某电厂岩质边坡防护工程设计

胡谢飞 吴汶垣 孙义杰

(1.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江杭州 310014;2.南京库伦软件技术有限公司，江苏南京 211816; 3.南京工业大学交通运输工程学院，江苏南京 211816)

随着国家基础设施建设的投入逐步深入［1］，山区电厂的建设已成为当前时期电厂建设的主要战场。山区电厂建设往往会出现一定规模的填方边坡和挖方边坡。这些边坡的稳定与否对电厂施工运营的安全性具有重要意义。边坡变形破坏模式分析是边坡稳定性评价和支护设计最为重要的环节之一［2］。岩层倾向与边坡倾向基本一致的边坡为顺层岩质边坡［3］，从以往的工程经验中可以发现，当存在临空面时，顺向坡易发生顺层滑动破坏。

1 工程概况

某大型电厂由于场区布置的需要，在场区北侧形成人工开挖边坡:该边坡为岩质边坡，边坡长约107 m，高约17.2 m，倾向232°。该人工开挖边坡为永久边坡，需进行边坡工程勘察和稳定性评价。

工程边坡所在区域属剥蚀残丘地貌，地面高程在125 m～162 m，高差30 m左右。场地内多为浑圆状丘包和缓坡，丘包坡度在10°～20°。除部分地带基岩零星出露外，一般都有厚度0～10余米的第四系覆盖层，经济作物较少，植被多为茅草及松树，局部种植有油茶、桂花树。

2 边坡岩土体的岩性及结构

2.1 边坡岩土体的组成、性质

施工场区边坡区域上覆第四系土层主要为①更新统坡积次生红黏土。下伏地层为:②石炭系下统岩关阶孟公坳段～邵东段()深灰色薄～巨厚层状泥粉晶灰岩、泥灰岩夹薄～厚层状粉砂岩、钙质石英粉砂岩;③泥盆系上统木井塘组第一段上亚段()灰～深灰色中～厚层状泥粉晶灰岩、云化灰岩，含生物碎屑灰岩。具体地层分布及特征如下:

①次生红黏土(Qdl):棕红色～棕黄色，硬塑，稍湿，土质较均匀，无明显残积层理，含少量铁锰质结核，切面光滑，干强度高，韧性高，遇水易软化，坡积成因。厚度0.5 m～2.0 m，主要分布在表层。

②1泥灰岩(C-D):褐黄色～灰黑色，强风化，裂隙很发育，岩体极破碎，遇水易软化、崩解，手掰岩芯易呈片状、碎块状，层状构造，隐晶质结构，岩芯采取率30% ～40%，厚度3.2 m～4.3 m。

②2泥灰岩(C-D):灰黑色，中风化，充填方解石脉，裂隙发育，岩体较破碎，遇水易软化、崩解，手掰岩芯易呈片状、碎块状，层状构造，隐晶质结构，岩芯呈块状、碎块状部分短柱状，岩芯采取率50% ～65%，厚度0.6 m ～2.0 m。

②3泥灰岩(C-D):灰黑色，微风化，充填方解石脉，裂隙较发育，岩体较完整，遇水易软化、崩解，层状构造，隐晶质结构，岩芯呈柱状、短柱状，局部呈碎块状，岩芯采取率70% ～80%，厚度0.8 m ～9.0 m。

③1灰岩(C-D):灰黑色，中风化，多充填方解石脉，裂隙较发育，岩体较破碎，隐晶质结构，层状构造，局部碳质、泥质含量较高，岩芯呈短柱状，局部呈块状，岩芯采取率60% ～85%，厚度0.2 m ～2.3 m。

③2灰岩(C-D):灰黑色，微风化，充填方解石脉，裂隙较发育，岩体较完整，局部碳质、泥质含量较高，隐晶质结构，层状构造，岩芯呈柱状，短柱状，岩芯采取率80% ～95%，勘探揭露层厚0.8 m ～8.3 m。

岩质边坡典型工程地质剖面如图1所示。

图1 岩质边坡典型工程地质剖面

2.2 岩石风化程度及水理性、岩体结构

2.2.1 岩石风化程度及水理性

根据GB 50021—2001岩土工程勘察规范的规定，岩石的风化程度划分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化和残积土六个等级［4］。根据测区岩石的风化情况，在场址区域主要为强风化、中等风化、微风化及残积土，其中泥灰岩遇水浸泡，极易发生软化、崩解。

2.2.2 岩体结构及结构面产状

岩质边坡岩体以层状结构为主，泥灰岩泡水软化、崩解，节理发育密集地带呈薄层状结构。主要结构面以层面为主，延伸较长，平直光滑，张开度1 mm～10 mm，大部分泥质充填。野外统计的29个结构面数据，见表1。赤平极射投影分析(如图2所示)表明，主要存在两组结构面:①245∠28(层面)，②194∠75。

表1 统计结构面数据

图2 赤平极射投影图

3 边坡坡形设计及计算模型

3.1 边坡坡形设计

选取典型剖面，典型剖面对应边坡高度16.25 m(本段边坡最大坡高 17.2 m，总体坡率约1∶1.10);第一级台阶边坡，高 10.0 m，坡率1∶1.00，马道宽 2.0 m;第二级台阶边坡，高 6.25 m，坡率1∶1.00。岩质边坡设计坡形见图3。

图3 岩质边坡坡形

3.2 计算模型

计算模型层面倾角28°，与边坡倾向一致，剪出口为坡脚，见图4。

图4 计算模型

4 边坡稳定性分析原理

平面滑动坡面如图5所示。

安全系数计算公式为:

其中，W为滑块重;KH为水平地震影响系数;α为滑面倾角;L为滑块长度。

图5 平面滑动剖面示意图

5 边坡支护设计参数及计算结果

5.1 边坡支护设计参数

根据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范，对于坡高30 m以下、边坡工程安全等级为二级的边坡，一般工况下的永久边坡稳定安全系数取1.3，地震工况下的永久边坡稳定安全系数取1.1［5］。依据《建筑边坡工程技术规范》、土工试验成果及工程经验，岩(土)层及结构面主要物理力学性质指标建议值见表2。

表2 岩(土)层及结构面主要物理力学性质指标建议值

5.2 计算结果

采用极限平衡计算剩余下滑力。

边坡设计参数:Cs=15 kPa， =15°，θ=28°。

1)一般工况:

岩体重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面长度L=31.6 m;

边坡稳定安全系数Fst=1.3。

计算得:抗滑力R=1 068.2 kN/m;

下滑力 T=1 179.1 kN/m;

稳定性系数 Fs=R/T=0.9≤1.3;

剩余下滑力 E=1.3×T－R=464.6 kN/m。

2)地震工况:

岩体重度γ=25 kN/m3;

G=25 ×100.46=2 511.5 kN/m;

滑面长度L=31.6 m;

边坡稳定安全系数Fst=1.1;

地震影响因子KH=0.081;

滑体单位宽度水平荷载Q=KHG。

计算得:抗滑力R=1 042.6 kN/m;

下滑力 T=1 358.7 kN/m;

稳定性系数 Fs=R/T=0.8≤1.1;

剩余下滑力 E=1.1×T－R=452.0 kN/m。

6 边坡支护设计

该边坡为顺倾岩质边坡，经计算边坡安全系数达不到要求，剩余下滑力为464.6 kN/m。通过刚体极限平衡计算，在支护边坡安全系数达到1.3的条件下，采用锚喷支护措施，锚杆选用HRB400，锚杆水平距离为1.5 m，锚杆倾角为15°，锚杆布置及长度等参数见表3。

表3 岩质边坡锚杆布置表

7 结语

通过现场工程地质调查和对勘察资料的综合分析，对场地平整所产生的挖方边坡分段进行了结构面统计、破坏模式分析、稳定性分析计算和评价，提出了人工边坡设计支护方案，得出如下结论:

1)施工场区工程边坡为永久边坡，破坏后果严重，该工程边坡工程安全等级为二级。场地地质环境中等复杂，边坡工程勘察等级为二级。

岩质边坡上部为覆盖层，下部主要为灰岩或泥灰岩。在岩质边坡区域，主要发育两组结构面:①245∠28(层面)，②194∠75。根据破坏模式分析，该边坡易沿着结构面发生平面滑动破坏。

2)根据实际边坡开挖坡率、坡形。对边坡进行稳定性验算表明:该岩质边坡受结构面不利组合因素的影响，安全系数不满足要求，需要进行专门支护。

3)根据破坏模式及剩余下滑力，对场区岩质边坡提出了锚喷支护的支护设计方案;根据边坡岩性条件及结构组成，对岩质边坡采取了锚喷支护措施。实践表明该方案能够保证该岩质边坡的稳定。