謝懷前，譚光杰，潘 峰

(西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021)

1 概述

某大型火力發(fā)電廠工程地處濕潤(rùn)氣候區(qū)，其多年平均相對(duì)濕度達(dá)85%，多年年平均降水量1061.7mm，多年極端最高氣溫37.2℃，多年極端最低氣溫－9.8℃?？睖y(cè)期間對(duì)電廠周邊公路近期開(kāi)挖的泥灰?guī)r邊坡進(jìn)行了細(xì)致地調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)即便是坡度很緩的開(kāi)挖邊坡，只要暴露在濕潤(rùn)的空氣中一段時(shí)間，都會(huì)發(fā)生不同程度的滑塌，因此對(duì)廠區(qū)冷卻塔北東側(cè)可能形成的泥灰?guī)r開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題引起了高度重視。

2 泥灰?guī)r工程特性

2.1 概述

泥灰?guī)r主要是指在溫度不高和壓力不大的條件下形成的化學(xué)沉積巖，粘土基質(zhì)含量高，通?？蛇_(dá)到30%～50%，膠結(jié)程度差，顏色主要有灰色、黃色、褐色和紅色等，泥灰?guī)r滴鹽酸起泡后留有泥質(zhì)斑點(diǎn)，致密結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)薄層狀構(gòu)造，極易風(fēng)化，單軸飽和抗壓強(qiáng)度很低，一般6～30MPa，少數(shù)小于1 MPa。開(kāi)挖暴露在大氣中易吸水膨脹、濕化崩解，強(qiáng)度迅速降低。

另外,泥灰?guī)r還具有強(qiáng)烈的溶蝕特性，其巖體溶蝕后的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律為：變形模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角均隨溶蝕體積的增長(zhǎng)近似呈負(fù)指數(shù)規(guī)律下降，而泊松比隨溶蝕體積的增長(zhǎng)近似呈指數(shù)規(guī)律上升。

2.2 巖石室內(nèi)試驗(yàn)

29個(gè)3組試件的塊體密度、比重、含水率、吸水率、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、軟化系數(shù)、泊松比、抗剪斷及抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果及前期試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.2.1 密度、含水率、吸水率

3組試件的濕密度、干密度、含水率、吸水率平均值見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r等巖石物理性質(zhì)

從表1可以看出強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r的含水率可達(dá)5.50%，吸水率高達(dá)9.43%。如此高的吸水率與干、濕密度的差異同巖體內(nèi)的節(jié)理和微裂隙的強(qiáng)烈發(fā)育程度有關(guān)。因此，該類(lèi)巖體的力學(xué)性質(zhì)具有較大的各向異性。另外，強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r在天然狀態(tài)下，含水率較中風(fēng)化泥灰?guī)r高；飽水情況下，吸水率也較中風(fēng)化巖石高，因此，風(fēng)化作用對(duì)泥灰?guī)r的水理性質(zhì)影響較大，特別是對(duì)于微細(xì)層理極其發(fā)育的薄層狀泥灰?guī)r。

2.2.2 單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、軟化系數(shù)及抗剪強(qiáng)度

根據(jù)每組巖樣的成分及結(jié)構(gòu)特征，選擇了29個(gè)試件中的8個(gè)做天然抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，5個(gè)試件做飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，7個(gè)試件做烘干抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。為便于對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果作統(tǒng)計(jì)分析，試驗(yàn)結(jié)果中已將任意高徑比試件的抗壓強(qiáng)度值按照修正公式換算為高徑比2:1的標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度值。

在進(jìn)行試件天然抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行單軸壓縮變形的試驗(yàn)，各組巖樣的平均彈性模量、相應(yīng)的泊松比、軟化系數(shù)及單軸抗壓強(qiáng)度修正值指標(biāo)值見(jiàn)表2。

表2 強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r等巖石物理力學(xué)參數(shù)

由表2可知，含水狀態(tài)下，泥灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度有較大程度的降低，即水對(duì)風(fēng)化泥灰?guī)r強(qiáng)度性質(zhì)的影響較大，且風(fēng)化作用越強(qiáng)，水對(duì)巖體強(qiáng)度性質(zhì)的影響越大。因此，對(duì)于泥灰?guī)r強(qiáng)度性質(zhì)的分析必須考慮風(fēng)化作用和其水理性質(zhì)。

2.3 原位測(cè)試

對(duì)巖土層分別進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)和N120超重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)等原位測(cè)試。

2.3.1 平板載荷試驗(yàn)

巖基載荷試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 各載荷試驗(yàn)點(diǎn)的變形模量、地基承載力基本值

強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r的地基承載力不高，且浸水狀態(tài)下承載力降低。特別是強(qiáng)風(fēng)化薄層狀泥灰?guī)r，其地基承載力基本值在浸水情況下降低37.5%。

2.3.2 N120動(dòng)力觸探實(shí)測(cè)

N120超重型動(dòng)力觸探進(jìn)入薄層狀泥灰?guī)r深度見(jiàn)表4。

表4 N120進(jìn)入薄層狀泥灰?guī)r深度

由表4可知：N120進(jìn)入薄層狀泥灰?guī)r深度最深2.60m，最淺0.60m，由此可定性地判斷該類(lèi)巖體屬于抗擾動(dòng)性能較差的軟質(zhì)巖。

3 邊坡工程地質(zhì)條件

該邊坡位于冷卻塔北東側(cè)，為廠區(qū)挖方規(guī)模最大的一個(gè)邊坡。按設(shè)計(jì)提供的以建筑系中的坐標(biāo)點(diǎn)(86834.06，86493.87)為圓心，半徑約82m的圓弧形向其北東側(cè)以1：1的坡率放坡，將形成高31.10m的土巖組合型挖方邊坡。由于本地段巖層產(chǎn)狀為355°∠32°，大致以剖面11——11’為界，以北地段形成邊坡類(lèi)型按“巖層傾向與坡面傾向的關(guān)系”分將形成切層邊坡，剖面11——11’以南局部的形成近似的順層邊坡。

3.1 地形地貌

該邊坡屬于低中山地貌，地形坡度為10°～30°，邊坡北東側(cè)與主變壓器東側(cè)邊坡緊連，東側(cè)主要為平坦開(kāi)闊的洪積洼地，北東側(cè)為廠區(qū)一條較大深切沖溝，切割深度20m～30m，自然邊坡穩(wěn)定。

3.2 地層巖性

邊坡上覆第四系土層主要為分布于土巖界面附近的厚度較小的②1層軟～流塑狀粘性土以及②2層可～硬塑狀粘性土，厚度為0.6m～3m；下伏④層基巖全部為關(guān)嶺組地層，巖層傾向約355°，傾角32°，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和薄層狀泥灰?guī)r。其中薄層狀泥灰?guī)r微細(xì)層理結(jié)構(gòu)是其與泥灰?guī)r區(qū)別的重要標(biāo)志。

3.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

邊坡區(qū)位于彝良～洛旺復(fù)向斜東段的東南翼和羊場(chǎng)～瓦石背斜的瓦石背斜北西翼。該邊坡巖體結(jié)構(gòu)面以巖層層面與層理為主，形態(tài)平直稍粗，層面寬度約5mm，結(jié)合較好，少數(shù)充填巖屑和粘性土，層理寬約1mm，結(jié)合好，無(wú)充填；另外發(fā)育的節(jié)理裂隙主要有270°～ 290°∠ 70°～ 90°、120°～ 140°∠ 60°～ 85°和 260° ～ 280° ∠ 30° ～ 50° 三組。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306－2001 A1)，場(chǎng)地地震水平動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

3.4 地下水

場(chǎng)地中地下水賦存介質(zhì)不同主要為第四系土層中孔隙水和巖體中的基巖裂隙水。孔隙水在第四系覆蓋層中局部存在，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量較小，以蒸騰和向基巖中下滲的形式排泄；基巖裂隙水主要經(jīng)地面滲入，儲(chǔ)存于巖體裂隙和結(jié)構(gòu)面中，透水性不均勻，具有弱承壓性質(zhì)，在基巖剝蝕面陡變處局部出露。

據(jù)場(chǎng)地內(nèi)地下水水質(zhì)腐蝕性分析報(bào)告，按Ⅱ類(lèi)環(huán)境條件和弱透水層判定，場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋微腐蝕性。

4 泥灰?guī)r邊坡的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)

根據(jù)總平面布置圖及場(chǎng)地的地層巖性特征，該開(kāi)挖邊坡將形成三類(lèi)挖方邊坡：土質(zhì)邊坡、巖質(zhì)邊坡和土巖組合邊坡。

4.1 計(jì)算參數(shù)取值

由于本地段薄層狀泥灰?guī)r分布較廣泛，該類(lèi)巖體垂直層面方向的節(jié)理裂隙亦較發(fā)育，鉆探及周邊地質(zhì)調(diào)查揭示存在少量的基巖裂隙水，因此對(duì)于計(jì)算參數(shù)的取值問(wèn)題進(jìn)行了深入的分析，取值依據(jù)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

(1)依據(jù)巖石的試驗(yàn)成果(表2)，中風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r及薄層狀泥灰?guī)r在天然狀態(tài)下沿層理方向上及切層方向的抗剪強(qiáng)度離散性很大，計(jì)算采用最不利工況條件巖石試驗(yàn)參數(shù)，即內(nèi)聚力130kPa，內(nèi)摩擦角為23.1°。

(2)根據(jù)邊坡南西側(cè)公路邊基巖露頭所實(shí)測(cè)的地質(zhì)剖面資料、巖石室內(nèi)試驗(yàn)成果以及工程地質(zhì)手冊(cè)所提供的相關(guān)巖體參數(shù)，按“水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范”(GB/T5353－2006)巖體質(zhì)量指標(biāo)RMR分類(lèi)，計(jì)算出RMR值26.90，考慮到“坡高”、“結(jié)構(gòu)面條件”及“開(kāi)挖方式”等影響因素的修正，采用由中國(guó)水利水電邊坡工程登記小組于1997年在RMR－SMR體系基礎(chǔ)上提出的CSMR分級(jí)系統(tǒng)，并計(jì)算得出該邊坡的CSMR值為38.5，級(jí)別為Ⅳ類(lèi)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)聚力為0.13MPa(0.1～0.2)、內(nèi)摩擦角17.95° (15°～ 25° )。

(3)按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)得出基本巖體分級(jí)評(píng)分BQ值為142.50，推薦抗剪強(qiáng)度的內(nèi)聚力小于0.2 MPa、內(nèi)摩擦角小于27°。

(4)類(lèi)比陳祖煜等人編著的《巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析—原理·方法·程序》一書(shū)中提供的瀾滄江糯扎渡水電站溢洪道左邊墻邊坡等工程實(shí)踐所提供的不同風(fēng)化程度軟巖抗剪強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，將中風(fēng)化泥灰?guī)r的內(nèi)聚力130kPa折減為強(qiáng)風(fēng)化巖體后，約為80kPa。

通過(guò)以上分析及結(jié)合相關(guān)軟巖邊坡的工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算過(guò)程中，邊坡巖體天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度取值：內(nèi)聚力為80kPa、內(nèi)摩擦角23°。

依據(jù)表2的試驗(yàn)提供各類(lèi)風(fēng)化巖石的飽和抗壓強(qiáng)度與天然狀態(tài)抗壓強(qiáng)度的關(guān)系以及軟化系數(shù)，將飽和地下水位以下的邊坡巖體內(nèi)聚力折減按為天然狀態(tài)的約0.6折減，即內(nèi)聚力為48kPa；內(nèi)摩擦角按天然狀態(tài)的約0.75折減，即內(nèi)摩擦角18°。

故計(jì)算巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值以室內(nèi)巖石試驗(yàn)為基礎(chǔ)，且考慮巖體風(fēng)化程度、軟化性以及基巖裂隙水等影響因素；上部各土層的計(jì)算參數(shù)主要依據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)成果，具體見(jiàn)表5。

表5 各工況條件下計(jì)算參數(shù)取值

4.2 邊坡失穩(wěn)模式

該邊坡類(lèi)型主要有土質(zhì)邊坡、切層巖質(zhì)邊坡、土巖組合邊坡及局部順層巖質(zhì)邊坡。按《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218－94)計(jì)算得邊坡巖體的基本巖體分級(jí)評(píng)分BQ值為142.50，對(duì)應(yīng)的巖體質(zhì)量級(jí)別為Ⅴ類(lèi)；按“邊坡巖體質(zhì)量分級(jí)”分類(lèi)，CSMR值38.58，對(duì)應(yīng)的邊坡巖體質(zhì)量級(jí)別為Ⅳ類(lèi)?；谏鲜鰧?duì)冷卻塔北東側(cè)邊坡巖體質(zhì)量的分析評(píng)價(jià)，判定該邊坡的可能形成的失穩(wěn)模式有：整體圓弧滑動(dòng)、土層圓弧型滑動(dòng)、沿土巖結(jié)合面折線滑動(dòng)及局部塊體失穩(wěn)，其中最為突出的工程問(wèn)題是邊坡深開(kāi)挖后，極軟巖遇水軟化崩解以及快速風(fēng)化后所形成的邊坡淺表層巖體的滑塌問(wèn)題。

4.3 邊坡穩(wěn)定性分析

上部土質(zhì)邊坡按每一級(jí)邊坡坡高為5m，每臺(tái)階設(shè)3m馬道，下部巖質(zhì)邊坡按每一級(jí)坡高8m，每臺(tái)階設(shè)3m馬道，計(jì)算應(yīng)用“理正軟件邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模塊”，采用直線滑動(dòng)法、圓弧滑動(dòng)法及折線滑動(dòng)法分別計(jì)算，計(jì)算各邊坡穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表6、表7。

表6 典型剖面土質(zhì)邊坡各工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)

表7 典型剖面巖質(zhì)邊坡各工況條件下穩(wěn)定性系數(shù)

4.4 邊坡支護(hù)方案

依據(jù)表6及表7計(jì)算結(jié)果，結(jié)合自然邊坡坡形特征，提出以下2種支護(hù)方案：

(1)巖質(zhì)邊坡部分放坡比為1:1.25，設(shè)計(jì)坡高為最大達(dá)34.4m，每一級(jí)邊坡坡高8m，每一臺(tái)階設(shè)3.0m馬道時(shí)，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)僅為1.29～2.20，在極端工況下可能造成邊坡局部失穩(wěn)，故建議采用預(yù)應(yīng)力錨索格梁及噴射混凝土護(hù)面等支護(hù)措施，并注重截、排水措施的設(shè)計(jì)；上部土層按放坡比不宜小于1:3.00，否則應(yīng)設(shè)置擋土墻等支擋措施。

(2)巖質(zhì)邊坡部分按1:1.50放坡，設(shè)計(jì)坡高35.0m，每一級(jí)邊坡坡高8m，每一臺(tái)階設(shè)3.0m馬道時(shí)，其計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)為1.30～2.36；對(duì)于邊坡淺表層約10m范圍內(nèi)，可能存在的極軟巖遇水崩解及快速風(fēng)化而產(chǎn)生局部不穩(wěn)定現(xiàn)象，故建議采用格梁及格梁框架內(nèi)回填粘性土后噴排草籽綠化護(hù)坡方案；并注重截、排水措施的設(shè)計(jì)；上部土層按放坡比不宜小于1:3.00，否則應(yīng)設(shè)置擋土墻等支擋措施。

4.5 施工注意事項(xiàng)及邊坡監(jiān)測(cè)

邊坡工程設(shè)計(jì)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法，施工單位施工時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按相關(guān)規(guī)定施工。設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地邊坡的開(kāi)挖具體情況及時(shí)反饋信息，必要時(shí)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)做校核、修改和補(bǔ)充。邊坡在雨季施工時(shí)采取護(hù)坡措施，以防止雨水、地表水對(duì)邊坡的沖刷、滲透而影響邊坡穩(wěn)定。邊坡的修整與防護(hù)應(yīng)緊跟土方開(kāi)挖施工，由上至下開(kāi)挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)，避免人工邊坡裸露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而造成邊坡失穩(wěn)。

由于該邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，且邊坡巖體結(jié)構(gòu)特性較差，開(kāi)挖深度較深，無(wú)論是施工開(kāi)挖期間還是項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)初期均有必要對(duì)其開(kāi)展邊坡變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測(cè)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在闡述泥灰?guī)r工程特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合某電廠泥灰?guī)r邊坡穩(wěn)定性分析成果，形成以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)泥灰?guī)r工程特性是工程邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在控制性因素，邊坡施工工藝及地下水等條件是邊坡穩(wěn)定性的外在影響因素。而泥灰?guī)r巖石礦物成分及其沉積環(huán)境決定著泥灰?guī)r工程特性，另外，泥灰?guī)r的巖體結(jié)構(gòu)特性也不同程度的影響著其工程特性。

(2)工程邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算所采用的參數(shù)取值，應(yīng)以巖體試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合考慮到巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及特征、地下水條件以及試驗(yàn)方案等因素，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)地有效折算，使其力學(xué)特性與原位條件更加吻合，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)才更具合理性。

(3)邊坡開(kāi)挖監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括坡頂水平位移和垂直位移、地表裂縫、降雨和時(shí)間的關(guān)系、錨桿的拉力、地下水、滲水與降雨的關(guān)系以及易風(fēng)化巖體的風(fēng)化速度等，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目的，否則應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

(4)鑒于該工程的地層巖性的特點(diǎn)以及受征地范圍的限制，初步嘗試采用重力式擋土墻支擋邊坡上部土巖界面附近軟塑狀的粘性土等覆蓋層。

[1]GB50330—2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S]．

[2]劉海燕，等．泥灰?guī)r溶蝕模型力學(xué)效應(yīng)分析[J]．人民黃河．2009，31(7)．

[3]陳祖煜，等．巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析——原理、方法、程序．北京：中國(guó)水利水電出版社，2005．

[4]GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[5]GB50218—94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[6]DL/T5160—2002，火力發(fā)電廠巖土工程勘測(cè)技術(shù)規(guī)定[S]．

[7]常世驃，張?zhí)K民．工程地質(zhì)手冊(cè)[K]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．