風(fēng)機(jī)與高陡巖質(zhì)邊坡安全距離的淺析
——以西南山區(qū)某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)微觀選址為例

張義，楊煜

（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引言

在“雙碳”背景下，我國將加速推進(jìn)國內(nèi)傳統(tǒng)能源的轉(zhuǎn)型和清潔能源的發(fā)展，以風(fēng)電為代表的可再生能源的戰(zhàn)略地位凸顯。風(fēng)力發(fā)電占能源結(jié)構(gòu)的比重將越來越大，風(fēng)電場的建設(shè)將越來越多。山區(qū)風(fēng)電場選址過程中，將不可避免地遇到高陡邊坡的地質(zhì)情況。因此，客觀分析和評價(jià)風(fēng)機(jī)與高陡巖質(zhì)邊坡的安全距離，對工程安全運(yùn)行、成本控制具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文以西南山區(qū)某風(fēng)電場風(fēng)機(jī)微觀選址為例，開展高陡巖質(zhì)邊坡風(fēng)機(jī)場地穩(wěn)定性評價(jià)，估算風(fēng)機(jī)與高陡巖質(zhì)邊坡的安全距離，為風(fēng)機(jī)的微觀選址及安全運(yùn)行提供技術(shù)保障。

1 工程概況

西南山區(qū)某風(fēng)電場位于重慶市東南部，擬定總裝機(jī)容量80MW（3.2MW＊25臺），風(fēng)機(jī)輪轂高度為90 m，葉輪直徑為140m。擬選10臺風(fēng)機(jī)機(jī)位東側(cè)陡崖高度40~190m不等，近于直立，主要由二疊系灰?guī)r組成。風(fēng)機(jī)位的穩(wěn)定性受東側(cè)（陡崖）邊坡穩(wěn)定性和塌滑范圍的影響，在不穩(wěn)定的邊坡和塌滑線以內(nèi)的區(qū)域建設(shè)時(shí)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)存在潛在塌滑失穩(wěn)、基礎(chǔ)開裂變形、風(fēng)機(jī)傾斜（覆）等風(fēng)險(xiǎn)。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地震

2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況

場區(qū)處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺-上揚(yáng)子臺坳-川東陷褶束-黔江凹褶束構(gòu)造單元，區(qū)內(nèi)最主要的構(gòu)造線是呈北北東的褶皺及伴生斷裂。根據(jù)《區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告（1:20萬，酉陽幅）》，場地位于濯河壩向斜東翼形成的單斜構(gòu)造山體。

2.2 地震及區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)

場址的西北方向?yàn)榍瓟嗔褞В?856年發(fā)生6級小南海地震，為中等全新活動(dòng)斷裂的發(fā)震斷裂。根據(jù)重慶市地震分布圖，場址周邊地震震級一般小于4級，且頻次少，場址屬外圍地震波及區(qū)。根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》（GB 50011-2010），設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6度。

3 場區(qū)工程地質(zhì)條件

3.1 水文氣象條件

場區(qū)屬亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)，地形性氣候、垂直型氣候明顯。年平均氣溫隨地勢差異變化較大。受東南和西南季風(fēng)的影響，年降水量較多，雨季長，5～9月降雨量最多。多年平均降雨量大于1205.8mm，歷年平均最多降雨量大于1378.3mm，月平均雨量大于172mm，多年平均最大日降雨量大于256.3mm。

3.2 地形地貌

場址區(qū)域上位于大婁山山脈北東側(cè)與武陵山脈北西側(cè)之間的低、中山區(qū)，區(qū)內(nèi)山嶺走向與構(gòu)造線方向均呈北北東向延伸，山勢陡峻，峽谷眾多。場址地貌為構(gòu)造-溶蝕山地，高程1350m~1610m，高差1500~250m；根據(jù)《陸地和海上風(fēng)電場工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（NB/T 31030-2012）第4.2.1條，場地以中低山地形為主。部分風(fēng)機(jī)場地東側(cè)為灰?guī)r懸崖或陡峻斜坡。

3.3 地層巖性

風(fēng)機(jī)多沿山脊、山梁頂部布置，覆蓋層一般較薄，部分地段基巖直接裸露。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)鉆探、踏勘調(diào)查和相關(guān)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，場區(qū)主要出露第四系和二疊系下統(tǒng)茅口組（P1）灰?guī)r。

3.4 地下水條件

場址位于山地，主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿地面向地表溝谷排泄或沿溶蝕裂隙、溶洞下滲。根據(jù)含水層的性質(zhì)以及地下水在地層中的富集形式和分布特征，地下水類型主要分為第四系松散巖類孔隙水和巖溶水兩類。

4 風(fēng)機(jī)與高陡巖質(zhì)邊坡安全距離分析與評價(jià)

4.1 邊坡概況

場址東側(cè)的陡崖呈北北東-南南西向貫穿整個(gè)場地，延伸長度大于20km，最大高度約190m，坡角一般70-85度、局部呈直立狀。場地位于濯河壩向斜東翼形成的單斜構(gòu)造山體。巖性主要由二疊系下統(tǒng)的茅口組灰?guī)r組成，中厚層~巨厚層為主，傾向270~305度、傾角25~35度，呈單斜狀產(chǎn)出，陡崖坡向90~120度，為逆向坡，中風(fēng)化為主，巖質(zhì)較完整，較堅(jiān)硬。陡崖頂部邊緣受到長期差異風(fēng)化作用，形成孤峰或石柱。坡頂由于上覆殘積層紅黏土，卸荷裂隙不明顯。風(fēng)機(jī)S12、S14等10個(gè)機(jī)位東側(cè)陡崖高度見表1。

4.2 邊坡巖體類別劃分及破壞模式分析

按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）第4.1.4、4.1.5條相關(guān)規(guī)定，構(gòu)成高陡巖質(zhì)邊坡主要為二疊系茅口組灰?guī)r，巖質(zhì)較堅(jiān)硬、較完整，邊坡巖體類型為Ⅱ類。

陡崖主要由二疊系下統(tǒng)的茅口組灰?guī)r組成，中厚層~巨厚層為主，呈單斜構(gòu)造產(chǎn)出，為逆向坡。宏觀上巖體無大型貫穿巖體的外傾結(jié)構(gòu)面，在局部有被卸荷裂隙和節(jié)理裂隙切割形成的不穩(wěn)定塊體，結(jié)構(gòu)面傾向與巖層傾向夾角為鈍角，呈反傾狀，不穩(wěn)定塊體易脫離母巖失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘和調(diào)查訪問，陡崖長期穩(wěn)定、偶爾局部掉塊，陡崖崖腳少見崩塌塊體，破壞形式為崩塌型，以傾倒式為主。

4.3 坡頂卸荷帶寬度的確定

根據(jù)研究成果[1]，西部地區(qū)的地表巖石工程問題主要是“卸荷帶”的問題，無外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡最容易出現(xiàn)塌滑的地段，是邊坡的頂部。卸荷裂隙使巖體強(qiáng)度降低、滲透性增大、并使各種風(fēng)化因素更容易侵入坡體，導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)更大的破壞。因此，確定坡頂卸荷帶的寬度成為風(fēng)機(jī)與陡崖邊坡安全距離的關(guān)鍵，而坡頂卸荷帶與邊坡高度又有直接關(guān)系。下面從現(xiàn)行規(guī)范依據(jù)、前人研究成果、鄰近工程的案例等三方面，來確定本工程風(fēng)機(jī)的坡頂卸荷帶的寬度，以此來確定各風(fēng)機(jī)距離陡崖邊坡的安全距離。

4.3.1 現(xiàn)行規(guī)范依據(jù)

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）第6.3.3條規(guī)定，無外傾結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡，坡頂無建筑荷載的永久邊坡，破裂角可按45。+Φ/2確定，其中Ⅱ類巖體邊坡等效內(nèi)摩擦角按照72度計(jì)算。須注意，場地東側(cè)陡崖邊坡高度一般大于30m，超過該公式使用條件，依此估算時(shí)僅作為參考。

4.3.2 前人研究成果

（1）根據(jù)研究成果[2]，谷坡卸荷帶范圍淺表部一般發(fā)育范圍在0~50m間，在坡體深部（一般水平距邊坡邊緣100~200m）還發(fā)育有深部的卸荷帶，表現(xiàn)為典型的深部張裂，包括表生改造和時(shí)效變形過程，破壞模式為在拉應(yīng)力作用下最終發(fā)生的剪切破壞，同時(shí)具有明顯的張裂特性。

卸荷帶發(fā)育的寬度隨邊坡高度增加而增大，一般自然情況下，巖石高邊坡是穩(wěn)定的，但作為工程邊坡，在開挖、動(dòng)荷載、水霧等條件下，應(yīng)避免對邊坡的影響和擾動(dòng)，并采取一定的工程處理措施，以提高其安全儲(chǔ)備。

（2）根據(jù)研究成果[3]，坡頂?shù)男逗闪严兑话闫叫杏谶吰伦呦颍严栋l(fā)育寬度大致為邊坡高度的0.2~0.4倍；拉伸裂隙發(fā)育的深度，大致為邊坡高度的0.2~0.3倍。

（3）根據(jù)研究成果[4]，以重慶地區(qū)典型硬質(zhì)巖陡崖為研究對象，分析了陡崖卸荷帶與陡崖坡度、坡高、 結(jié)構(gòu)面傾角、巖體強(qiáng)度的四個(gè)因素之間的呈一次線性關(guān)系的特點(diǎn)。引用其關(guān)于重慶地區(qū)典型硬質(zhì)巖陡崖卸荷帶寬度的估算方法。公式如下：

①L=0.8980φ-53.155，即卸荷帶寬度與邊坡坡度的綜合相關(guān)關(guān)系；

②L=0.1804 H-0.4326，即卸荷帶寬度與邊坡坡高的綜合相關(guān)關(guān)系；

③L=0.3527 P-0.7086，即卸荷帶寬度與邊坡巖體強(qiáng)度的綜合相關(guān)關(guān)系。

上述有關(guān)卸荷帶寬度與高度的擬合公式中，邊坡高度數(shù)據(jù)多為小于或等于100m，大于100m的數(shù)據(jù)較少。須注意，總體上邊坡高度越大，卸荷帶寬度越大，發(fā)生失穩(wěn)的概率越大。

4.3.3 鄰近工程的案例

鄰近的重慶武隆風(fēng)電場場地也是一側(cè)為陡崖，其巖性主要由砂巖夾泥巖組成，坡面形態(tài)為臺坎狀，坡高一般低于80m。建成風(fēng)機(jī)與陡崖的距離最小約35m[5]。

4.4 安全距離的確定

從上述現(xiàn)行規(guī)范依據(jù)、前人研究成果、鄰近工程案例等資料，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件，綜合確定了本工程風(fēng)機(jī)的坡頂卸荷帶的寬度，以此來確定各風(fēng)機(jī)與陡崖邊坡的安全距離，如下表：

表1 風(fēng)機(jī)與邊坡的關(guān)系一覽表

備注：①風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)方案暫按圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)考慮，基礎(chǔ)直徑約20m；②地形以現(xiàn)場實(shí)測為準(zhǔn)；③基礎(chǔ)邊緣與陡崖距離，即為坡頂卸荷帶的寬度。

5 結(jié)語

本風(fēng)機(jī)場區(qū)地表巖石工程問題主要是“卸荷帶”的問題，無外傾結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡最容易出現(xiàn)塌滑的地段是邊坡的頂部。確定坡頂卸荷帶的寬度成為風(fēng)機(jī)與陡崖邊坡安全距離的關(guān)鍵，而坡頂卸荷帶與邊坡高度又有直接關(guān)系。坡頂?shù)男逗闪严兑话闫叫杏谶吰伦呦?，裂隙發(fā)育寬度大致為邊坡高度的0.2~0.4倍；拉伸裂隙發(fā)育的深度，大致為邊坡高度的0.2~0.3倍。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范、前人研究成果和鄰近工程案例等，結(jié)合場地工程地質(zhì)條件，綜合確定了本工程風(fēng)機(jī)場地的坡頂卸荷帶的寬度，以此來確定各風(fēng)機(jī)與陡崖邊坡的安全距離，為風(fēng)機(jī)位設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。