采煤沉陷區(qū)光伏電站地基沉降及穩(wěn)定性研究

彭雷祥，楊向升，華 祥

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031)

可再生能源的開發(fā)利用在我國能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革過程中起到關(guān)鍵作用，也是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要抓手。光伏發(fā)電是目前應(yīng)用最為成熟的可再生能源開發(fā)利用技術(shù)之一，具有建設(shè)時間短、開發(fā)區(qū)域要求不高、投資成本低等特點，將迎來黃金發(fā)展期，但用地資源緊張成為限制其快速發(fā)展的主要因素[1-3]。而采煤沉陷區(qū)上引入光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)既能解決用地稀缺的問題，又能實際利用采煤沉陷區(qū)土地，實現(xiàn)“光伏+采煤沉陷區(qū)”模式的雙贏局面[4，5]。然而，由于地下采空區(qū)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、長期隱蔽等特點，采煤沉陷區(qū)的場地穩(wěn)定性是不可回避的問題[6-8]。因此，采煤沉陷區(qū)光伏電站建設(shè)的沉降變形及地基穩(wěn)定性，成為光伏電站布局規(guī)劃和采煤沉陷區(qū)開發(fā)利用亟需解決的關(guān)鍵問題。本研究結(jié)合工程實例，研究了采煤沉陷區(qū)光伏電站地基沉降與穩(wěn)定性評價方法，為沉陷區(qū)土地利用提供參考。

1 采煤沉陷對光伏電站影響及工程概況

1.1 采煤沉陷對光伏電站影響

光伏電站包括太陽能發(fā)電板、支架、線纜、逆變器、輸電線塔、辦公建筑及其他相關(guān)設(shè)施等，不同設(shè)施受地下采動影響的損毀程度及損毀方式存在較大差異，如圖1所示。

圖1 地表移動變形對光伏電站影響

光伏組件、高壓線塔等基礎(chǔ)面積小的構(gòu)筑物受下沉和水平移動影響較小，但受傾斜變形、水平變形的威脅較大，主要是地表變形導(dǎo)致構(gòu)筑物重心偏離基礎(chǔ)，發(fā)生傾覆碰撞、擠壓變形等；而曲率變形對基礎(chǔ)面積大的建(構(gòu))筑物威脅程度較大。考慮不同類型建(構(gòu))筑物對下沉、傾斜、水平變形和曲率的敏感度不同，將光伏電站建(構(gòu))筑物劃分為高聳構(gòu)筑物(高壓輸電線塔)、特殊構(gòu)筑物(光伏組件、箱逆變)及一般建(構(gòu))筑物(綜合樓)，各類型設(shè)施容許變形控制指標(biāo)[9]見表1。

表1 光伏電站設(shè)施地基容許變形控制指標(biāo)

1.2 工程概況

滕州市濱湖鎮(zhèn)境內(nèi)采煤沉陷區(qū)擬發(fā)展“農(nóng)、漁、光互補”新模式建設(shè)150 MW光伏電站[10]，占地面積282.88 hm2，其中高壓輸電線塔56座，線路全長15.1 km，該光伏電站采用集中式直流發(fā)電升壓后經(jīng)2條集電線路接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，可實現(xiàn)年均發(fā)電量1.3億kW·h。該采煤沉陷區(qū)涉及三座煤礦的3下、12下和16煤層既有采空區(qū)，其中部分區(qū)域涉及雙層采空區(qū)，采煤方法為長壁后退式、頂板管理方法為全部垮落法，光伏電站功能區(qū)和煤礦地下采空區(qū)分布如圖2所示，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 光伏電站各功能區(qū)下伏煤礦采空區(qū)分布情況

圖2 集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)方案拓?fù)浼跋路讲煽諈^(qū)分布

依據(jù)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶最大高度計算公式得到光伏2#發(fā)電區(qū)下方采空區(qū)導(dǎo)水裂縫帶高度最大為55.4 m，以光伏1#發(fā)電區(qū)為例繪制下伏采空區(qū)剖面如圖3所示。

圖3 光伏1#發(fā)電區(qū)下伏采空區(qū)剖面

2 光伏電站地基沉降變形計算

2.1 沉降變形來源

采空區(qū)地表開展工程建設(shè)產(chǎn)生的沉降變形來源通常從采空區(qū)和工程各自角度進(jìn)行分析，其一，在荷載擾動、地下水侵蝕、巖體應(yīng)力突變等影響下，既有采空區(qū)垮落破碎巖體間的空洞裂隙進(jìn)一步被壓實、殘留煤柱強度逐步衰減從而導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)[10-13]，傳遞到地表發(fā)生沉降變形；其二，工程建設(shè)荷載沿地表向下發(fā)展導(dǎo)致地基一定深度內(nèi)土體產(chǎn)生壓縮變形[14，15]。

2.2 地基巖土體沉降

考慮巖土體具有可壓縮特性，地表開展工程建設(shè)產(chǎn)生的巖土體沉降通過確定最大荷載影響深度，按照土力學(xué)中傳統(tǒng)分層總和法，疊加每層土的壓縮量即為該地基的總沉降。

2.2.1 計算荷載影響深度Hz

針對光伏電站中高聳構(gòu)筑物(如：高壓輸電線塔，最大荷載130 kPa)、特殊構(gòu)筑物(如：逆變器，最大荷載100 kPa)、一般建(構(gòu))筑物(如：綜合用房，最大荷載48 kPa)，計算各中心點以下不同深度的附加應(yīng)力(σz)，分別將附加應(yīng)力(σz)以10%、8%、7%和5%的土層自重應(yīng)力(σcz)作為荷載影響深度判別標(biāo)準(zhǔn)，獲得地基附加應(yīng)力與土自重應(yīng)力隨深度變化的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 地基附加應(yīng)力與土自重應(yīng)力隨深度變化曲線

圖4表明：相同判別標(biāo)準(zhǔn)下，荷載影響深度隨荷載的增加呈非線性增加；相同荷載下，判別標(biāo)準(zhǔn)越高(自重應(yīng)力比例越低)，荷載影響深度越大。并且淺部位置的附加應(yīng)力減小程度較深部位置大，表明建筑物荷載主要作用在淺部土體。圖4中光伏功能區(qū)的附加應(yīng)力和不同判別標(biāo)準(zhǔn)的相交點對應(yīng)的深度值即為各功能區(qū)的荷載影響最大深度，見表3。

表3 不同判別標(biāo)準(zhǔn)下各功能區(qū)荷載影響深度 m

“三下”規(guī)范中指出：對于采煤沉陷區(qū)一般地基的荷載判別標(biāo)準(zhǔn)宜取10%的自重應(yīng)力，根據(jù)各設(shè)施下方采空區(qū)復(fù)雜程度及表1各設(shè)施對地表變形的敏感度可將一般建(構(gòu))筑物、特殊構(gòu)筑物及高聳構(gòu)筑物的荷載影響深度分別取10%的自重應(yīng)力、7%的自重應(yīng)力和5%的自重應(yīng)力作為判別標(biāo)準(zhǔn)，最終得到各自地基最大荷載影響深度分別為17.1、18.1、26.2 m。

2.2.2 分層總和法計算土體壓縮量

以高聳構(gòu)筑物高壓輸電線塔為計算案例，根據(jù)地基土層特征(表4)并考慮每層厚度不超過4 m將土體分成8層，按照土力學(xué)中的分層總和法[16]計算其下方地基土體累計最大壓縮量為164.2 mm，可見基礎(chǔ)面積較小的高聳型構(gòu)筑物仍會產(chǎn)生一定地基土體的壓縮變形。

表4 地基土層特征

2.3 采空區(qū)殘余沉降變形

地表殘余沉陷仍符合隨機介質(zhì)理論，本文采用優(yōu)化后的基于變換采厚的概率積分法預(yù)測模型[17，18]進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測參數(shù)依據(jù)各區(qū)域地表移動變形實測數(shù)據(jù)擬合出的礦區(qū)巖移參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正獲得。

2.4 地基總沉降變形

采空區(qū)地表在荷載作用下的總沉降變形可看作附加荷載引起的地基巖土體壓縮沉降變形與采空區(qū)自身殘余沉降變形之和，即Wt=T+W，對于其他殘余變形認(rèn)為主要是采空區(qū)自身因素產(chǎn)生。由此可得采空區(qū)上方建設(shè)光伏發(fā)電工程的最終地表殘余沉降變形：最大沉降為1456 mm，最大傾斜變形為7.10 mm/m，最大水平移動為362.1 mm，最大水平變形為4.60 mm/m，最大曲率為0.09 mm/m2。

殘余沉降變形在光伏發(fā)電功能區(qū)內(nèi)仍有分布(圖5)，其中高壓輸電線路、110 kV升壓站、1#發(fā)電區(qū)和3#發(fā)電區(qū)等大部分區(qū)域受殘余沉降變形影響較小，且分布較均勻，受變形影響較大的區(qū)域集中在2#發(fā)電區(qū)的積水區(qū)域。

圖5 光伏發(fā)電工程地表殘余沉降分布

3 采煤沉陷場地穩(wěn)定性評價

3.1 工程常用評價方法

項目采煤沉陷場地涉及采空區(qū)屬既有采空區(qū)，不涉及復(fù)采采空區(qū)和未來采空區(qū)，而既有采空區(qū)開展工程建設(shè)的必要工作之一就是場地的穩(wěn)定性評價，目前工程主要依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》[19]中各種判別方法進(jìn)行評價，如開采條件判別法、地表移動變形判別法等，目的是依據(jù)采空區(qū)與工程建設(shè)的相互影響程度來確保工程建設(shè)及運營的安全可靠，對照現(xiàn)行規(guī)范中的評價準(zhǔn)則，并按照保守原則，得到現(xiàn)行規(guī)范評價的地基穩(wěn)定性結(jié)果，見表5。

表5 規(guī)范評價結(jié)果(面積占比/線塔數(shù))

3.2 非線性模糊綜合評價法

采用非線性模糊綜合評價法中的基于主客觀組合賦權(quán)的Ⅱ級模糊綜合評價法開展穩(wěn)定性評價[20，21]。

3.2.1 基本思路

首先基于規(guī)范評價方法中影響采煤沉陷場地穩(wěn)定性的因素篩選出11個因素作為評價指標(biāo)，并將目標(biāo)穩(wěn)定性劃分為三個等級：穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定，建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的Ⅱ級模糊綜合評價體系；其次確定各評價指標(biāo)影響采煤沉陷穩(wěn)定性的相對重要程度，即權(quán)重；然后確定各評價指標(biāo)隸屬于目標(biāo)等級的模糊程度，即模糊隸屬度；最后依據(jù)最大隸屬度原則確定評價對象的隸屬目標(biāo)等級。

3.2.2 主客觀聯(lián)合賦權(quán)

主觀賦權(quán)采用改進(jìn)的模糊層次分析法[22]，該方法通過設(shè)置閾值進(jìn)行多次循環(huán)，避免了一致性檢驗，提高了使用效率?？陀^賦權(quán)采用主成分分析和熵權(quán)法聯(lián)合賦權(quán)[23]，采用主成分分析目的是對影響采空區(qū)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行降維處理，采用熵權(quán)法的目的是消除各評價指標(biāo)的主觀判斷，進(jìn)行客觀賦權(quán)?？陀^賦權(quán)法具體步驟如下：

1)樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，假設(shè)樣本總數(shù)為m個、評價指標(biāo)為n個，組合數(shù)據(jù)集為：

Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果為Y：

2)樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后Y的相關(guān)性矩陣R(rij)n×n：

3)計算相關(guān)性矩陣R的特征值λi和特征向量ai，主成分要求累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上。

5)計算各指標(biāo)信息熵：

6)各指標(biāo)熵權(quán)計算如下：

主客觀聯(lián)合賦權(quán)采用加法組合法求取得到最終權(quán)重，更能反映評價指標(biāo)的實際情況，聯(lián)合權(quán)重計算方法見式(9)，計算結(jié)果見表6。

表6 I-FAHP和PCA-EWM的組合賦權(quán)結(jié)果

Pi=0.5(wi+vi)

(9)

3.2.3 模糊隸屬度

定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的模糊隸屬度分別采用德爾菲法和三相線性分布函數(shù)進(jìn)行確定，限于篇幅，原理詳見文獻(xiàn)[24]。

3.2.4 評價結(jié)果

根據(jù)待評價的1#、2#、3#發(fā)電區(qū)和56座高壓輸電線塔的各評價指標(biāo)實測數(shù)據(jù)確定相應(yīng)的隸屬度矩陣，通過模糊算子合成Ⅰ、Ⅱ級模糊評價，以1#發(fā)電區(qū)為例展開模糊綜合評價：

評價結(jié)果可見，1#發(fā)電區(qū)的最大隸屬度為0.3754，依據(jù)最大隸屬度原則確定該區(qū)域處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。同理，可利用非線性模糊綜合評價法對其他對象進(jìn)行評價，結(jié)果見表7。

表7 光伏發(fā)電工程采煤沉陷區(qū)穩(wěn)定性模糊綜合評價結(jié)果

3.3 綜合對比及建議

綜合來看，對于光伏發(fā)電區(qū)采用現(xiàn)行規(guī)范評價的結(jié)果與非線性模糊綜合評價法的結(jié)果一致，但對于高壓輸電線塔而言，兩種方法的評價結(jié)果有所出入，具體表現(xiàn)為：非線性模糊綜合評價結(jié)果更適用于點狀對象評價。通過現(xiàn)場實際調(diào)查，2#發(fā)電區(qū)積水邊緣有滲水趨勢，光伏電站整體運行正常，表明兩種方法評價結(jié)果一致；但DN1、CSN13線塔1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)零星積水現(xiàn)象，說明兩座線塔周邊仍有沉降變化，而其他線塔周邊保持正常，因此非線性模糊綜合評價結(jié)果與現(xiàn)場實際情況更為一致。

對2#發(fā)電區(qū)滲水區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場實際損壞情況進(jìn)行調(diào)整，如對未傾斜損壞光伏管樁周圍安裝固定三腳支架，對已損壞光伏組件及時維修、扶正并采取固定措施；對不穩(wěn)定的DN1、CSN13高聳型線塔應(yīng)采取特殊措施加以保護(hù)，如采用鋼筋混凝土將四個相對獨立基礎(chǔ)改造為一體化聯(lián)合基礎(chǔ)，以提高基礎(chǔ)適應(yīng)地表不均勻沉降產(chǎn)生的傾斜和水平變形的能力，增加高聳基礎(chǔ)底座穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

1)采煤沉陷區(qū)開展工程建設(shè)產(chǎn)生的沉降變形來源包括采空區(qū)的殘余沉降變形和工程荷載作用下地基壓縮變形，主要來源取決于采空區(qū)賦存條件的復(fù)雜程度。本文中兩種沉降變形分別為1291.8和164.2 mm，可見地基沉降變形主要為采空區(qū)的殘余沉降變形。

2)高聳構(gòu)筑物、特殊構(gòu)筑物及一般建(構(gòu))筑物受地基傾斜、水平變形和曲率的敏感度不同，其σz取值分別為0.10σcz、0.07σcz和0.05σcz作為荷載影響深度判別標(biāo)準(zhǔn)，最終得到各自地基最大荷載影響深度分別為17.1、18.1、26.2 m。

3)經(jīng)現(xiàn)場實際調(diào)查，光伏電站整體運行正常，表明對于光伏發(fā)電發(fā)電區(qū)采用現(xiàn)行規(guī)范評價和非線性模糊綜合評價結(jié)果一致，但DN1、CSN13線塔表現(xiàn)不穩(wěn)定，1 m范圍內(nèi)出現(xiàn)零星積水現(xiàn)象，說明非線性模糊綜合評價更適用于點狀對象，且其結(jié)果與現(xiàn)場實際情況更為一致。