壩坡光伏發(fā)電系統(tǒng)對壩體穩(wěn)定的影響分析

楊 瓊

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048）

1 緒論

研究背景：“雁棲湖北臺上水庫 3.5MWp金太陽示范工程”是雁棲生態(tài)發(fā)展示范區(qū)利用綠色能源的新型項(xiàng)目。光伏太陽能發(fā)電是世界各國未來可再生能源發(fā)電的重要方向。項(xiàng)目擬利用北臺上水庫大壩下游面做為太陽能發(fā)電場地。利用南壩面向陽的特點(diǎn)，平鋪安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要安裝在主壩、1#副壩、3#副壩三個下游壩坡。根據(jù)壩區(qū)的現(xiàn)有角度，擬在主壩區(qū)安裝1.8MWp光伏系統(tǒng)，1#副壩區(qū)安裝 0.65MWp光伏系統(tǒng)，3#副壩安裝1.05MWp光伏系統(tǒng)，三個壩區(qū)合計安裝 3.5MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模和目前的技術(shù)發(fā)展水平，綜合考慮工程建設(shè)的管理、施工和電站的運(yùn)行以及維護(hù)管理等方面，總體技術(shù)方案采用“集中安裝、多路升壓、統(tǒng)一上網(wǎng)”的“模塊化”技術(shù)方案。

研究目的：根據(jù)太陽能光伏陣列的詳細(xì)布置，確定荷載，對主壩及 1、3號副壩進(jìn)行詳細(xì)的壩坡穩(wěn)定復(fù)核計算，以便設(shè)計確定合理的太陽能光伏板與壩體連接的基礎(chǔ)型式，在開發(fā)、利用可再生能源的情況下，確保大壩的安全。

研究意義：結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施，在土石壩的下游壩面布置太陽能發(fā)電裝置是一個新課題。如果能夠使兩者很好的結(jié)合起來，在不影響大壩自身安全的前提下，利用土石壩下游壩坡坡度較緩、壩頂不允許溢流、庫區(qū)方便管理的特點(diǎn)將壩坡下游面作為太陽能發(fā)電場地，從可再生能源發(fā)展和前景展望可以明確此類項(xiàng)目有著良好的應(yīng)用前景。

2 基礎(chǔ)資料15

2.1 北臺上水庫大壩資料

北臺上水庫位于北京市懷柔區(qū)雁棲湖鎮(zhèn)北臺上村，流域位于潮白河支流雁棲河，流域面積102.2km2。工程于1962年1月初步建成，后經(jīng)1977年論證提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)，總庫容3830萬m3，總裝機(jī)625kW。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)SL252-2000》，工程屬III等工程，工程規(guī)模為中型。主要水工建筑物包括土石壩主壩一座，副壩 5座，3孔實(shí)用堰溢洪道一座，輸水隧洞一條，引水管道發(fā)電廠房一座。主要永久水工建筑物級別為 3級，相應(yīng)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期）為100年，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期）為 1000年。本工程的特征水位與洪水標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 北臺上水庫特征水位表

主壩、1#付壩和3#付壩的基礎(chǔ)資料如下：

（1）主壩：主壩為粘土斜墻砂礫混合壩，斜墻下作粘土齒槽與基巖相接。基巖為火山凝灰?guī)r，風(fēng)化嚴(yán)重，河床覆蓋層厚約10m左右。最大壩高為31m，壩頂高程為91.2m，防浪墻頂高92.2m。基礎(chǔ)處理為粘土齒槽及帷幕灌漿。

（2）1#付壩：1#付壩為砂質(zhì)粘土均質(zhì)壩，位于主壩東面，與主壩緊相接，基礎(chǔ)為砂質(zhì)粘土層，壩頭為凝灰?guī)r。壩型為砂質(zhì)粘土均質(zhì)壩，但在下游面用部分砂礫料蓋在粘土上。最大壩高為15m，壩頂高程為91.2m。

（3）3#付壩：3#付壩1962年初建時為砂質(zhì)粘土均質(zhì)壩，1976年北臺上水庫加固工程中加混凝土防滲心墻。1976~1980年進(jìn)行了北臺上水庫加固工程，對 III號付壩進(jìn)行了混凝土防滲心墻施工，心墻頂高程89.00，底高程61.40。最大壩高為29.2m，壩頂高程為91.2m。

2.2 壩坡太 能布設(shè)方案

項(xiàng)目擬利用北臺上水庫大壩下游面作為太陽能發(fā)電場地。利用南壩面向陽的特點(diǎn)，平鋪安裝太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要安裝在主壩、1#副壩、3#副壩三個下游壩坡。

本工程太陽能發(fā)電方案在壩體下游面安裝光伏板和相關(guān)架設(shè)結(jié)構(gòu)，光伏板采用鋼支架（U型鋼及方鋼）與鋼筋混凝土地梁連接，圖1為光伏組件安裝設(shè)計示意圖。根據(jù)光伏板安裝的結(jié)構(gòu)布置計算太陽能發(fā)電裝置荷載的大小。

圖1 光伏組件排列設(shè)計示意圖

太陽能發(fā)電裝置荷載如下：

光伏板的重量為 22kg/塊，平面尺寸為1650×990mm，折合成單位面積的重量約為13.47kg/m2，考慮架設(shè)太陽能板用的型鋼（U型鋼及方鋼的重量）后，光伏電池板安裝結(jié)構(gòu)的荷載（上部荷載）密度為40kg/m2。

混凝土地梁截面為500×300mm，縱梁與橫梁的水平間距均為 10m，相鄰兩根縱梁間設(shè)2個支墩，支墩架設(shè)在U型鋼下。支墩截面為300mm×300mm，高 0.5m?；A(chǔ)梁的荷載（下部荷載）密度為102.64kg/m2。

總的太陽能發(fā)電裝置荷載為142.64kg/m2。本次計算考慮150kg/m2。

由于3.5MWp金太陽示范項(xiàng)目擬利用太陽能發(fā)電，需在壩體下游面布設(shè)發(fā)電裝置和相關(guān)結(jié)構(gòu)，在壩體的下游壩面上增加了的重量，影響了壩體下游坡的穩(wěn)定。為此需對主壩、1#付壩、3#付壩的下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定分析。

3 計算方法及主要參數(shù)確定

采用邊坡穩(wěn)定分析的理論與方法，進(jìn)行壩坡光伏太陽能發(fā)電裝置對壩體穩(wěn)定的影響分析。分析過程首先計算壩體的浸潤線，然后進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析計算。

浸潤線計算采用土石壩滲流分析中的水力學(xué)方法。計算采用達(dá)西定律，假定滲透水流為漸變流，過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)滲透坡降和滲透流速相等。這種方法不能準(zhǔn)確求出任一點(diǎn)的滲透要素，但一般已能滿足工程設(shè)計要求的精度，且計算方法簡單，易掌握，故應(yīng)用最多。SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，除1級、2級及高壩外，均可采用此法計算。

壩坡穩(wěn)定分析采用中國水利水電科學(xué)研究院編制的《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析程序——STAB2007》進(jìn)行，本次計算選用了其中計及條塊間作用力的簡化畢肖普法，對背水坡的穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定進(jìn)行了計算。由于工程為運(yùn)行多年，計算中采用了有效應(yīng)力法。

3.1 計算斷 取

浸潤線計算的目的是，確定壩體浸潤線及其下游出逸點(diǎn)，為壩體的穩(wěn)定分析計算提供依據(jù)。為了詳細(xì)了解壩體滲透穩(wěn)定現(xiàn)狀，選取主壩與 1#和 3#副壩的最大斷面進(jìn)行滲流計算。壩坡穩(wěn)定計算斷面與滲流計算所選取的斷面相同，浸潤線由滲流計算得出。

3.2 工況 取

由于太陽能發(fā)電結(jié)構(gòu)均位于大壩下游面，為此計算工況選取設(shè)計洪水位下游坡腳無水的情況。對壩體背水坡的穩(wěn)定滲流期的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析計算。分別進(jìn)行了以下兩種情況的計算：

（1）現(xiàn)狀壩體的抗滑穩(wěn)定性；

（2）施加太陽能荷載后的壩體抗滑穩(wěn)定性。

3.3 參數(shù) 取原則

由于缺少現(xiàn)場取樣的資料，本次主壩、1#付壩及3#付壩的土體滲透系數(shù)k、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（c，Φ）和容重r等參數(shù)的選取原則如下：

（1）壩體自身的原始資料（北臺上水庫歷史檔案資料）；

（2）參考其他壩同性質(zhì)土體的原始資料（北臺上水庫歷史檔案資料）；

（3）如以上兩者都無，則根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取定。

其中 3#付壩混凝土心墻的滲透系數(shù)考慮如下：混凝土的滲透系數(shù)一般在 10-8m/s以下；混凝土防滲墻在施工和運(yùn)行的過程中，必然會出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致抗?jié)B性能不可能達(dá)到混凝土自身的抗?jié)B性能。本次計算中取混凝土心墻的滲透系數(shù)為k=10-7m/s。

4 浸潤線的計算

4.1 現(xiàn)狀壩體的 滲設(shè)施及排水設(shè)施

壩體的防滲設(shè)施可通過降低浸潤線以增加下游壩坡的穩(wěn)定性，通過降低滲透坡降以防止?jié)B透變形。壩體排水設(shè)施的作用是排除壩身及壩基滲水，降低壩身浸潤線，增加下游壩坡的穩(wěn)定性，防止發(fā)生滲透破壞。主壩、1#付壩和 3#付壩的現(xiàn)狀防滲、排水設(shè)施如下：

（1）主壩：主壩采用了粘土斜墻防滲，斷面如圖2所示。粘土斜墻采用截水槽與巖基相接，由于斜墻已經(jīng)到達(dá)相對不透水層，所以未設(shè)水平鋪蓋。粘土斜墻下游為砂礫料壩體結(jié)構(gòu)，下游坡腳設(shè)置了貼坡排水。

（2）1#付壩：1#副壩壩體為均質(zhì)粘土，透水性較小，可直接起防滲作用。為降低浸潤線其下游部分壩體采用了砂礫料結(jié)構(gòu)。粘土主壩體與砂礫料壩體的分界線位于壩體后部，坡比為1:1.5，自壩頂至壩基，壩頂位置砂礫料壩體寬度約為1.0m。下游坡腳設(shè)置了貼坡排水。

（3）3#付壩：3#副壩主壩體為均質(zhì)粘土，為降低浸潤線在壩踵位置設(shè)置了排水棱體。1976年北臺上水庫加固工程中自壩頂加了一道混凝土防滲心墻。

4.2 浸潤線的計算

計算了上游水位為設(shè)計洪水位（90.00m），下游坡腳無水的工況下，壩體穩(wěn)定滲流情況下的浸潤線。浸潤線計算工況見表2。

表2 滲流計算工況表

（1）計算原理：

考慮一不透水地基上矩形土體內(nèi)的滲流，假定任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)滲透坡降均相等，則斷面的平均流速v和單寬流量q分別為：

將式2自上游面水深H1至任意斷面y積分，得到浸潤線方程：

如果將邊界條件x=L、y=H2代入式4，則得到矩形土體滲流量公式為：

式3~式5是多種形式土石壩滲流計算的基本公式。

（2）計算成果：

通過計算，主壩、1#付壩及3#付壩的浸潤線如圖2~圖4所示：

圖2 主壩浸潤線計算結(jié)果

圖3 1#付壩浸潤線計算結(jié)果

圖4 3#付壩浸潤線計算結(jié)果（k=10-7m/s）

5 壩體抗滑穩(wěn)定分析

5.1 現(xiàn)狀壩體的抗滑穩(wěn)定性

土石壩壩坡最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值與其計算方法有關(guān)。SL274-2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，采用計及條塊間作用力的計算方法時，正常運(yùn)用條件下，工程等級為3級時，壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)應(yīng)不小于1.30。

壩坡穩(wěn)定計算工況如表3所示。

表3 壩坡穩(wěn)定計算工況

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)計算結(jié)果

（1）計算理論和公式：

壩坡抗滑穩(wěn)定計算依據(jù)剛體極限平衡原理進(jìn)行。采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普（Simplified Bishop）法進(jìn)行穩(wěn)定分析計算，采用STAB2007中確定整體極值的隨機(jī)搜索方法，確定臨界滑裂面，獲得圓弧滑動面的最小安全系數(shù)。

（2）計算成果：

壩坡抗滑穩(wěn)定計算的結(jié)果見表4。

5.2 施加太 能發(fā)電裝置荷 后壩體抗滑穩(wěn)定性

施加太陽能發(fā)電裝置荷載后，同前述，計算主壩、1#付壩、3#付壩下游壩坡的抗滑穩(wěn)定，并與施加該荷載前的計算結(jié)果進(jìn)行對比。

在目前選用的壩身材料滲透系數(shù) k、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（c，Φ）、容重 r等參數(shù)的情況下，分析計算得出的壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)如表4所示。從表4中可以看出，施加太陽能發(fā)電裝置荷載后對壩坡的抗滑穩(wěn)定安全性的影響不大，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低最大為2%。

壩體材料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是土壩穩(wěn)定分析的基本參數(shù)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用是否合理，直接關(guān)系到抗滑穩(wěn)定分析的結(jié)果是否可靠。應(yīng)取得大壩現(xiàn)狀的各分區(qū)土料的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，以便對壩身的穩(wěn)定安全性的準(zhǔn)確復(fù)核分析。

其中3#付壩混凝土心墻滲透系數(shù)k的取定，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，擬利用觀測資料（1964~1969年運(yùn)行期的觀測資料，加砼心墻后的觀測孔水位資料）在不同的水位下，進(jìn)行計算反演，估算混凝土心墻滲透系數(shù)k的區(qū)間。

6 結(jié)論及建議

（1）施加太陽能發(fā)電裝置荷載后對壩坡的抗滑穩(wěn)定安全性的影響不大，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低最大為 2%。從分析結(jié)果來看，壩坡光伏發(fā)電系統(tǒng)對壩體的穩(wěn)定性影響不大，方案具有可行性。

（2）壩體材料的參數(shù)選取特別是壩身土體滲透系數(shù)k的選取對壩身抗滑穩(wěn)定性計算結(jié)果影響很大。

北臺上水庫大壩從1962年1月建成至今，已經(jīng)運(yùn)行約 50年，期間經(jīng)歷提高防洪標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計水位變化，1976~1980年進(jìn)行了北臺上水庫加固工程。建議對現(xiàn)狀水庫進(jìn)行全面的安全鑒定，取得壩身材料的現(xiàn)場勘查資料，以便進(jìn)行壩身抗滑穩(wěn)定安全性的準(zhǔn)確復(fù)核評估。北臺上水庫已經(jīng)建成約 50年，固結(jié)沉降已經(jīng)完成，同時為8度設(shè)防區(qū)，應(yīng)盡快安排現(xiàn)場取樣的相關(guān)工作，以提供現(xiàn)狀壩體各分區(qū)土料物理力學(xué)指標(biāo)。

（3）在確保水庫大壩穩(wěn)定安全的前提下，才能考慮實(shí)施壩上太陽能項(xiàng)目。設(shè)計中應(yīng)考慮淺表層滑動的安全穩(wěn)定性，設(shè)計合理的太陽能光伏板與壩體連接的基礎(chǔ)型式，確定合理的基礎(chǔ)布置方案，確保壩體的安全。

（4）結(jié)合現(xiàn)有設(shè)施，在土石壩的下游壩面布置太陽能發(fā)電設(shè)備是一個新課題，缺乏運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，很多問題有待實(shí)踐工程的檢驗(yàn)。如對壩上永久觀測設(shè)施的影響、項(xiàng)目施工期對壩體安全影響的評估等問題，都需要進(jìn)一步進(jìn)行深入研究分析。但從中國能源發(fā)展和前景展望可以明確此類項(xiàng)目有著良好的應(yīng)用前景。如能很好的考慮解決相關(guān)不利因素帶來的問題，項(xiàng)目將有良好的推廣價值。