玉环电厂岩质高边坡稳定性及工程设计方案.pdf

第40卷 增刊 2007年10月 武汉大学学报工学版 Engineering Journal of Wuhan University Vol. 40 Sup. Oct. 2007 作者简介高倚山19642 , 男,高级工程师,长期从事岩土工程研究. 文章编号1671288442007 S120552206 玉环电厂岩质高边坡稳定性及工程设计方案 高倚山 华东电力设计院,上海 200063 摘要结合华能玉环电厂岩质高边坡的具体实例,分析边坡工程地质环境和边坡可能的破坏模式,运用传统的 极限平衡原理和有限元法两种方法,对岩质高边坡进行稳定性研究,并根据实际情况提出一套工程设计方案. 关键词岩质高边坡;破坏模式;极限平衡原理;有限元法;景观绿化设计 中图分类号TU 457 文献标志码A Study on stability of rocky high slope of Yuhuan Power Plant GAO Yishan East China Electric Power Design Institute , Shanghai 200063 , China Abstract Taking the rocky high slope in Huaneng2Yuhuan Power Plant for example , the geological en2 vironment and potential failure mode of the slope are analyzed ; and the traditional limit balance principle and FEM are employed to research the slope stability. Finally , according to the local condition , a design scheme is put forward. Key words rocky high slope ; failure mode ; limit balance principle ; FEM ; landscape design 华能玉环电厂位于浙江省东南沿海瓯江口外、 大麦屿的北侧.由于场地平整需要挖山填海,将形 成高达100. 0 m以上的岩质高边坡.该工程边坡 位于厂址的南侧,NNE走向,长达800. 0 m以上. 岩质高边坡的特点是岩体结构复杂,断层、 节 理、 裂隙互相切割,块体极不规则[1],坡体应力水平 高,坡脚应力集中.若边坡发生破坏,将直接影响电 厂安全,应该对该岩质高边坡的稳定性作专门 论证. 本文将从岩体中结构面的产状与发育程度的 统计分析出发,分析边坡的破坏模式,运用传统的 极限平衡原理和有限元法两种方法,对该岩质高边 坡进行了稳定性研究. 1 地质条件 1. 1 地形地貌 边坡位于侵蚀剥蚀丘陵区,开挖工程边坡高程 最高处在边坡的东侧,山脊向西逐渐变低.山坡坡 度在25 ～40,局部可达45 左右.工程边坡走向与 山脊走向基本一致,主体走向约为20 左右,工程 边坡由西向东逐渐升高,边坡最高高度达110. 0 m 左右.厂址及周围丘陵的地形较完整,冲沟比较发 育,山坡上局部可见小型滑坡的痕迹,在山前局部 可见滑坡作用造成的坡崩积层堆积. 1. 2 岩土体性质 边坡工程地质岩组较为单一,其主体为侏罗系 高坞组 J 3g灰、 深灰、 灰紫色块状英安质晶屑熔结 凝灰岩,其次为流纹质玻屑熔结凝灰岩.该组岩石 强度较高,为坚硬岩,其单轴饱和抗压强度为60. 0 MPa左右,软化系数为0. 8左右.全风化层分布变 化较大,一般情况下缺失,局部可厚达数10 m ;强 风化层厚度在5. 0 m之内.工程边坡主体为块状 结构,局部节理发育地段呈碎裂结构,偶尔在节理 密集带也可见到碎裂～散体结构.边坡岩体类型以 Ⅲ、 Ⅳ 类为主.山坡表面一般为第四系覆盖层所覆 盖,第四系以坡洪积为主,岩性为粘性土夹块石,分 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增刊高倚山玉环电厂岩质高边坡稳定性及工程设计方案 选性较差,厚度一般在2. 0 m左右,局部可达5. 0 m ,在工程边坡东侧分布较厚. 1. 3 节理性质及区域构造特点 边坡岩体结构面以原生和构造节理为主.从边 坡周围统计的结构面分析,结构面走向主要为 NNE、NEE、NWW和NNW4组,结构面大部分平 直,少量呈波状起伏,无充填物或局部为泥质充填, 偶见结构面粗糙、 蚀变.结构面属硬性结构面,结合 程度差.地表浅部分布有次生表生结构面,主要为 风化卸荷裂隙.区域构造以断裂构造为主,发育的 主要断裂为NWW向与NE向2组. 2 破坏模式分析 边坡工程坡形设计是在边坡整体基本稳定的 前提下,为维护边坡的设计轮廓,加固可能局部失 稳的部位,改善边坡的应力条件,调动边坡岩体的 自稳能力,以增加边坡的稳定性,而采用适当的补 强措施,为 “防范于未然”,目的是防止滑坡的发 生[2].根据工程地质条件及设计意图,边坡整体坡 率按1∶1. 2考虑,设计坡形共分为8个台阶,如图 1所示. 图1 设计坡形 在工程边坡周围露头选择了5个典型地段,对 岩体结构面产状进行了统计.本文选取其中具有代 表性的1号窗,其优势结构面极点等密图见图2.可 以看出该处共有5个等密中心,其中心结构面的产 状从多到少依次为 ①80 ∠75;②50 ∠50;③111 ∠59;④358 ∠58;⑤250 ∠70.该5组结构面倾 角均在50 以上,其中 ④ 结构面与坡面同倾. 取台阶坡率1∶0. 25 ,整体坡率1∶1. 2.优势 结构面密度中心赤平投影图解见图3.根据分析可 知,对于1号统计窗局部坡率1∶0. 25 ,φ 30 时,其潜在破坏模式为平面滑动、 楔形滑动;整体坡 率为1∶1. 2 ,φ 35 时,唯一可能的破坏模式为楔 形滑动.而对于硬质岩边坡,发生折线滑动和圆弧 滑动的可能性较小. 3 稳定性分析 由于工程边坡的稳定性直接影响电厂的安全, 因此边坡稳定性分析是重要的基础工作,其分析结 果可用于边坡治理和支护设计. 3. 1 安全系数计算 岩体边坡破坏绝大部分为滑动破坏.因此,按 滑动面的形态与组合,将岩体边坡破坏类型划分为 平面滑动、 楔形滑动、 折线滑动.评定岩体稳定性通 常采用安全系数法 极限平衡原理. 3. 1. 1 平面滑动 安全系数计算公式为[3] Fs W1 K2Hcosαθtanφ CL W1 K2Hsinαθ 1 式中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. 3.1.2 楔形滑动 安全系数计算公式为 [3] Fs RAtanφA RBtanφB CASA CBSB W1 K2Hsinαθ 2 式中RA、RB为结构面A、B的正压力;SA、SB为结 构面A、B的面积;W为滑块重量; KH为水平地震 影响系数;α为组合交线倾角. 3.2 计算结果 在岩质边坡稳定计算中,除边界条件滑动几 何形态参数外,通常认为影响稳定性分析结果的 力学参数主要是c、φ值.本工程将参数取值建立在 地质分析的基础上,充分利用了有限的试验资料, 对工程性质相似的结构面或工程岩组,根据现场试 验资料采用定量类比的方法进行参数取值.经初步 反推和综合分析,计算采取的强度参数见表1. 整体边坡坡率为1∶1.2时,各个统计窗的结 构面优势中心均不存在平面滑动,只有潜在楔形滑 动.稳定性计算表明,其安全系数大于4.0,因而, 整体边坡是稳定的. 当局部边坡取坡率为1∶0.25时,用优势中心 判断都可能发生边坡的平面滑动和楔形滑动,这和 野外调查情况相一致.1号窗的稳定性计算结果见 表2,该统计窗内楔形滑动组合大部分是稳定的, 对局部不安全组合需进行边坡支护以满足稳定性 355 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 武汉大学学报工学版2007 图2 1号窗等密图 图3 1号窗赤平投影图解 要求. 综合各统计窗计算结果,当台阶坡率为1∶ 0.25和1∶0.9时存在多个不安全组合;当台阶坡 率为1∶1.2时相对较稳定,但考虑到边坡上部风 化严重、 岩性较破碎以及结构面的离散性,台阶边 坡仍需要进行支护才能满足稳定性的要求. 表1 计算参数 计算条件 内摩擦角 φ / 粘聚力 c/ kPa 重度 γ/ kNm- 3 水平地震影响 系数KH 边坡高度 H/ m 台阶边坡3010. 026. 00. 0515. 0 整体边坡3590. 026. 00. 05110. 0 表2 1号窗稳定性计算结果 组合 序号 面号面号 滑向 / 倾角 / 滑体体积 / m3 安全系数 剩余下滑力 / kN 1D1D2238. 8245. 72. 4510- 9. 811103 2D1D41456. 9122. 30. 9361 2. 495103 3D2D44149. 630. 951. 7890- 1. 097103 4D3D45442. 07. 0093. 6108- 4. 403102 5D4D531549. 4477. 61. 0147- 9. 569103 455 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增刊高倚山玉环电厂岩质高边坡稳定性及工程设计方案 4 有限元分析 4. 1 计算模型及参数 根据现有边坡的实际地质模型,基于线弹性理 论的本构方程,通过有限元模拟分析,可以定性地揭 示和模拟边坡的破坏、 变形和失稳前后的过程和机 制,并对边坡的加固及整治提供可行的论证和建议. 本次计算选取的是人工边坡高程最高的典型 剖面,采用的是线弹性的有限元模型[4],该有限元 模型采用的是精度较高的八结点等参单元,计算时 将其视为二维平面应变问题.根据工程类比及有关 规范和试验参数,计算参数选取如表3. 表3 FEM模型中所用的材料计算参数 材料编号材料名称 弹性模量 E/ GPa 泊松比 υ 重度 γ/ kNm- 3 粘聚力 c/ kPa 内摩擦系数 f 1覆盖层与强风化凝灰岩0. 80. 37520. 0200. 45 2中等风化凝灰岩35. 00. 3323. 01000. 55 3微风化2新鲜凝灰岩70. 00. 2926. 03500. 74 4. 2 计算成果及分析 图4是6度地震力影响下的安全系数等值线 图.如图4所示,安全系数总体来看基本上大于 1. 0 ,只在边坡坡面垂直向下的浅层部位有小于1. 5 或1. 35的潜在塑性区,尤其是靠近坡顶处安全系 数较小,如果在此区域采用锚杆支护,将会有效地 缩小塑性区的范围.另外,地震烈度越大,塑性区的 范围也相应变大.图中可以看出,安全系数小于 1. 35的区域只在坡脚与坡顶的很小范围内出现,其 深度在1. 0～2. 0 m ;安全系数为1. 5的等值线沿 坡面呈不连续分布,其深度在6. 0 m左右. 如图5所示,边坡岩体主应力以压应力为主. 在深部最小主应力和最大主应力分别呈竖向和水 平向分布.边坡表层区域主应力方向偏转,最小主 应力为顺坡方向,最大主应力与坡面垂直.最大 主应力随深度增加而逐渐增大,其在边坡表层的 分布较复杂.受软硬地层组合结构的影响,最小 主应力分布规律较复杂,一般情况下,对软硬相 间的地层,软层部位最小主应力较小,而硬岩的 最小主应力较大.在各个剖面的坡顶表层部位均 出现有一定的主拉应力区,大致分布在坡面以下 3. 0～5. 0 m深度范围内,其位置与卸荷裂隙的发 育区基本一致.在总体边坡的坡脚处出现应力集 中,σ1明显增大,σ3则较小,此处需采取支护措施 以重点保护. 根据有限元计算成果,得到以下结论 1 在开 挖后的自然状态下,边坡的位移变形量较小,且由 浅部向深部递减 ;2 应力分布呈现出一定的规律, 边坡坡面以下的浅部区域3. 0～5. 0 m深度范围 内有拉应力出现,该部位应予以加固 ; 3 总体边 坡的坡脚处主应力差较大,需用较厚的加筋混凝土 板墙支护 ;4 塑性区的分布与主拉应力区的分布 基本一致,地震烈度的增大会造成塑性区的扩展; 5随着地震烈度的增加,边坡的水平位移呈增大 趋势但不影响整体稳定,按设计方案,边坡能满足 抗震要求. 图4 安全系数图 K H 0.05 图5 应力矢量图 K H 0.05 555 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 武汉大学学报工学版2007 5 设计方案 边坡工程设计包括支护结构设计、 景观绿化设 计和排水系统设计等,各方案紧密相关,应综合考 虑、 合理设计. 5. 1 支护结构设计 该边坡采取两种形式的支护结构坡底采用钢 筋混凝土板墙与锚杆相结合的方案;其他坡面采用 锚喷网支护,以防止松散岩体发生崩塌、 掉块. 根据该边坡的地层性质,采用全长粘结型普通 水泥砂浆锚杆,这种锚杆具有结构简单、 制造安装 方便等优点,在岩面上锚杆呈梅花形布置.以平面 滑动为例,锚杆的锚固力可根据下式求得 T { W1 K2Hsinβθ[ Fs] - cosβθtanφ - CL}/ {cosβθδ[ Fs] sinβθδtanφ} 式中T为作用于边坡滑体上的加固力;δ为锚杆 与水平面夹角,以15 ～35 为宜;其他参数的意义 同式 1 . 然后根据相关规范分别计算锚杆数量、 锚杆钢 筋截面面积和锚固段长度[5]. 通过有限元分析可知,由于岩质高边坡的坡脚 处应力集中,主应力差较大,因此须对锚杆加密加 长.而且为了保证坡脚的稳定性,控制坡脚的变形, 用较厚的加筋混凝土板墙和锚杆支护相结合,混凝 土板可按照受主动岩石压力进行设计,并每隔20 ～25 m长度分段设置竖向收缩缝,缝内用沥青麻 丝充填. 5. 2 景观绿化设计 巨大的边坡开挖面和人工构筑物,对自然环境 破坏严重.边坡绿化工程设计就是对裸露岩面进行 人工覆绿,尽可能使覆绿植被自然生长,重现自然 风貌,绿化设计方案如下 1坡脚.采用草坪和灌木、 乔木3层,配合其 他建筑设施,如广场喷泉、 雕塑群等,构成供游人休 憩、 参观的景观带. 2坡面.锚喷网支护后进行喷混植生.根据玉 环地区的条件,选择黑麦草和白喜草、 百慕大,冷暖 季性搭配的草种喷混绿化. 3马道.在一侧或两侧设置种植槽,内侧种植 槽栽植长绿藤本植物如爬山虎、 常青藤和开花藤 本植物如蔷薇 , 在支架、 绳子的牵引帮助下,向上 覆盖坡面;外侧种植槽栽植开花藤本植物如金银 花、 迎春花 , 引其向下覆盖坡面,并配以适量的灌 木,使其成为景观平台. 5. 3 排水系统设计 为了降低水对边坡稳定性的不利影响,在坡体 的相应位置分别设置排水. 1坡体外的地表水采取拦截旁引的方法,阻 止地表水流向滑坡体,在边坡潜在塌滑区后缘设置 一定数量的截水沟拦截流向坡体的地表径流,并设 置排水沟引至坡体外或坡脚下厂区的地面排水系 统中. 2在坡脚和马道内侧设置排水沟,汇集坡面 上的降水并予以排除. 3在坡面上设置一定数量的泄水孔,排除坡 体中的基岩裂隙水. 为了提高截流效果,减少工程量,截水沟大体 沿等高线布置,尽可能使沟渠垂直于流水方向;转 弯处以圆曲线相接,以减小水流的阻力.各种排水 设施,须地基稳固,不得渗漏或滞留,并具有适当纵 坡,以控制与保持适当的流速.此外,坡面及马道上 的植被,不仅可以减轻地表水对坡体表面的冲刷, 防止水土流失;而且可以蒸发水分,疏干土体,绿化 边坡. 6 结 语 1结合华能玉环电厂工程实例,计算结果及 设计方案经实践证明准确、 可靠. 2对岩质高边坡,尤其是硬岩边坡,应从分析 岩体的结构面产状与发育程度着手,对边坡的潜在 破坏模式进行分析.赤平投影是统计岩体结构面优 势中心行之有效的方法,可较准确地预测边坡的破 坏模式. 3影响岩质高边坡稳定性的关键因素在于岩 体的强度,而不是岩石本身的强度,因此在实际工 作中应重视野外基础地质工作,进行稳定性分析时 应充分考虑边坡介质的物理化学特性及地质构造. 4边坡工程设计时应将支护结构设计与景观 655 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 增刊高倚山玉环电厂岩质高边坡稳定性及工程设计方案 绿化、 排水系统设计综合考虑,在确保边坡安全稳 定的前提下,应尽可能降低开挖边坡对自然环境的 影响. 参考文献 [1] Hoek E W ,Bray J.岩石边坡工程[M].卢世宗等译. 北京冶金工业出版社,1993. [2] 刘建东,邵长云,陈征宙,等.裂隙岩体边坡稳定性分 析方法[J ].东华理工学院学报,2004 ,27 3 2552 259. [3] 罗国煜,李生林.工程地质学基础[M].南京南京大 学出版社,1990. [4] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京中国水 利电力出版社,2003 44260. [5] 郑生庆,郑颖人.建筑边坡工程技术规范[ S].北京 中国建筑工业出版社,2002 33236. 755 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.