貴州某電廠高邊坡穩(wěn)定性分析

賴云清,劉 濱

(四川省電力設(shè)計院，四川成都 610000))

1 工程概況

該電廠所在地屬中低山峰叢溶丘洼地地貌，由低緩的溶丘和淺洼地相間，溶丘寬大而洼地淺小，場地由多個丘崗緩坡組成，地勢平緩開闊，邊坡較緩。場地地層分布如下：

①人工填土(Q4ml)：灰色，稍濕，松散～稍密，為邊坡開挖土石隨意堆放而成，主要成分灰?guī)r，不均勻，近期堆積而成，厚度0.5～3.60 m。

②紅黏土：褐黃色，濕～稍濕，可塑～硬塑，局部洼地或溶蝕溝槽中呈軟塑狀，具有一定的脹縮性，厚度0.50～6.10 m，混少量碎石。

③-1灰?guī)r：灰色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀，上部溶蝕溝槽及節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部夾薄層泥質(zhì)灰?guī)r，巖體較破碎，場地范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀225°～250°∠6°～15°。基巖面起伏較大，該層多為中等風(fēng)化。

③-2泥灰?guī)r：灰白色、淺灰色，隱晶結(jié)構(gòu)，薄層狀，斜層理構(gòu)造。此層厚度變化較大，多呈夾層狀分布，層中裂隙較發(fā)育，裂面見方解石膜。泥質(zhì)含量高的巖石具失水干裂、遇水崩解的特性。泥灰?guī)r表層多為強風(fēng)化，厚度一般0.50～1.0 m。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 邊坡分類與分布

電廠外圍的挖方邊坡主要分布在廠區(qū)北側(cè)，填方邊坡主要存在南側(cè)、西側(cè)和東側(cè)。按成因、巖性、坡高、坡度等分類依據(jù)，場地主要邊坡的分類見表1。

2.2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算剖面選取

2.2.1 巖質(zhì)邊坡裂隙玫瑰花圖及等密度圖。

根據(jù)現(xiàn)場實際測量的95組裂隙繪制傾向玫瑰花圖和等密度圖(圖1、圖2)。

巖層層面極可能是邊坡失穩(wěn)時的受剪破裂面，巖層層面是控制邊坡穩(wěn)定的主要外傾結(jié)構(gòu)面。廠區(qū)范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀225 °～235 °∠9 °～15 °，區(qū)域內(nèi)巖層中主要發(fā)育有三組構(gòu)造裂隙：(1)120 °～130 °∠72 °～80 °張性裂隙 2-3條/m；(2)45 °～55 °∠77 °～86 °張性裂隙 2-3條/m；(3)165 °～175 °∠20 °～30 °剪性裂隙 3-4條/m。巖體完整程度定性劃分為較破碎(Ⅳ類巖體)。

表1 場地邊坡分類及分布

圖1 傾向玫瑰

圖2 等密度

2.2.2 巖質(zhì)邊坡赤平投影分析

根據(jù)巖層產(chǎn)狀與坡向的關(guān)系，結(jié)合剖面圖對巖石挖方邊坡進(jìn)行初步的分析后，選取具有代表性的北側(cè)挖方邊坡作為標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行赤平投影穩(wěn)定性分析(圖3)。

圖3 赤平投影

根據(jù)赤平投影，坡向C、L1、L2和L3結(jié)構(gòu)面組合交割線傾向與坡向的夾角為30～ 64 °。巖質(zhì)邊坡可能發(fā)生小型楔形體滑移破壞，或發(fā)生整體平面滑動破壞。該剖面位置邊坡穩(wěn)定類型為可能滑動，L3極可能是邊坡失穩(wěn)時的受剪破裂面(圖4)。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計算剖面選取2-2`、4-4`、8-8`剖面位置挖方邊坡進(jìn)行定量計算。

圖4 L3結(jié)構(gòu)面實

L3結(jié)構(gòu)面結(jié)合情況為分離，起伏面平直光滑，張開度約小于3 mm，由巖屑夾泥充填。判定結(jié)構(gòu)面結(jié)合差。結(jié)構(gòu)面抗剪強度指標(biāo)取值根據(jù)GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中表4.3.1，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度按較差取較低值：c=60 kPa，φ=22 °，重力密度以灰?guī)r取值：r=26.0 kN/m3，浸水時抗剪強度取低值：c=50 kPa，φ=18 °，重力密度以灰?guī)r取值：r=26.5 kN/m3，并假定邊坡沿較為不利的L3裂隙面受剪破壞。

2.3 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性計算剖面選取

西側(cè)、南側(cè)及東側(cè)邊坡地段大部分為溶蝕洼地，場平后形成高達(dá)5.0～30.6 m的填方邊坡，最有可能的破壞方式為場地上部的填土受剪破壞。從地形坡度、坡向及臨空面上分析，沿11-11′、13-13、15-15′剖面的高填方土質(zhì)邊坡，為最容易失穩(wěn)的邊坡，需要試算其滿足穩(wěn)定安全系數(shù)要求的放坡值。

2.4 計算工況

根據(jù)場區(qū)內(nèi)實際情況，以及工程建設(shè)特點，本次穩(wěn)定性評價過程中考慮以下兩種工況：

工況1：天然狀態(tài)，該工況考慮的荷載主要有巖土體自重的坡體穩(wěn)定性；

工況2：天然+暴雨，該工況除考慮巖土體自重外還包括因降雨引起的巖土體強度降低，巖土體自重增加后的坡體穩(wěn)定性。

2.5 邊坡邊界計算條件

邊坡的邊界條件以總平面布置圖示中的邊坡位置、放坡界限及場平標(biāo)高等確定邊坡的分級和放坡比等。各層巖土取值如表2。

巖質(zhì)邊坡按直接開挖，暫不考慮任何支護(hù)措施。廠區(qū)巖石裂隙發(fā)育，巖石較破碎，結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度按差取較低值。

填土按人工回填碎石土，碎石土按5∶5的土石比強夯或分層碾壓回填。參考同類工程經(jīng)驗，假定碎石土物理力學(xué)指標(biāo)，計算時按不設(shè)支擋考慮。

場平后場地匯水條件有限且場地北側(cè)已考慮了截洪溝，計算時不考慮地下水滲流力作用。場地地震烈度為Ⅵ度，分析中不考慮地震對穩(wěn)定系數(shù)的影響，邊坡頂部不考慮任何外加荷載作用。

受試驗條件所限，試驗所得參數(shù)不能直接作為穩(wěn)定性評價的計算參數(shù)，根據(jù)試驗結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查及GB 50330-2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》綜合得出本次穩(wěn)定性計算的參數(shù)。

2.6 計算方法

2.6.1 巖質(zhì)邊坡計算方法

根據(jù)邊坡巖體裂隙發(fā)育狀況、性質(zhì)、充填程度，預(yù)測挖方邊坡的破壞模式為小型楔形體滑移破壞或沿裂隙L3發(fā)生平面滑動破壞，采用GEO5計算軟件計算天然狀態(tài)(工況一)和暴雨狀態(tài)(工況二)下巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

巖石挖方邊坡的穩(wěn)定性計算，采用平面滑動法時，按下式進(jìn)行計算：

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2.6.2 土質(zhì)邊坡計算方法

根據(jù)填方邊坡的填土材質(zhì)，采用圓弧滑動法計算天然狀態(tài)(工況一)和暴雨狀態(tài)(工況二)下土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。采用GEO5計算軟件自動搜索最危險的滑面，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可按下式計算：

Ri=Nitgi+ciLi

Ni=(Gi+Gbi)cosθi+Pwisin(αi-θi)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Pwicos(αi-θi)

2.7 邊坡穩(wěn)定性定量評價

2.7.1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定量評價計算模型

通過對地形條件和地層條件的分析，根據(jù)巖層產(chǎn)狀與坡向的關(guān)系，結(jié)合剖面圖對巖石挖方邊坡進(jìn)行初步的分析后，選取最危險的2-2`、4-8`和8-8`剖面作為標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算。

在搜集各邊坡地段的巖土分布結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，對場地中邊坡進(jìn)行了如下定量分析和假定。北側(cè)挖方邊坡高10～45 m，假定挖方邊坡按照每級7 m，馬道寬2 m分級放坡。

根據(jù)GEO5軟件分析楔形體滑移分析，裂隙面L1與L3、裂隙面L3與L2可能修成的楔形體懸挑；基巖層面C與L1發(fā)生楔形體滑移破壞的穩(wěn)定性系數(shù)為2.5；基巖層面C與L3發(fā)生楔形體滑移破壞的穩(wěn)定性系數(shù)為2.85；裂隙面L2與層面C和裂隙面L1均不形成楔形體。基巖在自然條件下不存在于廠區(qū)北側(cè)坡體上發(fā)生楔形體滑移破壞的條件(圖5、圖6)。

圖5 楔形體滑移破壞計算

圖6 沿L3整體滑移計算

2.7.2 土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性定量評價計算模型

通過對地形條件的分析，填方邊坡地段選取具有代表性的11-11`、13-13`和15-15`剖面作為標(biāo)準(zhǔn)剖面進(jìn)行巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算。在搜集各邊坡地段的巖土分布結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定的各種因素，對場地中邊坡進(jìn)行了如下定量分析和假定。西側(cè)、南側(cè)及東側(cè)挖方邊坡高5.0～24.5 m，假定挖方邊坡按照每級7 m，馬道寬2 m分級放坡。結(jié)合地層分布及現(xiàn)場實際情況，采用不平衡推力法(隱式)法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，計算模型見圖7。

圖7 土質(zhì)邊坡圓弧形滑移計算

2.8 極限應(yīng)力平衡計算

計算過程中，巖石邊坡根據(jù)邊坡地段的地形、坡向、巖層產(chǎn)狀選擇具有代表性的可能失穩(wěn)的剖面，并且按巖石結(jié)構(gòu)面結(jié)合差取值。土質(zhì)邊坡以假定的填土參數(shù)，采用圓弧法進(jìn)行計算。計算結(jié)果如表3。

綜合以上巖質(zhì)邊坡、土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性計算，從計算結(jié)果中可以看出：采用直線滑動法計算，巖質(zhì)邊坡在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.22～2.07，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨飽和狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.00～1.68，巖質(zhì)邊坡建議放坡比采用1∶1.0。土質(zhì)邊坡采用圓弧法計算，在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為1.18～1.78，處于穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨飽和狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)為0.83～1.29，土質(zhì)邊坡建議放坡比采用1∶2.5。

2.9 邊坡發(fā)展變化趨勢及危害性預(yù)測

北側(cè)巖質(zhì)邊坡放坡比采用1∶1.0時發(fā)生整體下滑的可能性小，但其基巖抗風(fēng)化能力較差，由于坡度較陡，節(jié)理裂隙

表3 邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果

發(fā)育，在暴雨飽和工況下可能出現(xiàn)小規(guī)模掉塊、局部崩塌等現(xiàn)象威脅廠區(qū)內(nèi)安全。

填方區(qū)土質(zhì)邊坡放坡比采用1∶2.5時在暴雨飽和工況下處于基本穩(wěn)定～穩(wěn)定狀態(tài)，局部可能發(fā)生圓弧形滑動破壞。

3 結(jié)束語

(1)填方邊坡穩(wěn)定性計算是在假定填土料的物理力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上、且不考慮坡頂外加荷載的情況下而進(jìn)行的，巖石挖方邊坡穩(wěn)定性計算中結(jié)構(gòu)面參數(shù)也是根據(jù)工程情況，按結(jié)構(gòu)面參數(shù)適當(dāng)取值。若設(shè)計條件或其它條件發(fā)生大的變化，應(yīng)按新的設(shè)計條件重新進(jìn)行分析和評價。

(2)要求對大型高邊坡應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，驗證設(shè)計是否達(dá)到預(yù)期目的，否則及時采取補救措施。