坡進行加固支護。

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

結合變形原因、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、水下打樁護腳方案等3個方案進行綜合比較。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，船只進出難度較大。經研究分析，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。具體分期實施設計如下。

3.1 尾水渠下游護坦段邊坡(0+117.49～0+142.51)

鑒于現場施工條件較差，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，先開展一期應急處理，避免汛期影響邊坡安全，后續有條件再施工膜袋混凝土。

1) 一期應急處理措施

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+鋪設橡膠止水帶+鋪設熱鍍鋅鋼板+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，對于坡面脫空區采用填充砂漿處理，注漿孔結合現場脫空區進行布置，同一區域孔間距采用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，若仍有空隙則需調整注漿孔位置繼續注漿。

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，管壁上設置注漿孔。坡面脫空區填充砂漿，填充孔距結合現場脫空區進行布置。坡面排水孔采用φ80PVC排水花管。坡面加固設計方案見圖14～圖15。

圖14 邊坡加固設計斷面(水平段)示意

圖15 邊坡加固設計斷面(擋墻段)示意

3.2 尾水渠斜坡段邊坡(0+059.65～0+117.49)

該部位采用恢復坡面排水管、加設錨筋樁及邊坡錨桿等措施進行處理，錨桿采用φ25全長粘結型砂漿錨桿，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坦段一致。考慮到邊坡變形特點，該段錨筋樁布置在馬道。具體參數與尾水渠下游護坦段一致。

3.3 加固方案穩定復核

對加固處理的邊坡進行穩定復核，結果表明，邊坡在擬定的最極端暴雨工況下，穩定系數均有明顯提升(見圖16、圖17)，滿足規范要求，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裕度不是很大，必須要加強邊坡排水管維護，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1.18(水平段極端工況)

圖17 加固后安全系數1.10(擋墻段極端工況)

3.4 加固后運行情況

邊坡加固選擇在當年枯水期進行，實施過程中不影響電站運行。加固后，2019年汛期未出現異常變形，邊坡基本穩固，加固效果滿足要求。

4 結語

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) 針對不同區域的變形情況進行加固處理，同時考慮到不能影響電站發電運行的要求，結合實施條件進行方案比較，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。