湿润区泥灰岩开挖边坡稳定性分析

谢怀前，谭光杰，潘 峰

(西南电力设计院，四川 成都 610021)

1 概述

某大型火力发电厂工程地处湿润气候区，其多年平均相对湿度达85%，多年年平均降水量1061.7mm，多年极端最高气温37.2℃，多年极端最低气温－9.8℃。勘测期间对电厂周边公路近期开挖的泥灰岩边坡进行了细致地调查后，发现即便是坡度很缓的开挖边坡，只要暴露在湿润的空气中一段时间，都会发生不同程度的滑塌，因此对厂区冷却塔北东侧可能形成的泥灰岩开挖边坡稳定性问题引起了高度重视。

2 泥灰岩工程特性

2.1 概述

泥灰岩主要是指在温度不高和压力不大的条件下形成的化学沉积岩，粘土基质含量高，通常可达到30%～50%，胶结程度差，颜色主要有灰色、黄色、褐色和红色等，泥灰岩滴盐酸起泡后留有泥质斑点，致密结构，常见薄层状构造，极易风化，单轴饱和抗压强度很低，一般6～30MPa，少数小于1 MPa。开挖暴露在大气中易吸水膨胀、湿化崩解，强度迅速降低。

另外,泥灰岩还具有强烈的溶蚀特性，其岩体溶蚀后的力学性质变化规律为：变形模量、内聚力、内摩擦角均随溶蚀体积的增长近似呈负指数规律下降，而泊松比随溶蚀体积的增长近似呈指数规律上升。

2.2 岩石室内试验

29个3组试件的块体密度、比重、含水率、吸水率、单轴抗压强度、弹性模量、软化系数、泊松比、抗剪断及抗剪强度的试验结果及前期试验结果如下。

2.2.1 密度、含水率、吸水率

3组试件的湿密度、干密度、含水率、吸水率平均值见表1。

表1 强风化泥灰岩等岩石物理性质

从表1可以看出强风化泥灰岩的含水率可达5.50%，吸水率高达9.43%。如此高的吸水率与干、湿密度的差异同岩体内的节理和微裂隙的强烈发育程度有关。因此，该类岩体的力学性质具有较大的各向异性。另外，强风化泥灰岩在天然状态下，含水率较中风化泥灰岩高；饱水情况下，吸水率也较中风化岩石高，因此，风化作用对泥灰岩的水理性质影响较大，特别是对于微细层理极其发育的薄层状泥灰岩。

2.2.2 单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、软化系数及抗剪强度

根据每组岩样的成分及结构特征，选择了29个试件中的8个做天然抗压强度试验，5个试件做饱和单轴抗压强度试验，7个试件做烘干抗压强度试验。为便于对单轴抗压强度的试验结果作统计分析，试验结果中已将任意高径比试件的抗压强度值按照修正公式换算为高径比2:1的标准试件抗压强度值。

在进行试件天然抗压强度试验的同时进行单轴压缩变形的试验，各组岩样的平均弹性模量、相应的泊松比、软化系数及单轴抗压强度修正值指标值见表2。

表2 强风化泥灰岩等岩石物理力学参数

由表2可知，含水状态下，泥灰岩的抗压强度有较大程度的降低，即水对风化泥灰岩强度性质的影响较大，且风化作用越强，水对岩体强度性质的影响越大。因此，对于泥灰岩强度性质的分析必须考虑风化作用和其水理性质。

2.3 原位测试

对岩土层分别进行了平板载荷试验和N120超重型圆锥动力触探试验等原位测试。

2.3.1 平板载荷试验

岩基载荷试验成果见表3。

表3 各载荷试验点的变形模量、地基承载力基本值

强风化泥灰岩的地基承载力不高，且浸水状态下承载力降低。特别是强风化薄层状泥灰岩，其地基承载力基本值在浸水情况下降低37.5%。

2.3.2 N120动力触探实测

N120超重型动力触探进入薄层状泥灰岩深度见表4。

表4 N120进入薄层状泥灰岩深度

由表4可知：N120进入薄层状泥灰岩深度最深2.60m，最浅0.60m，由此可定性地判断该类岩体属于抗扰动性能较差的软质岩。

3 边坡工程地质条件

该边坡位于冷却塔北东侧，为厂区挖方规模最大的一个边坡。按设计提供的以建筑系中的坐标点(86834.06，86493.87)为圆心，半径约82m的圆弧形向其北东侧以1：1的坡率放坡，将形成高31.10m的土岩组合型挖方边坡。由于本地段岩层产状为355°∠32°，大致以剖面11——11’为界，以北地段形成边坡类型按“岩层倾向与坡面倾向的关系”分将形成切层边坡，剖面11——11’以南局部的形成近似的顺层边坡。

3.1 地形地貌

该边坡属于低中山地貌，地形坡度为10°～30°，边坡北东侧与主变压器东侧边坡紧连，东侧主要为平坦开阔的洪积洼地，北东侧为厂区一条较大深切冲沟，切割深度20m～30m，自然边坡稳定。

3.2 地层岩性

边坡上覆第四系土层主要为分布于土岩界面附近的厚度较小的②1层软～流塑状粘性土以及②2层可～硬塑状粘性土，厚度为0.6m～3m；下伏④层基岩全部为关岭组地层，岩层倾向约355°，倾角32°，岩性主要为泥质灰岩、泥灰岩和薄层状泥灰岩。其中薄层状泥灰岩微细层理结构是其与泥灰岩区别的重要标志。

3.3 地质构造与地震

边坡区位于彝良～洛旺复向斜东段的东南翼和羊场～瓦石背斜的瓦石背斜北西翼。该边坡岩体结构面以岩层层面与层理为主，形态平直稍粗，层面宽度约5mm，结合较好，少数充填岩屑和粘性土，层理宽约1mm，结合好，无充填；另外发育的节理裂隙主要有270°～ 290°∠ 70°～ 90°、120°～ 140°∠ 60°～ 85°和 260° ～ 280° ∠ 30° ～ 50° 三组。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306－2001 A1)，场地地震水平动峰值加速度为0.05g，对应的地震基本烈度为Ⅵ度。

3.4 地下水

场地中地下水赋存介质不同主要为第四系土层中孔隙水和岩体中的基岩裂隙水。孔隙水在第四系覆盖层中局部存在，主要受大气降水补给，水量较小，以蒸腾和向基岩中下渗的形式排泄；基岩裂隙水主要经地面渗入，储存于岩体裂隙和结构面中，透水性不均匀，具有弱承压性质，在基岩剥蚀面陡变处局部出露。

据场地内地下水水质腐蚀性分析报告，按Ⅱ类环境条件和弱透水层判定，场地地下水对混凝土结构有弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋微腐蚀性。

4 泥灰岩边坡的稳定性分析评价

根据总平面布置图及场地的地层岩性特征，该开挖边坡将形成三类挖方边坡：土质边坡、岩质边坡和土岩组合边坡。

4.1 计算参数取值

由于本地段薄层状泥灰岩分布较广泛，该类岩体垂直层面方向的节理裂隙亦较发育，钻探及周边地质调查揭示存在少量的基岩裂隙水，因此对于计算参数的取值问题进行了深入的分析，取值依据主要从以下几个方面考虑：

(1)依据岩石的试验成果(表2)，中风化及强风化泥灰岩及薄层状泥灰岩在天然状态下沿层理方向上及切层方向的抗剪强度离散性很大，计算采用最不利工况条件岩石试验参数，即内聚力130kPa，内摩擦角为23.1°。

(2)根据边坡南西侧公路边基岩露头所实测的地质剖面资料、岩石室内试验成果以及工程地质手册所提供的相关岩体参数，按“水电水利工程边坡设计规范”(GB/T5353－2006)岩体质量指标RMR分类，计算出RMR值26.90，考虑到“坡高”、“结构面条件”及“开挖方式”等影响因素的修正，采用由中国水利水电边坡工程登记小组于1997年在RMR－SMR体系基础上提出的CSMR分级系统，并计算得出该边坡的CSMR值为38.5，级别为Ⅳ类，对应的内聚力为0.13MPa(0.1～0.2)、内摩擦角17.95° (15°～ 25° )。

(3)按《工程岩体分级标准》(GB50218－94)得出基本岩体分级评分BQ值为142.50，推荐抗剪强度的内聚力小于0.2 MPa、内摩擦角小于27°。

(4)类比陈祖煜等人编著的《岩质边坡稳定分析—原理·方法·程序》一书中提供的澜沧江糯扎渡水电站溢洪道左边墙边坡等工程实践所提供的不同风化程度软岩抗剪强度经验参数，将中风化泥灰岩的内聚力130kPa折减为强风化岩体后，约为80kPa。

通过以上分析及结合相关软岩边坡的工程经验，计算过程中，边坡岩体天然状态下抗剪强度取值：内聚力为80kPa、内摩擦角23°。

依据表2的试验提供各类风化岩石的饱和抗压强度与天然状态抗压强度的关系以及软化系数，将饱和地下水位以下的边坡岩体内聚力折减按为天然状态的约0.6折减，即内聚力为48kPa；内摩擦角按天然状态的约0.75折减，即内摩擦角18°。

故计算岩体的抗剪强度参数取值以室内岩石试验为基础，且考虑岩体风化程度、软化性以及基岩裂隙水等影响因素；上部各土层的计算参数主要依据室内土工试验结果的统计成果，具体见表5。

表5 各工况条件下计算参数取值

4.2 边坡失稳模式

该边坡类型主要有土质边坡、切层岩质边坡、土岩组合边坡及局部顺层岩质边坡。按《工程岩体分级标准》(GB50218－94)计算得边坡岩体的基本岩体分级评分BQ值为142.50，对应的岩体质量级别为Ⅴ类；按“边坡岩体质量分级”分类，CSMR值38.58，对应的边坡岩体质量级别为Ⅳ类。基于上述对冷却塔北东侧边坡岩体质量的分析评价，判定该边坡的可能形成的失稳模式有：整体圆弧滑动、土层圆弧型滑动、沿土岩结合面折线滑动及局部块体失稳，其中最为突出的工程问题是边坡深开挖后，极软岩遇水软化崩解以及快速风化后所形成的边坡浅表层岩体的滑塌问题。

4.3 边坡稳定性分析

上部土质边坡按每一级边坡坡高为5m，每台阶设3m马道，下部岩质边坡按每一级坡高8m，每台阶设3m马道，计算应用“理正软件边坡稳定性计算模块”，采用直线滑动法、圆弧滑动法及折线滑动法分别计算，计算各边坡稳定系数见表6、表7。

表6 典型剖面土质边坡各工况条件下稳定性系数

表7 典型剖面岩质边坡各工况条件下稳定性系数

4.4 边坡支护方案

依据表6及表7计算结果，结合自然边坡坡形特征，提出以下2种支护方案：

(1)岩质边坡部分放坡比为1:1.25，设计坡高为最大达34.4m，每一级边坡坡高8m，每一台阶设3.0m马道时，边坡稳定性系数仅为1.29～2.20，在极端工况下可能造成边坡局部失稳，故建议采用预应力锚索格梁及喷射混凝土护面等支护措施，并注重截、排水措施的设计；上部土层按放坡比不宜小于1:3.00，否则应设置挡土墙等支挡措施。

(2)岩质边坡部分按1:1.50放坡，设计坡高35.0m，每一级边坡坡高8m，每一台阶设3.0m马道时，其计算稳定性系数为1.30～2.36；对于边坡浅表层约10m范围内，可能存在的极软岩遇水崩解及快速风化而产生局部不稳定现象，故建议采用格梁及格梁框架内回填粘性土后喷排草籽绿化护坡方案；并注重截、排水措施的设计；上部土层按放坡比不宜小于1:3.00，否则应设置挡土墙等支挡措施。

4.5 施工注意事项及边坡监测

边坡工程设计应采用动态设计法，施工单位施工时应根据设计要求，按相关规定施工。设计应根据场地边坡的开挖具体情况及时反馈信息，必要时应对设计做校核、修改和补充。边坡在雨季施工时采取护坡措施，以防止雨水、地表水对边坡的冲刷、渗透而影响边坡稳定。边坡的修整与防护应紧跟土方开挖施工，由上至下开挖一级支护一级，避免人工边坡裸露时间过长，从而造成边坡失稳。

由于该边坡安全等级为一级，且边坡岩体结构特性较差，开挖深度较深，无论是施工开挖期间还是项目运营初期均有必要对其开展边坡变形、支护结构的应力应变等监测工作。

5 结语

本文在阐述泥灰岩工程特性的基础上，结合某电厂泥灰岩边坡稳定性分析成果，形成以下几点认识：

(1)泥灰岩工程特性是工程边坡稳定性的内在控制性因素，边坡施工工艺及地下水等条件是边坡稳定性的外在影响因素。而泥灰岩岩石矿物成分及其沉积环境决定着泥灰岩工程特性，另外，泥灰岩的岩体结构特性也不同程度的影响着其工程特性。

(2)工程边坡稳定性分析计算所采用的参数取值，应以岩体试验结果为基础，综合考虑到岩体节理裂隙的发育程度及特征、地下水条件以及试验方案等因素，对试验结果进行科学地有效折算，使其力学特性与原位条件更加吻合，边坡稳定性评价才更具合理性。

(3)边坡开挖监测内容应包括坡顶水平位移和垂直位移、地表裂缝、降雨和时间的关系、锚杆的拉力、地下水、渗水与降雨的关系以及易风化岩体的风化速度等，验证设计是否达到预期目的，否则应及时采取补救措施。

(4)鉴于该工程的地层岩性的特点以及受征地范围的限制，初步尝试采用重力式挡土墙支挡边坡上部土岩界面附近软塑状的粘性土等覆盖层。

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