水下边坡变形分析及加固设计

王海建，马晓攀

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

常规工程边坡的变形或破坏，容易被目视观测到，并通过外观变形特点及适当的勘察手段，判断其变形原因并作出针对性的加固处理。但对于水利水电工程中处于水下的边坡，无法通过岸上直接观察到的变形，来推断变形原因，此时还必须通过水下检测去进一步摸查。目前常用的水下检测方法，除了潜水员目视检查外，已发展出一些先进的检测手段，如水下摄像监视机、水下电位测量技术、水下超声波检测技术、水下机器人检测等新的技术手段[1-6]，使建筑物水下部位的摸查更为便利，为加固处理提供依据。另一方面，水下边坡的加固处理也比岸上边坡复杂和困难，如施工条件差、受水位变动干扰大等，因此，水下边坡工程的检测和加固处理需特别谨慎。

1 工程概况

某径流式电站位于重庆市，其尾水渠边坡分两段，其中尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)边坡最高约为30 m，共分为3级，224.0 m高程以下为半重力式挡土墙，墙顶上部为斜坡，分为2级，坡度为1∶1.5～1∶2.0，马道高程为234.0 m(见图1)；尾水渠下游护坦段(0+117.49～0+142.51)边坡最高约为20 m，斜坡式，分为2级，坡度为1∶1.5～1∶2.0，坡底高程为224.0 m(见图2)。边坡原设计均采用C20钢筋混凝土护坡，设排水孔及反滤土工布。

图1 尾水渠斜坡段边坡示意(单位：m)

图2 尾水渠护坦段边坡示意(单位：m)

电站于2016年投入运行，运行情况良好，尾水渠左岸边坡运行无异常现象。在2018年7月份坝址发生暴雨及大洪水(“7.12”洪水)，部分边坡及234.0 m高程马道出现变形，现场检查发现边坡排水孔完全堵塞失效。考虑到电站处于运行发电高峰期，流量较大，尾水位一直保持在230 m高程附近，为安全考虑，仅对水上部位采取临时封闭缝隙及疏通边坡排水孔等紧急措施，汛期过后边坡暂时稳定。鉴于该边坡紧靠机组尾水出口，一旦滑塌将严重影响机组运行安全，因此，需进一步查清水下变形情况，研究加固修复措施，保证电站下一个汛期的运行安全及发电效益。

2 边坡变形原因研究

2.1 水下摸查情况

2019年1月枯水期电站尾水位约为228 m，现场组织潜水员采用水下摄像机对水下边坡及坡脚挡墙部位进行了水下摄影及测量。根据摸查情况，尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)边坡，234.0 m高程以上边坡未有明显变形，234.0 m高程马道与下部边坡的变形缝开裂约5～10 cm，234.0 m高程马道变形较大，变形缝开裂约5～10 cm，边坡护坡面板下部已淘刷形成空腔，但基础挡墙基本未发生变形，且该范围边坡坡脚与224.0 m高程基础挡墙相接处224.0 m高程也未发现较大变形，说明该部分边坡基础的挡墙是稳定的，因上部马道与边坡分缝变形错开，导致渗水淘刷下部形成空隙。而尾水渠下游护坦段(0+117.49～0+142.51)边坡，水上部分及马道变形约1～2 cm，边坡整体情况暂时稳定，234.0 m高程马道未有明显变形，但234.0 m高程以下的边坡，发生坡脚变形较大，有张开约10～20 cm现象，为本次水下检查发现的新状况(见图3)。说明该部位在今年“7.12”洪水影响下，边坡土体被淘刷带走，引起坡脚发生变形，危及整个边坡的安全。即两段边坡的结构不同，其水下部分与水上部分也呈现不同的变形(分布情况见图4)。

图3 边坡水下检查影像示意

图4 边坡变形分部范围示意

2.2 边坡稳定复核

电站自投入运行至“7.12”洪水期间，尾水渠左岸边坡已运行2 a多，未出现明显变形。因此，立足边坡实际运行情况，重点复核尾水渠左岸边坡在暴雨后地下水位较高、边坡排水失效、同时遭遇水位骤降工况下的整体稳定。

1) 断面选取

分别针对两段边坡各取1个典型断面进行复核。

① 选取尾水渠斜坡段(0+059.65～0+117.49)最高边坡，计算模型示意见图5。

图5 典型断面1计算模型示意

② 选取尾水渠下游护坦段(0+117.49～0+142.51)水下坡脚变形较大处的0+120断面，计算模型示意见图6。

图6 典型断面2计算模型示意

2) 计算工况

① 边坡排水完全失效，极端工况下尾水位迅速降落至230.0 m，坡内水位取洪水位238.5 m(坡顶地面高程约240.0 m，取比地面低约1.5 m)。

② 边坡排水不及时，尾水位降落至正常水位230.0 m，坡内水位取234.5 m(略高于马道)。

③ 计算参数

根据《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386—2007)，本工程边坡的级别为4级，边坡抗滑稳定安全系数基本组合(正常运用)为1.15～1.1，特殊组合(非常运用)为1.1～1.05。

根据前期地勘成果，边坡土体上层为砂卵砾石土，渗透系数约为1×10-5m/s，边坡稳定分析时原状土取综合内摩擦角为35°，挡土墙后开挖回填的砂卵砾石土取30°。挡土墙基础为泥质粉砂岩、粉砂岩、粉细砂岩等。考虑到墙底基础岩土层变化不均，为安全计，地基均按照土层参数进行复核。

④ 计算方法：采用瑞典圆弧法，利用有限元分析软件进行抗滑稳定计算。

⑤ 计算结果：稳定计算结果见表1，各工况计算结果依次如图7～图12所示。

表1 尾水边坡稳定计算结果

图7 断面1工况1上部坡面

图8 断面1工况1墙底滑面

图9 断面1工况2上部坡面

图10 断面1工况2墙底滑面

图11 断面2工况1

图12 断面2工况2

2.3 变形原因分析

1) 结合施工过程情况，尾水渠斜坡段挡墙后为开挖回填区，回填土压实不足，土体长期固结后本身发生一部分沉降变形，发展到一定程度后面板出现缝隙。而边坡排水措施现场检查几乎全部失效堵塞，持续暴雨后边坡内土体饱和后抗剪强度降低，边坡抗滑稳定安全系数降低，在洪水期进一步淘刷，导致边坡混凝土面板变形进一步发展。

2) 数值模拟计算结果表明，尾水渠左侧边坡在水位骤降工况时，若边坡土体内水位不高于234.5 m，挡墙与边坡整体稳定安全系数均满足规范要求。但当遭遇暴雨坡内土体水位高于234.5 m、排水失效、水位骤降时，边坡稳定安全系数不满足规范要求，最危险滑面均发生在224.0～234.0 m范围内边坡，该高程为洪水期水位变动冲刷影响范围，这与现场情况基本一致。总体来说，上部边坡尤其是234.0 m马道以下边坡在暴雨后地下水位较高、边坡体排水失效、同时遭遇水位骤降，这种极端工况下容易发生失稳变形现象。

3) 根据数值模拟分析成果，边坡最大承受4.5～5 m左右的水头差(即水位234.5→230 m)，该条件下边坡稳定安全，超出该数值则易发生失稳。因此，加强边坡排水，洪水期边坡内水迅速排出是十分重要的。“7.12”洪水退水期间，因现场发生暴雨，边坡排水管失效，坡内水位过高，同时填土发生沉降，导致边坡沉陷、变形。计算结果基本与现场实际情况一致。

3 边坡加固处理设计

根据上述分析，电站尾水渠边坡变形原因主要有两个：①边坡内回填土体压实度不足，经长期固结密实后产生局部沉降，导致边坡局部变形；②暴雨导致边坡地下水位较高、同时遭遇洪水骤降情况，此时边坡排水不畅、内外侧水位差较大。因此，加强边坡排水、降低地下水位十分关键。另外，边坡混凝土面板下局部开裂已形成空腔，需对开裂部位及空腔进行修补，同时对边坡进行加固支护。

本工程边坡变形部位大部分位于水下，目前对水下结构的加固修复已有较多技术，如水下不分散混凝土加固技术，水下膜袋混凝土护坡技术，以及水下灌注环氧粘结剂等对缺陷进行修补，或利用石笼沙袋等形成临时围堰对护坡进行修复[2-12]。

结合变形原因、边坡运行情况、施工条件、投资等因素，初拟了膜袋混凝土密封坡面加锚筋桩方案、围堰干地施工方案、水下打桩护脚方案等3个方案进行综合比较。干地施工方案对电站影响较大，且投资较大，水下打桩护脚方案需租用大型船只用作水上打桩平台，而下游因其他工程影响了航道，船只进出难度较大。经研究分析，采用水下膜袋混凝土加岸上锚筋桩方案便于施工，且可以分期实施，最终推荐采用该方案。具体分期实施设计如下。

3.1 尾水渠下游护坦段边坡(0+117.49～0+142.51)

鉴于现场施工条件较差，汛期即将到来，而膜袋混凝土浇筑工期较长，因此，该段边坡分期加固处理，先开展一期应急处理，避免汛期影响边坡安全，后续有条件再施工膜袋混凝土。

1) 一期应急处理措施

① 首先在水下对坡脚及坡面缝隙采用玻纤棉填缝+水玻璃密封，同时表面采用钻孔+安装膨胀螺丝+铺设橡胶止水带+铺设热镀锌钢板+固定螺丝+水玻璃密封(见图13)。该项工作全部在水下完成。

图13 缝隙封堵做法大样示意

② 密封完成后，对于坡面脱空区采用填充砂浆处理，注浆孔结合现场脱空区进行布置，同一区域孔间距采用2.5 m，注浆施工时需密切注意压力变化情况，当压力超过0.1 MPa时，待砂浆凝固后可检查坡脚下部填充情况，若已密实则注浆施工完成，若仍有空隙则需调整注浆孔位置继续注浆。

③ 施工过程中密切注意边坡缝隙及坡脚是否有浆液渗出情况，注浆压力需缓慢增加，避免破坏边坡面板。

④ 恢复边坡排水孔，成孔时采用套管，埋入PVC排水花管，管身包裹2层土工布。

2) 二期永久处理措施

针对坡面张开的情况采用膜袋混凝土保护坡面及坡脚，坡面上打锚筋桩固坡。施工顺序：膜袋混凝土→锚筋桩→坡面脱空区填充砂浆→坡面排水孔。坡面膜袋混凝土厚为0.3 m，向坡脚外延伸2 m宽。锚筋桩钻孔直径为110 mm，末端穿透滑弧，间距为2 m，排距为 4 m，套管采用钢花管，管壁上设置注浆孔。坡面脱空区填充砂浆，填充孔距结合现场脱空区进行布置。坡面排水孔采用φ80PVC排水花管。坡面加固设计方案见图14～图15。

图14 边坡加固设计断面(水平段)示意

图15 边坡加固设计断面(挡墙段)示意

3.2 尾水渠斜坡段边坡(0+059.65～0+117.49)

该部位采用恢复坡面排水管、加设锚筋桩及边坡锚杆等措施进行处理，锚杆采用φ25全长粘结型砂浆锚杆，间排距为2 m。对于变形过大的空隙缺口，密封处理措施与尾水渠下游护坦段一致。考虑到边坡变形特点，该段锚筋桩布置在马道。具体参数与尾水渠下游护坦段一致。

3.3 加固方案稳定复核

对加固处理的边坡进行稳定复核，结果表明，边坡在拟定的最极端暴雨工况下，稳定系数均有明显提升(见图16、图17)，满足规范要求，说明所采用的加固措施是合适的。但是极端情况下的安全系数裕度不是很大，必须要加强边坡排水管维护，使边坡排水通畅，运行在更加安全的工况下。

图16 加固后安全系数1.18(水平段极端工况)

图17 加固后安全系数1.10(挡墙段极端工况)

3.4 加固后运行情况

边坡加固选择在当年枯水期进行，实施过程中不影响电站运行。加固后，2019年汛期未出现异常变形，边坡基本稳固，加固效果满足要求。

4 结语

1) 该电站尾水渠边坡下部常年位于水下，接近1#机组尾水出口，一旦滑塌破坏对电站运行安全影响较大，不能简单的通过岸上观察就下结论，而忽视水下变形可能与岸上观察的不一致，造成加固方案与实际情况不匹配，必须谨慎处理。

2) 通过水下摸查和量测变形程度和范围，同时建立边坡模型对其特殊运行工况进行模拟，分析边坡饱和土体在不同初始水位骤降的工况，得出边坡可以承受的最大水位差。确定强降水条件下，边坡土体饱和，而边坡排水失效，是边坡变形的主要原因。

3) 针对不同区域的变形情况进行加固处理，同时考虑到不能影响电站发电运行的要求，结合实施条件进行方案比较，最终采用水下膜袋混凝土、水上边坡锚筋桩以及充填灌浆、加强排水等综合措施，取得了较好的效果。自处理后截止目前已安全运行2 a多，情况良好。