坝坡光伏发电系统对坝体稳定的影响分析

杨 琼

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 绪论

研究背景：“雁栖湖北台上水库 3.5MWp金太阳示范工程”是雁栖生态发展示范区利用绿色能源的新型项目。光伏太阳能发电是世界各国未来可再生能源发电的重要方向。项目拟利用北台上水库大坝下游面做为太阳能发电场地。利用南坝面向阳的特点，平铺安装太阳能光伏发电系统，主要安装在主坝、1#副坝、3#副坝三个下游坝坡。根据坝区的现有角度，拟在主坝区安装1.8MWp光伏系统，1#副坝区安装 0.65MWp光伏系统，3#副坝安装1.05MWp光伏系统，三个坝区合计安装 3.5MWp光伏发电系统。根据项目建设规模和目前的技术发展水平，综合考虑工程建设的管理、施工和电站的运行以及维护管理等方面，总体技术方案采用“集中安装、多路升压、统一上网”的“模块化”技术方案。

研究目的：根据太阳能光伏阵列的详细布置，确定荷载，对主坝及 1、3号副坝进行详细的坝坡稳定复核计算，以便设计确定合理的太阳能光伏板与坝体连接的基础型式，在开发、利用可再生能源的情况下，确保大坝的安全。

研究意义：结合现有设施，在土石坝的下游坝面布置太阳能发电装置是一个新课题。如果能够使两者很好的结合起来，在不影响大坝自身安全的前提下，利用土石坝下游坝坡坡度较缓、坝顶不允许溢流、库区方便管理的特点将坝坡下游面作为太阳能发电场地，从可再生能源发展和前景展望可以明确此类项目有着良好的应用前景。

2 基础资料15

2.1 北台上水库大坝资料

北台上水库位于北京市怀柔区雁栖湖镇北台上村，流域位于潮白河支流雁栖河，流域面积102.2km2。工程于1962年1月初步建成，后经1977年论证提高了防洪标准，总库容3830万m3，总装机625kW。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准SL252-2000》，工程属III等工程，工程规模为中型。主要水工建筑物包括土石坝主坝一座，副坝 5座，3孔实用堰溢洪道一座，输水隧洞一条，引水管道发电厂房一座。主要永久水工建筑物级别为 3级，相应设计洪水标准（重现期）为100年，校核洪水标准（重现期）为 1000年。本工程的特征水位与洪水标准如表1所示。

表1 北台上水库特征水位表

主坝、1#付坝和3#付坝的基础资料如下：

（1）主坝：主坝为粘土斜墙砂砾混合坝，斜墙下作粘土齿槽与基岩相接。基岩为火山凝灰岩，风化严重，河床覆盖层厚约10m左右。最大坝高为31m，坝顶高程为91.2m，防浪墙顶高92.2m。基础处理为粘土齿槽及帷幕灌浆。

（2）1#付坝：1#付坝为砂质粘土均质坝，位于主坝东面，与主坝紧相接，基础为砂质粘土层，坝头为凝灰岩。坝型为砂质粘土均质坝，但在下游面用部分砂砾料盖在粘土上。最大坝高为15m，坝顶高程为91.2m。

（3）3#付坝：3#付坝1962年初建时为砂质粘土均质坝，1976年北台上水库加固工程中加混凝土防渗心墙。1976~1980年进行了北台上水库加固工程，对 III号付坝进行了混凝土防渗心墙施工，心墙顶高程89.00，底高程61.40。最大坝高为29.2m，坝顶高程为91.2m。

2.2 坝坡太 能布设方案

项目拟利用北台上水库大坝下游面作为太阳能发电场地。利用南坝面向阳的特点，平铺安装太阳能光伏发电系统，主要安装在主坝、1#副坝、3#副坝三个下游坝坡。

本工程太阳能发电方案在坝体下游面安装光伏板和相关架设结构，光伏板采用钢支架（U型钢及方钢）与钢筋混凝土地梁连接，图1为光伏组件安装设计示意图。根据光伏板安装的结构布置计算太阳能发电装置荷载的大小。

图1 光伏组件排列设计示意图

太阳能发电装置荷载如下：

光伏板的重量为 22kg/块，平面尺寸为1650×990mm，折合成单位面积的重量约为13.47kg/m2，考虑架设太阳能板用的型钢（U型钢及方钢的重量）后，光伏电池板安装结构的荷载（上部荷载）密度为40kg/m2。

混凝土地梁截面为500×300mm，纵梁与横梁的水平间距均为 10m，相邻两根纵梁间设2个支墩，支墩架设在U型钢下。支墩截面为300mm×300mm，高 0.5m。基础梁的荷载（下部荷载）密度为102.64kg/m2。

总的太阳能发电装置荷载为142.64kg/m2。本次计算考虑150kg/m2。

由于3.5MWp金太阳示范项目拟利用太阳能发电，需在坝体下游面布设发电装置和相关结构，在坝体的下游坝面上增加了的重量，影响了坝体下游坡的稳定。为此需对主坝、1#付坝、3#付坝的下游坝坡进行稳定分析。

3 计算方法及主要参数确定

采用边坡稳定分析的理论与方法，进行坝坡光伏太阳能发电装置对坝体稳定的影响分析。分析过程首先计算坝体的浸润线，然后进行抗滑稳定分析计算。

浸润线计算采用土石坝渗流分析中的水力学方法。计算采用达西定律，假定渗透水流为渐变流，过水断面上各点渗透坡降和渗透流速相等。这种方法不能准确求出任一点的渗透要素，但一般已能满足工程设计要求的精度，且计算方法简单，易掌握，故应用最多。SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定，除1级、2级及高坝外，均可采用此法计算。

坝坡稳定分析采用中国水利水电科学研究院编制的《土质边坡稳定分析程序——STAB2007》进行，本次计算选用了其中计及条块间作用力的简化毕肖普法，对背水坡的稳定渗流期的稳定进行了计算。由于工程为运行多年，计算中采用了有效应力法。

3.1 计算断 取

浸润线计算的目的是，确定坝体浸润线及其下游出逸点，为坝体的稳定分析计算提供依据。为了详细了解坝体渗透稳定现状，选取主坝与 1#和 3#副坝的最大断面进行渗流计算。坝坡稳定计算断面与渗流计算所选取的断面相同，浸润线由渗流计算得出。

3.2 工况 取

由于太阳能发电结构均位于大坝下游面，为此计算工况选取设计洪水位下游坡脚无水的情况。对坝体背水坡的稳定渗流期的稳定性进行了分析计算。分别进行了以下两种情况的计算：

（1）现状坝体的抗滑稳定性；

（2）施加太阳能荷载后的坝体抗滑稳定性。

3.3 参数 取原则

由于缺少现场取样的资料，本次主坝、1#付坝及3#付坝的土体渗透系数k、抗剪强度指标（c，Φ）和容重r等参数的选取原则如下：

（1）坝体自身的原始资料（北台上水库历史档案资料）；

（2）参考其他坝同性质土体的原始资料（北台上水库历史档案资料）；

（3）如以上两者都无，则根据工程经验取定。

其中 3#付坝混凝土心墙的渗透系数考虑如下：混凝土的渗透系数一般在 10-8m/s以下；混凝土防渗墙在施工和运行的过程中，必然会出现裂缝，导致抗渗性能不可能达到混凝土自身的抗渗性能。本次计算中取混凝土心墙的渗透系数为k=10-7m/s。

4 浸润线的计算

4.1 现状坝体的 渗设施及排水设施

坝体的防渗设施可通过降低浸润线以增加下游坝坡的稳定性，通过降低渗透坡降以防止渗透变形。坝体排水设施的作用是排除坝身及坝基渗水，降低坝身浸润线，增加下游坝坡的稳定性，防止发生渗透破坏。主坝、1#付坝和 3#付坝的现状防渗、排水设施如下：

（1）主坝：主坝采用了粘土斜墙防渗，断面如图2所示。粘土斜墙采用截水槽与岩基相接，由于斜墙已经到达相对不透水层，所以未设水平铺盖。粘土斜墙下游为砂砾料坝体结构，下游坡脚设置了贴坡排水。

（2）1#付坝：1#副坝坝体为均质粘土，透水性较小，可直接起防渗作用。为降低浸润线其下游部分坝体采用了砂砾料结构。粘土主坝体与砂砾料坝体的分界线位于坝体后部，坡比为1:1.5，自坝顶至坝基，坝顶位置砂砾料坝体宽度约为1.0m。下游坡脚设置了贴坡排水。

（3）3#付坝：3#副坝主坝体为均质粘土，为降低浸润线在坝踵位置设置了排水棱体。1976年北台上水库加固工程中自坝顶加了一道混凝土防渗心墙。

4.2 浸润线的计算

计算了上游水位为设计洪水位（90.00m），下游坡脚无水的工况下，坝体稳定渗流情况下的浸润线。浸润线计算工况见表2。

表2 渗流计算工况表

（1）计算原理：

考虑一不透水地基上矩形土体内的渗流，假定任一铅直过水断面内各点渗透坡降均相等，则断面的平均流速v和单宽流量q分别为：

将式2自上游面水深H1至任意断面y积分，得到浸润线方程：

如果将边界条件x=L、y=H2代入式4，则得到矩形土体渗流量公式为：

式3~式5是多种形式土石坝渗流计算的基本公式。

（2）计算成果：

通过计算，主坝、1#付坝及3#付坝的浸润线如图2~图4所示：

图2 主坝浸润线计算结果

图3 1#付坝浸润线计算结果

图4 3#付坝浸润线计算结果（k=10-7m/s）

5 坝体抗滑稳定分析

5.1 现状坝体的抗滑稳定性

土石坝坝坡最小抗滑稳定安全系数的允许值与其计算方法有关。SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》规定，采用计及条块间作用力的计算方法时，正常运用条件下，工程等级为3级时，坝坡抗滑稳定最小安全系数应不小于1.30。

坝坡稳定计算工况如表3所示。

表3 坝坡稳定计算工况

表4 坝坡抗滑稳定最小安全系数计算结果

（1）计算理论和公式：

坝坡抗滑稳定计算依据刚体极限平衡原理进行。采用计及条块间作用力的简化毕肖普（Simplified Bishop）法进行稳定分析计算，采用STAB2007中确定整体极值的随机搜索方法，确定临界滑裂面，获得圆弧滑动面的最小安全系数。

（2）计算成果：

坝坡抗滑稳定计算的结果见表4。

5.2 施加太 能发电装置荷 后坝体抗滑稳定性

施加太阳能发电装置荷载后，同前述，计算主坝、1#付坝、3#付坝下游坝坡的抗滑稳定，并与施加该荷载前的计算结果进行对比。

在目前选用的坝身材料渗透系数 k、抗剪强度指标（c，Φ）、容重 r等参数的情况下，分析计算得出的坝坡抗滑稳定最小安全系数如表4所示。从表4中可以看出，施加太阳能发电装置荷载后对坝坡的抗滑稳定安全性的影响不大，抗滑稳定安全系数降低最大为2%。

坝体材料的抗剪强度指标是土坝稳定分析的基本参数，抗剪强度指标的选用是否合理，直接关系到抗滑稳定分析的结果是否可靠。应取得大坝现状的各分区土料的物理力学性质指标，以便对坝身的稳定安全性的准确复核分析。

其中3#付坝混凝土心墙渗透系数k的取定，应进行进一步的分析，拟利用观测资料（1964~1969年运行期的观测资料，加砼心墙后的观测孔水位资料）在不同的水位下，进行计算反演，估算混凝土心墙渗透系数k的区间。

6 结论及建议

（1）施加太阳能发电装置荷载后对坝坡的抗滑稳定安全性的影响不大，抗滑稳定安全系数降低最大为 2%。从分析结果来看，坝坡光伏发电系统对坝体的稳定性影响不大，方案具有可行性。

（2）坝体材料的参数选取特别是坝身土体渗透系数k的选取对坝身抗滑稳定性计算结果影响很大。

北台上水库大坝从1962年1月建成至今，已经运行约 50年，期间经历提高防洪标准、设计水位变化，1976~1980年进行了北台上水库加固工程。建议对现状水库进行全面的安全鉴定，取得坝身材料的现场勘查资料，以便进行坝身抗滑稳定安全性的准确复核评估。北台上水库已经建成约 50年，固结沉降已经完成，同时为8度设防区，应尽快安排现场取样的相关工作，以提供现状坝体各分区土料物理力学指标。

（3）在确保水库大坝稳定安全的前提下，才能考虑实施坝上太阳能项目。设计中应考虑浅表层滑动的安全稳定性，设计合理的太阳能光伏板与坝体连接的基础型式，确定合理的基础布置方案，确保坝体的安全。

（4）结合现有设施，在土石坝的下游坝面布置太阳能发电设备是一个新课题，缺乏运行管理经验，很多问题有待实践工程的检验。如对坝上永久观测设施的影响、项目施工期对坝体安全影响的评估等问题，都需要进一步进行深入研究分析。但从中国能源发展和前景展望可以明确此类项目有着良好的应用前景。如能很好的考虑解决相关不利因素带来的问题，项目将有良好的推广价值。