某電廠巖質(zhì)邊坡防護工程設(shè)計

胡謝飛 吳汶垣 孫義杰

(1.中國能源建設(shè)集團浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江杭州 310014;2.南京庫倫軟件技術(shù)有限公司，江蘇南京 211816; 3.南京工業(yè)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入逐步深入［1］，山區(qū)電廠的建設(shè)已成為當(dāng)前時期電廠建設(shè)的主要戰(zhàn)場。山區(qū)電廠建設(shè)往往會出現(xiàn)一定規(guī)模的填方邊坡和挖方邊坡。這些邊坡的穩(wěn)定與否對電廠施工運營的安全性具有重要意義。邊坡變形破壞模式分析是邊坡穩(wěn)定性評價和支護設(shè)計最為重要的環(huán)節(jié)之一［2］。巖層傾向與邊坡傾向基本一致的邊坡為順層巖質(zhì)邊坡［3］，從以往的工程經(jīng)驗中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存在臨空面時，順向坡易發(fā)生順層滑動破壞。

1 工程概況

某大型電廠由于場區(qū)布置的需要，在場區(qū)北側(cè)形成人工開挖邊坡:該邊坡為巖質(zhì)邊坡，邊坡長約107 m，高約17.2 m，傾向232°。該人工開挖邊坡為永久邊坡，需進行邊坡工程勘察和穩(wěn)定性評價。

工程邊坡所在區(qū)域?qū)賱兾g殘丘地貌，地面高程在125 m～162 m，高差30 m左右。場地內(nèi)多為渾圓狀丘包和緩坡，丘包坡度在10°～20°。除部分地帶基巖零星出露外，一般都有厚度0～10余米的第四系覆蓋層，經(jīng)濟作物較少，植被多為茅草及松樹，局部種植有油茶、桂花樹。

2 邊坡巖土體的巖性及結(jié)構(gòu)

2.1 邊坡巖土體的組成、性質(zhì)

施工場區(qū)邊坡區(qū)域上覆第四系土層主要為①更新統(tǒng)坡積次生紅黏土。下伏地層為:②石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階孟公坳段～邵東段()深灰色薄～巨厚層狀泥粉晶灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄～厚層狀粉砂巖、鈣質(zhì)石英粉砂巖;③泥盆系上統(tǒng)木井塘組第一段上亞段()灰～深灰色中～厚層狀泥粉晶灰?guī)r、云化灰?guī)r，含生物碎屑灰?guī)r。具體地層分布及特征如下:

①次生紅黏土(Qdl):棕紅色～棕黃色，硬塑，稍濕，土質(zhì)較均勻，無明顯殘積層理，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，切面光滑，干強度高，韌性高，遇水易軟化，坡積成因。厚度0.5 m～2.0 m，主要分布在表層。

②1泥灰?guī)r(C-D):褐黃色～灰黑色，強風(fēng)化，裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，遇水易軟化、崩解，手掰巖芯易呈片狀、碎塊狀，層狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖芯采取率30% ～40%，厚度3.2 m～4.3 m。

②2泥灰?guī)r(C-D):灰黑色，中風(fēng)化，充填方解石脈，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，遇水易軟化、崩解，手掰巖芯易呈片狀、碎塊狀，層狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖芯呈塊狀、碎塊狀部分短柱狀，巖芯采取率50% ～65%，厚度0.6 m ～2.0 m。

②3泥灰?guī)r(C-D):灰黑色，微風(fēng)化，充填方解石脈，裂隙較發(fā)育，巖體較完整，遇水易軟化、崩解，層狀構(gòu)造，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖芯呈柱狀、短柱狀，局部呈碎塊狀，巖芯采取率70% ～80%，厚度0.8 m ～9.0 m。

③1灰?guī)r(C-D):灰黑色，中風(fēng)化，多充填方解石脈，裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，局部碳質(zhì)、泥質(zhì)含量較高，巖芯呈短柱狀，局部呈塊狀，巖芯采取率60% ～85%，厚度0.2 m ～2.3 m。

③2灰?guī)r(C-D):灰黑色，微風(fēng)化，充填方解石脈，裂隙較發(fā)育，巖體較完整，局部碳質(zhì)、泥質(zhì)含量較高，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯呈柱狀，短柱狀，巖芯采取率80% ～95%，勘探揭露層厚0.8 m ～8.3 m。

巖質(zhì)邊坡典型工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 巖質(zhì)邊坡典型工程地質(zhì)剖面

2.2 巖石風(fēng)化程度及水理性、巖體結(jié)構(gòu)

2.2.1 巖石風(fēng)化程度及水理性

根據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范的規(guī)定，巖石的風(fēng)化程度劃分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中等風(fēng)化、強風(fēng)化、全風(fēng)化和殘積土六個等級［4］。根據(jù)測區(qū)巖石的風(fēng)化情況，在場址區(qū)域主要為強風(fēng)化、中等風(fēng)化、微風(fēng)化及殘積土，其中泥灰?guī)r遇水浸泡，極易發(fā)生軟化、崩解。

2.2.2 巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

巖質(zhì)邊坡巖體以層狀結(jié)構(gòu)為主，泥灰?guī)r泡水軟化、崩解，節(jié)理發(fā)育密集地帶呈薄層狀結(jié)構(gòu)。主要結(jié)構(gòu)面以層面為主，延伸較長，平直光滑，張開度1 mm～10 mm，大部分泥質(zhì)充填。野外統(tǒng)計的29個結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)，見表1。赤平極射投影分析(如圖2所示)表明，主要存在兩組結(jié)構(gòu)面:①245∠28(層面)，②194∠75。

表1 統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)

圖2 赤平極射投影圖

3 邊坡坡形設(shè)計及計算模型

3.1 邊坡坡形設(shè)計

選取典型剖面，典型剖面對應(yīng)邊坡高度16.25 m(本段邊坡最大坡高 17.2 m，總體坡率約1∶1.10);第一級臺階邊坡，高 10.0 m，坡率1∶1.00，馬道寬 2.0 m;第二級臺階邊坡，高 6.25 m，坡率1∶1.00。巖質(zhì)邊坡設(shè)計坡形見圖3。

圖3 巖質(zhì)邊坡坡形

3.2 計算模型

計算模型層面傾角28°，與邊坡傾向一致，剪出口為坡腳，見圖4。

圖4 計算模型

4 邊坡穩(wěn)定性分析原理

平面滑動坡面如圖5所示。

安全系數(shù)計算公式為:

其中，W為滑塊重;KH為水平地震影響系數(shù);α為滑面傾角;L為滑塊長度。

圖5 平面滑動剖面示意圖

5 邊坡支護設(shè)計參數(shù)及計算結(jié)果

5.1 邊坡支護設(shè)計參數(shù)

根據(jù)GB 50330—2013建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范，對于坡高30 m以下、邊坡工程安全等級為二級的邊坡，一般工況下的永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.3，地震工況下的永久邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.1［5］。依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、土工試驗成果及工程經(jīng)驗，巖(土)層及結(jié)構(gòu)面主要物理力學(xué)性質(zhì)指標建議值見表2。

表2 巖(土)層及結(jié)構(gòu)面主要物理力學(xué)性質(zhì)指標建議值

5.2 計算結(jié)果

采用極限平衡計算剩余下滑力。

邊坡設(shè)計參數(shù):Cs=15 kPa， =15°，θ=28°。

1)一般工況:

巖體重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面長度L=31.6 m;

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.3。

計算得:抗滑力R=1 068.2 kN/m;

下滑力 T=1 179.1 kN/m;

穩(wěn)定性系數(shù) Fs=R/T=0.9≤1.3;

剩余下滑力 E=1.3×T－R=464.6 kN/m。

2)地震工況:

巖體重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面長度L=31.6 m;

邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.1;

地震影響因子KH=0.081;

滑體單位寬度水平荷載Q=KHG。

計算得:抗滑力R=1 042.6 kN/m;

下滑力 T=1 358.7 kN/m;

穩(wěn)定性系數(shù) Fs=R/T=0.8≤1.1;

剩余下滑力 E=1.1×T－R=452.0 kN/m。

6 邊坡支護設(shè)計

該邊坡為順傾巖質(zhì)邊坡，經(jīng)計算邊坡安全系數(shù)達不到要求，剩余下滑力為464.6 kN/m。通過剛體極限平衡計算，在支護邊坡安全系數(shù)達到1.3的條件下，采用錨噴支護措施，錨桿選用HRB400，錨桿水平距離為1.5 m，錨桿傾角為15°，錨桿布置及長度等參數(shù)見表3。

表3 巖質(zhì)邊坡錨桿布置表

7 結(jié)語

通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和對勘察資料的綜合分析，對場地平整所產(chǎn)生的挖方邊坡分段進行了結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計、破壞模式分析、穩(wěn)定性分析計算和評價，提出了人工邊坡設(shè)計支護方案，得出如下結(jié)論:

1)施工場區(qū)工程邊坡為永久邊坡，破壞后果嚴重，該工程邊坡工程安全等級為二級。場地地質(zhì)環(huán)境中等復(fù)雜，邊坡工程勘察等級為二級。

巖質(zhì)邊坡上部為覆蓋層，下部主要為灰?guī)r或泥灰?guī)r。在巖質(zhì)邊坡區(qū)域，主要發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面:①245∠28(層面)，②194∠75。根據(jù)破壞模式分析，該邊坡易沿著結(jié)構(gòu)面發(fā)生平面滑動破壞。

2)根據(jù)實際邊坡開挖坡率、坡形。對邊坡進行穩(wěn)定性驗算表明:該巖質(zhì)邊坡受結(jié)構(gòu)面不利組合因素的影響，安全系數(shù)不滿足要求，需要進行專門支護。

3)根據(jù)破壞模式及剩余下滑力，對場區(qū)巖質(zhì)邊坡提出了錨噴支護的支護設(shè)計方案;根據(jù)邊坡巖性條件及結(jié)構(gòu)組成，對巖質(zhì)邊坡采取了錨噴支護措施。實踐表明該方案能夠保證該巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定。