沿海山區變電站多年填方邊坡滑動失穩原因分析及治理

李靜虹 王婉君 陳孝湘

(1.中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003;2.國網福建省電力有限公司建設分公司，福建 福州 350012)

1 概述

隨著輸變電工程建設環保水保要求的不斷提高[1]，地處山區的變電站等工業建筑工程，場地建設多采用土方自平衡的方案，即在一個站區的場平內將同時存在挖方和填方邊坡[2]；當220kV及以上電壓等級的變電站采用平坡布置時，挖填方的邊坡高度可達20～40m，屬于高填方邊坡工程[3-5]。

根據現有的邊坡工程建管要求，在邊坡開挖起至竣工后的2年內，監測單位將對邊坡進行持續的變形監測，以掌握邊坡變化的動態過程。當竣工超過2年，一般認為邊坡都進入了相對穩定的狀態，可以以不定時的人工巡視為主。

由于邊坡周邊環境變化等原因，在運行后的一段時間內也可能出現滑坡或者其他危及填方邊坡安全的問題，一些工程技術人員和學者也都展開了相關的研究。白霖等針對220kV泉鄉變電所西北側不穩定邊坡的滑移，比較了預應力錨索加排樁、預應力錨索框架格構加抗滑樁兩個方案的優缺點，并最終選用了預應力錨索加排樁的方案[7]。陳富強等針對珠海某軟土邊坡出現的滑移情況，在分析各種加固方法的基礎上，提出了拋石反壓的方案[8]。楊校輝等對機場高填方邊坡的監測進行了全面的穩定性分析，認為土體壓實度、地下水位、設置土工織物等措施是提高邊坡穩定性的有效手段[9]。前述研究和工程實例都給填方邊坡的穩定分析和變形控制提出了治理思路，但還都是基于特定的工程背景和地質條件，不具有普遍適用性，而且未涉及多年填土、長期穩定運行的邊坡工程。

福建某500kV變電站自上個世紀90年代投產以來，一直穩定運行，但進入2019年后，在站址東側的填方邊坡后出現坡腳排水溝側墻傾斜、坡頂護面片石大范圍脫開等典型邊坡滑移表象。在采取臨時坡腳支撐措施后，立即開展了詳勘，分析滑動發生的原因，并采用條分法對比分析了坡體被動區加固和坡腳抗滑樁加固的不同技術方案，提出了工程應用的建議，指導滑動填方邊坡的科學治理，保證電網安全。

2 工程概況

2.1 工程及其失穩概況

2019年春季后，福建沿海某500kV變電站在場地東南側的高8m、坡率為1∶1.5的單級填方邊坡的局部段發生了坡頂片石護面結構層長條形開裂、坡底排水溝側壁發生大量傾斜等滑坡發生的變形征兆(圖1)，在進入雨季后可能有加劇發展趨勢，需要開展專項治理。

圖1 填方邊坡變形后的現場情況

為了進一步觀測邊坡的動態變化過程，在坡頂開裂處撒白灰觀測后續的變形發展趨勢；為了適當提升坡腳的抗滑力，在坡腳排洪溝內采用密排木桿對稱。

2.2 工程地質條件

由于填方邊坡竣工已超過20年，填方土體受自重固結、降水等影響，較竣工時，其土體的物理力學參數已經發生了變化，為了精確分析邊坡變形發生的影響因素及加固后的穩定性，對邊坡工程展開了詳勘。

根據現場的剖面布置，一共鉆11個孔，形成了8個地質剖面，其中最典型的8-8剖面如圖2所示。

圖2 典型地質剖面圖(8-8剖面)

詳勘得到的典型地質參數如表1所示。填方坡體下方存在②淤泥質土層和④泥質中細砂層。

表1 邊坡范圍內土體的物理力學參數

3 邊坡失穩原因分析

根據原設計方案，該區域填方邊坡高H≤3m時，坡率為1∶1；填方高3.0m8.0m時，坡率為1∶1.75。同時根據站區的排洪設計，在坡腳設置了內尺寸為1.6m寬、1.5m高的排洪溝(圖3)，排洪溝采用漿砌片石砌筑，底板和外側的壁厚均為600mm，臨近填方側的厚度為1100mm，并設置了擴展底板，排水溝采用了強度為Mu20的片石、M5的砂漿砌筑，溝道整體自重達到了92.18kN/m，對填方邊坡的坡腳起到了很好的反壓和防護效果。

對于排水溝溝底遇到淤泥質土的部分，在基底拋填1.0m的大塊石擠淤，以滿足排水溝作為坡腳護腳的穩定性要求。填方邊坡坡面則采用了250mm厚的片石護面。

對于填方邊坡而言，邊坡整體穩定性取決于填土的質量，在施工時要求分層碾壓的壓實系數不低于0.94，壓實后土體的物理力學指標可以滿足整體穩定要求。

隨著邊坡建成投產，運行期間坡面的片石、漿砌排洪溝、坡體的排水系統等都需要直接接受風吹日曬，而排水盲溝也會遇到無紡布材質劣化等因素導致的盲溝堵塞等問題，邊坡的穩定發生了一定變化：

①填方土體與原狀土間的排水盲溝因過濾的無紡布等破壞發生堵塞，導致積水無法外排，坡體內的孔隙水位上升。

②填方邊坡坡面的護面片石勾縫砂漿在長期日曬作用下發生了破壞，大量的縫隙使得雨水極易滲入到坡體內。

③坡面的排水管外露部分受日曬的作用，材料劣化，同時透水管的坡體內段也可能堵塞，最終造成坡面的排水系統失效，使得坡體內的排水系統最終失效。由于場地采用了挖填自平衡的方案，在站區高的一側的地面水最終都通過站區的場地，積到填方區，使得填方區域的土體自重增大，土體的抗剪強度指標下降。

④坡腳的排洪溝砂漿強度為M5，同樣在長期的日曬和排水侵蝕作用下，砂漿開裂剝落，雖然面層有進行了修補，但內部砂漿的強度劣化，影響了片石間的粘結，最終在邊坡推力的作用下發生了變形。

圖3 坡腳排水溝大樣圖

4 治理方案分析

由于邊坡變形的主要原因包括了排水系統的失效和排洪溝漿砌片石的劣化，故治理方案需要包含兩大部分，即穩定性的提升和排水系統的改造。

4.1 穩定分析方法及荷載條件

邊坡整體穩定采用巖土工程軟件Geoslope分析。土質邊坡采用簡化畢肖普法計算。

現狀坡面設置了250mm厚度片石護面，等效于對于土質邊坡坡面施加了垂直方向的均布荷載，荷載的大小為p=20.8×0.25=5.2kN/m2。

由于坡頂有圍墻、餐廳等建筑物，且圍墻內外可能存在巡檢人員等荷載，故取均布荷載為q=10.0kN/m3。

圖4為自然工況下邊坡穩定分析的結果，由圖4可見，由于填方邊坡土體物理力學參數的變化，使得最危險的滑動面為邊坡繞過坡腳的排洪溝底部發生了整體失穩，現狀的安全系數為1.076，不滿足安全要求。即在本次發生的邊坡坡腳的位移和坡頂護面開裂之外，邊坡整體的穩定性也存在不足。

圖4 變電站邊坡整體穩定分析(自然狀態)

根據該變電站的運行條件和實際的施工場地條件，可采用坡腳排樁加固或坡體內部土體局部注漿加固的方式，提升被動區土體力學參數的方案。

4.2 坡腳排樁加固穩定分析

擬在坡底設置抗滑樁，樁徑 0.8m、樁間距 1.4m，根據淤泥層厚度的不同，灌注樁樁長為 8.5～10.0m，樁頂設置 0.6m高、0.8m寬的冠梁，在排洪溝拆除與恢復期間，兼作為坡體外側基槽的擋土結構。

在Geoslope中，灌注樁采用加固荷載里的樁單元進行模擬分析，樁的深度按實際設計深度確定，由于采用了平面應變單元，灌注樁的寬度采用等效剛度確定，計算結果如下：

(1)

樁頂模擬主要參數如下：①長度 8.5m～10.0m之間，方向為豎直向下；②樁體抗剪強度2200kN/m；③剪切安全系數 0.8；④樁間距 1.4m；⑤應用剪切的類型為平行滑移。

穩定分析時，選擇最不利的工況，主要包含了兩種工況：即灌注樁施工完成后、排洪溝拆除但未恢復的階段；排洪溝施工完成后、坡面片石護面也施工完成后。

圖5為穩定分析的結果，設置抗滑樁后，坡體最危險的滑動面形狀發生改變。滑動面的下部均位于坡腳排樁內側，且安全系數得到了大幅提升，達到了1.315，滿足二級邊坡1.30的安全系數要求。對該加固方案進一步分析后，在地震工況下的安全系數也達到了1.179，滿足二級邊坡1.10的安全要求。

圖5 坡腳設置抗滑樁的穩定分析結果(自然工況)

4.3 坡體被動區加固穩定性分析

考慮到本次滑動邊坡存在軟弱下臥層，同時填土方邊坡的土體物理力學指標較低，通過地基處理的方式，系統提高邊坡軟弱下臥層及填方土體的物理力學指標，可以提高邊坡的穩定性。

具體做法為：采用排距、列距都為4.0m的高壓旋噴樁，旋噴樁樁徑為600mm，采用梅花形布置，樁長8.0m，即進入到殘積土層或者強風化巖層 2.0m以上。

加固方案的主要技術參數如下：

①采用旋噴樁加固，旋噴樁的直徑為600mm，布置間距為4.0m，梅花形布置，樁長度為8.0m。

②加固后的地基土的土體物理力學指標采用等代內摩擦角提高的方式計算，加固區域的指標統一提高至c=15kPa、φ=15°。

③仍然進行自然工況和地震工況的穩定性分析。

圖6為穩定分析的結果，在坡體的被動區設置旋噴樁加固區域提高土體的物理力學參數后，坡體最危險的滑動面形狀與未設置加固土體的類似(如圖4所示)，但安全系數得到了大幅度提升，自然工況下達到了1.443，在地震工況下的安全系數也達到了1.298，滿足二級邊坡的安全要求。

圖6 加固抗滑區域地基土的邊坡整體穩定(自然狀態)

4.4 排水系統的改造提升

從邊坡失穩的現場調查和邊坡失穩機理分析都可得知，邊坡加固時需要對邊坡的排水系統進行改造提升。主要包括：①排查清理盲溝的狀態，對于具備條件的排水盲溝進行通排，保證暢通；②重新在坡面往坡體內打入軟式透水管；③拆除并恢復坡腳的排洪溝。

4.5 加固方案對比分析

根據前文分析，采用坡腳排樁和坡體被動區加固的方案都可以滿足邊坡整體穩定的安全系數提升要求，但需結合排水系統的改造、施工對變電站運行的影響、風險控制、工程投資等方面進行綜合分析，對比詳見表2。

經技術經濟比選，最終采用坡腳排樁方案，在施工過程中，將邊坡的加固和排水系統的改造施工對變電站圍墻內設施、坡頂圍墻和站外場平范圍內的用地影響都降到了最低。

表2 不同加固方案的技術經濟對比分析

為了進一步降低施工過程的風險，排樁采用跳打的施工方案。在排樁、冠梁施工完成后，拆除并用M10的砂漿重新砌筑外側的排洪溝。竣工后的邊坡現場情況如圖7所示。

圖7 竣工后的邊坡

5 結論

已竣工投產20余年的福建山區某500kV變電站填方邊坡出現了坡頂貫通長裂縫開裂、坡腳護腳發生了較大側向傾斜變形的現象。為此，在現場調查分析的基礎上，結合詳勘數據，分析了邊坡變形的機理，并對不同的加固方案進行了對比分析，得出主要結論如下。

①在降雨量充沛的沿海山區，排水系統失效是填方邊坡在運行期間整體穩定性影響最大、最不利的因素，在日常巡檢時，除了裂縫、變形之外，尤其要注意對排水系統狀態進行排查。

②坡腳設置的大截面排洪溝在一定程度上降低了邊坡的安全性，當護腳提供的強度或剛度不足時，會造成邊坡的整體滑移，在設計時需要進行護腳的穩定性和強度的驗算。

③對已發生滑動填方邊坡，其治理可采用在被動區土體進行注漿加固的方案，也可以在坡腳設置抗滑灌注樁或者較大剛度的擋土墻，來系統提高填方邊坡的整體穩定性。

④從技術經濟綜合比較，在滑動區邊坡的坡腳設置抗滑樁對邊坡現狀的擾動較小、對坡頂建(構)筑物影響最小，是相關工程的優選方案。