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中图分类号：TL4文献标识码： A
摘要：本文旨在通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂高边坡的稳定性评价和设计方法，不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
前言
我国部分在建和规划中的核电厂边坡，高度均超过100m以上，并涉及到较为复杂的工程地质条件，超高边坡开挖已成为很多核电厂厂址不可回避的问题，但目前核电行业对如何开展高边坡设计工作并无统一认识，核电厂高边坡高度更是远远超过《建筑边坡工程技术规范》的适用范围，没有一个较好或较完善的国家规范，因此核电厂边坡的勘察设计存在着较大的盲目性和随意性。本文旨在通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂高边坡的稳定性评价和设计方法，不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
1、工程概况
某核电厂主厂区边坡位于东南沿海的半岛上，属低丘陵地貌，地形总体呈南北侧及西侧高，东侧低，最高海拔为200.3m。边坡最大高度约100m，总长度1050m，地质条件复杂多变，属花岗岩土岩组合边坡，岩质边坡最大高度约100m，土质边坡最大高度约30m，边坡坡脚距核岛厂房距离不足80m，属核安全级边坡，安全要求非常高，设计难度很大，平面图见图1。
图1 边坡平面布置图
2、边坡物理力学参数
边坡岩土体的物理力学参数是边坡稳定性评价和设计中最为重要的基础数据，为准确探明该边坡的物理力学参数，勘测中采用了单孔检层法波速测试、声波测井、大型原位直剪试验、压水试验、室内岩土试验等多种先进、合理的勘测手段，为高边坡稳定性评价以及边坡设计提供了翔实的基础地质资料。
本边坡主要由坡残积土层和花岗岩组成，对于土质边坡，强风化花岗岩的抗剪强度参数的确定是本工程一个难点，由于强风化花岗岩结构性强，且呈半岩半土状，取土对其扰动很大，因此常规室内试验很难准确测定其强度参数，为此专项定制设计大型原位岩体直剪试验，得到了强风化花岗岩设计参数。对于岩质边坡，岩石结构面强度参数以及节理岩体的综合抗剪强度参数，是另一个难点，设计中根据岩体结构面试验成果，结合国际先进的Hoek-Brown强度经验准则确定节理岩体的综合抗剪强度指标。各岩土体主要物理力学参数见表1~表3
表1土层及土状岩层物理力学参数推荐值
天然重度
(kN/m3) 饱和重度
(kN/m3) 抗剪强度
粘聚力C
(kPa) 内摩擦角Φ
（°）
残积砾质粘性土 17.4 19.1 13 31
全风化花岗岩 18.8 19.9 16 33
天然强风化花岗岩 19.0 20.1 47 39
饱和强风化花岗岩 — 20.1 40 34
表2 岩体结构面的力学指标推荐值
结构面类型 两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角
Φ( °)
中等风化岩体中断层 较软岩，结合差 50 15
中等风化岩体中节理 较软岩，结合一般 80 22
微风化岩体中断层 坚硬～较坚硬岩，结合差； 100 25
微风化岩体中节理 坚硬～较坚硬岩，结合一般 120 31
表3节理岩体综合抗剪强度
输入参数 计算结果 推荐值
GSI mi 单轴抗压
(kPa) 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角
Φ( °) 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角Φ( °)
中风化岩体 35 32 17700 706.0 35.6 700 35
微风化岩体 45 32 58100 1419.6 45.1 1400 45
3、 边坡破坏模式
边坡在自然与人为因素下的破坏形式主要表现为滑坡、滑塌、崩塌和剥落。对于本边坡，其主要的潜在破坏模式为切割坡顶覆盖层(含强风化岩层)的滑坡(或滑塌)；沿边坡岩体结构面发生平面滑动或结构面组合而成的楔形体滑动；
4、 岩质边坡稳定性分析和设计
岩质边坡分别采用定性、半定量和定量三种不同分析方法评价边坡的稳定性。
4.1边坡定性分析评价法（极射赤平投影法）
定性分析评价主要为图解法(极射赤平投影法、极点投影法)，即首先对断裂及软弱结构面进行数理统计，确定边坡地段结构面的优势产状，然后利用赤平投影原理将优势产状投影到赤平投影图上，接着逐一分析各软弱结构面及其组合与一期边坡坡面的组合关系，最后根据各投影的相对位置关系评价边坡的稳定性。
图2是一期边坡的极射赤平投影图，图中的结构面1为断裂的极点投影，结构面2、3、4为其它软弱结构面的极点投影，各软弱结构面及其组合均未落入到滑动区内，说明不存在可能产生滑动的不利组合，边坡不具备完全顺结构面下滑趋势，不必单独定量验算软弱结构面及其组合的稳定性，定性分析方法评价边坡为稳定。
因为已揭露的各组软弱结构面均未构成潜在滑动的不利组合，说明边坡的稳定性不由结构面强度单独控制，而由软弱结构面的密度及组合关系控制，因此不必单独定量验算断裂及软弱结构面的稳定性，由于稳定性主要由软弱结构面的密度及组合关系控制，且结构面的强度远低于岩体的强度，为使计算结果具有一定合理的保守性，在后续定量计算分析中可忽略软弱结构面强度，仅考虑软弱结构面的密度及其组合关系；
图2边坡极射赤平投影图（极点分析法，上半球投影）
4.2 边坡半定量CSMR稳定分析评价
半定量分析采用CSMR法，是对边坡进行CSMR边坡岩体质量分类，以评价边坡的稳定性。即根据边坡的岩体质量和影响边坡的各种因素进行综合评分，然后根据最终的综合得分对边坡稳定性进行分类，半定量地进行稳定性评价。在分析过程中，通过结构面方向修正系数和结构面条件系数考虑断裂及软弱结构面的对稳定性的影响。
CSMR分类因素分为两个部分：一部分是岩体基本质量（RMR），由岩石强度、RQD、结构面间距、结构面条件及地下水等五个因素综合确定；另一部分是各种边坡影响因素的修正，包括边坡高度系数（ξ）、结构面方位系数（F1、F2、F3）、结构面条件系数（λ）和边坡开挖方法系数（F4）。采用积差评分模型，其表达式为：
CSMR＝ξ·RMR-λ·F1·F2·F3+F4
根据CSMR边坡岩体质量评价，微风化岩质边坡CSMR得分61分，评价为稳定，中等风化岩质边坡CSMR得分49分，评价为为基本稳定。
综合极射赤平投影分析评价和CSMR边坡岩体质量评价，并结合工程经验，微风化岩质边坡按坡比不大于1:0.5分级开挖，每级坡高10m，中等风化岩质边坡按坡比不大于1:0.75分级开挖，每级坡高10m；除最底下三级平台宽度设为6.5m外，其余各级平台宽3.5m。
4.3 边坡定量计算分析
岩质边坡定量分析采用静力有限单元法；极射赤平投影定性分析表明，边坡不具备完全顺软弱结构面下滑趋势，稳定性主要由软弱结构面的密度及组合关系控制，且斷裂等软弱结构面的强度远低于岩体的强度，为使计算结果具有一定合理的保守性，在定量分析中忽略软弱结构面强度，仅考虑软弱结构面的密度及其组合关系，即在计算中通过Hoek-Brown经验准则考虑断裂等软弱结构面对边坡稳定性的影响，采用Hoek-Brown节理岩体综合抗剪强度参数，详见表3。
计算结果见图3、图4，安全系数大于1.5，各方向上应力均不大于1MPa，其组合亦不超过2MPa，远远小于岩石的抗压强度和抗剪强度，因此，在上述应力状态下，边坡不会发生整体破坏，开挖过程亦不可能发生岩爆现象。
图3边坡坡体剪应力分布图图4 剪应力局部放大图
5、土质边坡稳定性分析和设计
土质边坡稳定性分析采用传统极限平衡法（简化Bishop法）、静力有限元法、强度折减有限元等三种不同方法验算。其中，抗剪强度指标折减的办法定义有限元计算抗滑稳定安全系数，是近几年新提出的计算方法，强度折减有限元法已在一些工程中得到应用，并得到了行业内的认可。各边坡规范亦都推荐在极限平衡法的基础上，可采用这种有限元数值计算分析边坡的稳定性；虽然目前规范尚为对该计算方法制定相应的抗滑稳定安全系数的标准，但本工程将其与常规极限平衡方法的计算结果一起进行比较，分析边坡的稳定性状，不失为一种好的途径。与传统极限平衡法相比，有限元强度折减法分析边坡稳定性主要具有以下优点：
(1) 求解安全系数时，不需要假定滑动面的形状和位置，滑动破坏自然地发生在岩土体剪切带上，或塑性应变和位移突变的地方；
(2) 有限元引入变形协调的的本构关系，因此不必像极限平衡法那样，引入条块间力假定以及土条刚性体假定，保证了严密的理论体系；
(3) 能够模拟边坡的渐进破坏过程，并提供应力、应变和位移等力与变形的全部信息。
传统极限平衡法和强度折减有限元法（包括静力有限元法）的计算模型简图分别见图5，图6，分别采用三种不同的方法对边坡各典型剖面进行计算，计算结果见表4，比较三种计算方法所得的安全系数，各方法间安全系数相差很小，相互验证，说明计算结果真实可靠。
图5极限平衡分析Bishop法计算结果图示图6强度折减有限元法破坏时位移云图
表4土质边坡稳定性分析计算结果表
典型计算
剖面编号 极限平衡法计算安全系数 有限元法计算安全系数
简化Bishop法 Morgenstrern-
Price法 普通有限元法 强度折减有限元法
P3-P3’ 1.63 1.70 1.73 1.68
P7A-P7A’ 1.53 1.63 1.53 1.51
P7-P7’ 1.59 1.60 1.59 1.52
P8-P8’ 2.39 2.65 2.81 2.51
P9-P9’ 2.54 2.78 2.92 2.80
6、工程效果
本工程边坡是目前国内已建成的高度最大的核安全级边坡，也是唯一一个建成投产的高度超百米的核安全级边坡，竣工验收至今已历时3年（图7），经历了多个台风雨季、上百次强降雨的考验，均无局部滑坡、坍塌和水土流失等现象，各区域边坡监测数据反映边坡变形处于正常状态，说明边坡设计质量优良，边坡稳定性状况很好。
图7边坡竣工全景图
7、结语
本文通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂超高边坡的稳定性评价和设计方法：对于岩质边坡，可采用定性极射赤平投影图解法，半定量CSMR稳定分析评价，和定量计算安全系数法；对于土质边坡，可采用传统极限平衡法，普通静力有限元法，和强度折减有限元法计算安全系数；不同分析方法的结论需相互比对、印证，边坡设计中应综合各分析评价方法的成果，该工程实例不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
参考文献
[1] 《建筑边坡工程技术规范》（GB50030）北京：中国建筑工业出版社 2002
[2] 《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353) 北京：中国电力出版社 2007
[3] 郑颖人等 边坡與滑坡工程治理 北京：人民交通出版社 2007
[4] 陈祖煜 岩质边坡稳定性分析——原理、方法、程序北京：中国水利水电出版社 2005
摘要：本文旨在通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂高边坡的稳定性评价和设计方法，不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
前言
我国部分在建和规划中的核电厂边坡，高度均超过100m以上，并涉及到较为复杂的工程地质条件，超高边坡开挖已成为很多核电厂厂址不可回避的问题，但目前核电行业对如何开展高边坡设计工作并无统一认识，核电厂高边坡高度更是远远超过《建筑边坡工程技术规范》的适用范围，没有一个较好或较完善的国家规范，因此核电厂边坡的勘察设计存在着较大的盲目性和随意性。本文旨在通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂高边坡的稳定性评价和设计方法，不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
1、工程概况
某核电厂主厂区边坡位于东南沿海的半岛上，属低丘陵地貌，地形总体呈南北侧及西侧高，东侧低，最高海拔为200.3m。边坡最大高度约100m，总长度1050m，地质条件复杂多变，属花岗岩土岩组合边坡，岩质边坡最大高度约100m，土质边坡最大高度约30m，边坡坡脚距核岛厂房距离不足80m，属核安全级边坡，安全要求非常高，设计难度很大，平面图见图1。
图1 边坡平面布置图
2、边坡物理力学参数
边坡岩土体的物理力学参数是边坡稳定性评价和设计中最为重要的基础数据，为准确探明该边坡的物理力学参数，勘测中采用了单孔检层法波速测试、声波测井、大型原位直剪试验、压水试验、室内岩土试验等多种先进、合理的勘测手段，为高边坡稳定性评价以及边坡设计提供了翔实的基础地质资料。
本边坡主要由坡残积土层和花岗岩组成，对于土质边坡，强风化花岗岩的抗剪强度参数的确定是本工程一个难点，由于强风化花岗岩结构性强，且呈半岩半土状，取土对其扰动很大，因此常规室内试验很难准确测定其强度参数，为此专项定制设计大型原位岩体直剪试验，得到了强风化花岗岩设计参数。对于岩质边坡，岩石结构面强度参数以及节理岩体的综合抗剪强度参数，是另一个难点，设计中根据岩体结构面试验成果，结合国际先进的Hoek-Brown强度经验准则确定节理岩体的综合抗剪强度指标。各岩土体主要物理力学参数见表1~表3
表1土层及土状岩层物理力学参数推荐值
天然重度
(kN/m3) 饱和重度
(kN/m3) 抗剪强度
粘聚力C
(kPa) 内摩擦角Φ
（°）
残积砾质粘性土 17.4 19.1 13 31
全风化花岗岩 18.8 19.9 16 33
天然强风化花岗岩 19.0 20.1 47 39
饱和强风化花岗岩 — 20.1 40 34
表2 岩体结构面的力学指标推荐值
结构面类型 两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角
Φ( °)
中等风化岩体中断层 较软岩，结合差 50 15
中等风化岩体中节理 较软岩，结合一般 80 22
微风化岩体中断层 坚硬～较坚硬岩，结合差； 100 25
微风化岩体中节理 坚硬～较坚硬岩，结合一般 120 31
表3节理岩体综合抗剪强度
输入参数 计算结果 推荐值
GSI mi 单轴抗压
(kPa) 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角
Φ( °) 粘聚力
C(kPa) 内摩擦角Φ( °)
中风化岩体 35 32 17700 706.0 35.6 700 35
微风化岩体 45 32 58100 1419.6 45.1 1400 45
3、 边坡破坏模式
边坡在自然与人为因素下的破坏形式主要表现为滑坡、滑塌、崩塌和剥落。对于本边坡，其主要的潜在破坏模式为切割坡顶覆盖层(含强风化岩层)的滑坡(或滑塌)；沿边坡岩体结构面发生平面滑动或结构面组合而成的楔形体滑动；
4、 岩质边坡稳定性分析和设计
岩质边坡分别采用定性、半定量和定量三种不同分析方法评价边坡的稳定性。
4.1边坡定性分析评价法（极射赤平投影法）
定性分析评价主要为图解法(极射赤平投影法、极点投影法)，即首先对断裂及软弱结构面进行数理统计，确定边坡地段结构面的优势产状，然后利用赤平投影原理将优势产状投影到赤平投影图上，接着逐一分析各软弱结构面及其组合与一期边坡坡面的组合关系，最后根据各投影的相对位置关系评价边坡的稳定性。
图2是一期边坡的极射赤平投影图，图中的结构面1为断裂的极点投影，结构面2、3、4为其它软弱结构面的极点投影，各软弱结构面及其组合均未落入到滑动区内，说明不存在可能产生滑动的不利组合，边坡不具备完全顺结构面下滑趋势，不必单独定量验算软弱结构面及其组合的稳定性，定性分析方法评价边坡为稳定。
因为已揭露的各组软弱结构面均未构成潜在滑动的不利组合，说明边坡的稳定性不由结构面强度单独控制，而由软弱结构面的密度及组合关系控制，因此不必单独定量验算断裂及软弱结构面的稳定性，由于稳定性主要由软弱结构面的密度及组合关系控制，且结构面的强度远低于岩体的强度，为使计算结果具有一定合理的保守性，在后续定量计算分析中可忽略软弱结构面强度，仅考虑软弱结构面的密度及其组合关系；
图2边坡极射赤平投影图（极点分析法，上半球投影）
4.2 边坡半定量CSMR稳定分析评价
半定量分析采用CSMR法，是对边坡进行CSMR边坡岩体质量分类，以评价边坡的稳定性。即根据边坡的岩体质量和影响边坡的各种因素进行综合评分，然后根据最终的综合得分对边坡稳定性进行分类，半定量地进行稳定性评价。在分析过程中，通过结构面方向修正系数和结构面条件系数考虑断裂及软弱结构面的对稳定性的影响。
CSMR分类因素分为两个部分：一部分是岩体基本质量（RMR），由岩石强度、RQD、结构面间距、结构面条件及地下水等五个因素综合确定；另一部分是各种边坡影响因素的修正，包括边坡高度系数（ξ）、结构面方位系数（F1、F2、F3）、结构面条件系数（λ）和边坡开挖方法系数（F4）。采用积差评分模型，其表达式为：
CSMR＝ξ·RMR-λ·F1·F2·F3+F4
根据CSMR边坡岩体质量评价，微风化岩质边坡CSMR得分61分，评价为稳定，中等风化岩质边坡CSMR得分49分，评价为为基本稳定。
综合极射赤平投影分析评价和CSMR边坡岩体质量评价，并结合工程经验，微风化岩质边坡按坡比不大于1:0.5分级开挖，每级坡高10m，中等风化岩质边坡按坡比不大于1:0.75分级开挖，每级坡高10m；除最底下三级平台宽度设为6.5m外，其余各级平台宽3.5m。
4.3 边坡定量计算分析
岩质边坡定量分析采用静力有限单元法；极射赤平投影定性分析表明，边坡不具备完全顺软弱结构面下滑趋势，稳定性主要由软弱结构面的密度及组合关系控制，且斷裂等软弱结构面的强度远低于岩体的强度，为使计算结果具有一定合理的保守性，在定量分析中忽略软弱结构面强度，仅考虑软弱结构面的密度及其组合关系，即在计算中通过Hoek-Brown经验准则考虑断裂等软弱结构面对边坡稳定性的影响，采用Hoek-Brown节理岩体综合抗剪强度参数，详见表3。
计算结果见图3、图4，安全系数大于1.5，各方向上应力均不大于1MPa，其组合亦不超过2MPa，远远小于岩石的抗压强度和抗剪强度，因此，在上述应力状态下，边坡不会发生整体破坏，开挖过程亦不可能发生岩爆现象。
图3边坡坡体剪应力分布图图4 剪应力局部放大图
5、土质边坡稳定性分析和设计
土质边坡稳定性分析采用传统极限平衡法（简化Bishop法）、静力有限元法、强度折减有限元等三种不同方法验算。其中，抗剪强度指标折减的办法定义有限元计算抗滑稳定安全系数，是近几年新提出的计算方法，强度折减有限元法已在一些工程中得到应用，并得到了行业内的认可。各边坡规范亦都推荐在极限平衡法的基础上，可采用这种有限元数值计算分析边坡的稳定性；虽然目前规范尚为对该计算方法制定相应的抗滑稳定安全系数的标准，但本工程将其与常规极限平衡方法的计算结果一起进行比较，分析边坡的稳定性状，不失为一种好的途径。与传统极限平衡法相比，有限元强度折减法分析边坡稳定性主要具有以下优点：
(1) 求解安全系数时，不需要假定滑动面的形状和位置，滑动破坏自然地发生在岩土体剪切带上，或塑性应变和位移突变的地方；
(2) 有限元引入变形协调的的本构关系，因此不必像极限平衡法那样，引入条块间力假定以及土条刚性体假定，保证了严密的理论体系；
(3) 能够模拟边坡的渐进破坏过程，并提供应力、应变和位移等力与变形的全部信息。
传统极限平衡法和强度折减有限元法（包括静力有限元法）的计算模型简图分别见图5，图6，分别采用三种不同的方法对边坡各典型剖面进行计算，计算结果见表4，比较三种计算方法所得的安全系数，各方法间安全系数相差很小，相互验证，说明计算结果真实可靠。
图5极限平衡分析Bishop法计算结果图示图6强度折减有限元法破坏时位移云图
表4土质边坡稳定性分析计算结果表
典型计算
剖面编号 极限平衡法计算安全系数 有限元法计算安全系数
简化Bishop法 Morgenstrern-
Price法 普通有限元法 强度折减有限元法
P3-P3’ 1.63 1.70 1.73 1.68
P7A-P7A’ 1.53 1.63 1.53 1.51
P7-P7’ 1.59 1.60 1.59 1.52
P8-P8’ 2.39 2.65 2.81 2.51
P9-P9’ 2.54 2.78 2.92 2.80
6、工程效果
本工程边坡是目前国内已建成的高度最大的核安全级边坡，也是唯一一个建成投产的高度超百米的核安全级边坡，竣工验收至今已历时3年（图7），经历了多个台风雨季、上百次强降雨的考验，均无局部滑坡、坍塌和水土流失等现象，各区域边坡监测数据反映边坡变形处于正常状态，说明边坡设计质量优良，边坡稳定性状况很好。
图7边坡竣工全景图
7、结语
本文通过一个核电厂超高边坡设计的工程实例，归纳总结出适用于核电厂超高边坡的稳定性评价和设计方法：对于岩质边坡，可采用定性极射赤平投影图解法，半定量CSMR稳定分析评价，和定量计算安全系数法；对于土质边坡，可采用传统极限平衡法，普通静力有限元法，和强度折减有限元法计算安全系数；不同分析方法的结论需相互比对、印证，边坡设计中应综合各分析评价方法的成果，该工程实例不仅为现阶段核电边坡设计提供借鉴作用，同时也为未来编制核电行业边坡设计规范提供有力的技术支持。
参考文献
[1] 《建筑边坡工程技术规范》（GB50030）北京：中国建筑工业出版社 2002
[2] 《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353) 北京：中国电力出版社 2007
[3] 郑颖人等 边坡與滑坡工程治理 北京：人民交通出版社 2007
[4] 陈祖煜 岩质边坡稳定性分析——原理、方法、程序北京：中国水利水电出版社 2005