风机与高陡岩质边坡安全距离的浅析——以西南山区某风电场风机微观选址为例

张义，杨煜

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引言

在“双碳”背景下，我国将加速推进国内传统能源的转型和清洁能源的发展，以风电为代表的可再生能源的战略地位凸显。风力发电占能源结构的比重将越来越大，风电场的建设将越来越多。山区风电场选址过程中，将不可避免地遇到高陡边坡的地质情况。因此，客观分析和评价风机与高陡岩质边坡的安全距离，对工程安全运行、成本控制具有现实意义。

本文以西南山区某风电场风机微观选址为例，开展高陡岩质边坡风机场地稳定性评价，估算风机与高陡岩质边坡的安全距离，为风机的微观选址及安全运行提供技术保障。

1 工程概况

西南山区某风电场位于重庆市东南部，拟定总装机容量80MW（3.2MW＊25台），风机轮毂高度为90 m，叶轮直径为140m。拟选10台风机机位东侧陡崖高度40~190m不等，近于直立，主要由二叠系灰岩组成。风机位的稳定性受东侧（陡崖）边坡稳定性和塌滑范围的影响，在不稳定的边坡和塌滑线以内的区域建设时，风机基础存在潜在塌滑失稳、基础开裂变形、风机倾斜（覆）等风险。

2 区域地质构造与地震

2.1 区域地质构造概况

场区处于扬子准地台-上扬子台坳-川东陷褶束-黔江凹褶束构造单元，区内最主要的构造线是呈北北东的褶皱及伴生断裂。根据《区域水文地质普查报告（1:20万，酉阳幅）》，场地位于濯河坝向斜东翼形成的单斜构造山体。

2.2 地震及区域构造稳定性评价

场址的西北方向为黔江断裂带，1856年发生6级小南海地震，为中等全新活动断裂的发震断裂。根据重庆市地震分布图，场址周边地震震级一般小于4级，且频次少，场址属外围地震波及区。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）及《建筑抗震设计规范（2016年版）》（GB 50011-2010），设计基本地震加速度为0.05g，对应的抗震设防烈度为6度。

3 场区工程地质条件

3.1 水文气象条件

场区属亚热带暖湿季风气候区，地形性气候、垂直型气候明显。年平均气温随地势差异变化较大。受东南和西南季风的影响，年降水量较多，雨季长，5～9月降雨量最多。多年平均降雨量大于1205.8mm，历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

场址区域上位于大娄山山脉北东侧与武陵山脉北西侧之间的低、中山区，区内山岭走向与构造线方向均呈北北东向延伸，山势陡峻，峡谷众多。场址地貌为构造-溶蚀山地，高程1350m~1610m，高差1500~250m；根据《陆地和海上风电场工程地质勘察规范》（NB/T 31030-2012）第4.2.1条，场地以中低山地形为主。部分风机场地东侧为灰岩悬崖或陡峻斜坡。

3.3 地层岩性

风机多沿山脊、山梁顶部布置，覆盖层一般较薄，部分地段基岩直接裸露。根据现场地质钻探、踏勘调查和相关区域地质调查资料，场区主要出露第四系和二叠系下统茅口组（P1）灰岩。

3.4 地下水条件

场址位于山地，主要接受大气降水补给，沿地面向地表沟谷排泄或沿溶蚀裂隙、溶洞下渗。根据含水层的性质以及地下水在地层中的富集形式和分布特征，地下水类型主要分为第四系松散岩类孔隙水和岩溶水两类。

4 风机与高陡岩质边坡安全距离分析与评价

4.1 边坡概况

场址东侧的陡崖呈北北东-南南西向贯穿整个场地，延伸长度大于20km，最大高度约190m，坡角一般70-85度、局部呈直立状。场地位于濯河坝向斜东翼形成的单斜构造山体。岩性主要由二叠系下统的茅口组灰岩组成，中厚层~巨厚层为主，倾向270~305度、倾角25~35度，呈单斜状产出，陡崖坡向90~120度，为逆向坡，中风化为主，岩质较完整，较坚硬。陡崖顶部边缘受到长期差异风化作用，形成孤峰或石柱。坡顶由于上覆残积层红黏土，卸荷裂隙不明显。风机S12、S14等10个机位东侧陡崖高度见表1。

4.2 边坡岩体类别划分及破坏模式分析

按《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）第4.1.4、4.1.5条相关规定，构成高陡岩质边坡主要为二叠系茅口组灰岩，岩质较坚硬、较完整，边坡岩体类型为Ⅱ类。

陡崖主要由二叠系下统的茅口组灰岩组成，中厚层~巨厚层为主，呈单斜构造产出，为逆向坡。宏观上岩体无大型贯穿岩体的外倾结构面，在局部有被卸荷裂隙和节理裂隙切割形成的不稳定块体，结构面倾向与岩层倾向夹角为钝角，呈反倾状，不稳定块体易脱离母岩失稳。根据现场踏勘和调查访问，陡崖长期稳定、偶尔局部掉块，陡崖崖脚少见崩塌块体，破坏形式为崩塌型，以倾倒式为主。

4.3 坡顶卸荷带宽度的确定

根据研究成果[1]，西部地区的地表岩石工程问题主要是“卸荷带”的问题，无外倾结构面岩质边坡最容易出现塌滑的地段，是边坡的顶部。卸荷裂隙使岩体强度降低、渗透性增大、并使各种风化因素更容易侵入坡体，导致边坡出现更大的破坏。因此，确定坡顶卸荷带的宽度成为风机与陡崖边坡安全距离的关键，而坡顶卸荷带与边坡高度又有直接关系。下面从现行规范依据、前人研究成果、邻近工程的案例等三方面，来确定本工程风机的坡顶卸荷带的宽度，以此来确定各风机距离陡崖边坡的安全距离。

4.3.1 现行规范依据

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）第6.3.3条规定，无外倾结构面的岩质边坡，坡顶无建筑荷载的永久边坡，破裂角可按45。+Φ/2确定，其中Ⅱ类岩体边坡等效内摩擦角按照72度计算。须注意，场地东侧陡崖边坡高度一般大于30m，超过该公式使用条件，依此估算时仅作为参考。

4.3.2 前人研究成果

（1）根据研究成果[2]，谷坡卸荷带范围浅表部一般发育范围在0~50m间，在坡体深部（一般水平距边坡边缘100~200m）还发育有深部的卸荷带，表现为典型的深部张裂，包括表生改造和时效变形过程，破坏模式为在拉应力作用下最终发生的剪切破坏，同时具有明显的张裂特性。

卸荷带发育的宽度随边坡高度增加而增大，一般自然情况下，岩石高边坡是稳定的，但作为工程边坡，在开挖、动荷载、水雾等条件下，应避免对边坡的影响和扰动，并采取一定的工程处理措施，以提高其安全储备。

（2）根据研究成果[3]，坡顶的卸荷裂隙一般平行于边坡走向，裂隙发育宽度大致为边坡高度的0.2~0.4倍；拉伸裂隙发育的深度，大致为边坡高度的0.2~0.3倍。

（3）根据研究成果[4]，以重庆地区典型硬质岩陡崖为研究对象，分析了陡崖卸荷带与陡崖坡度、坡高、 结构面倾角、岩体强度的四个因素之间的呈一次线性关系的特点。引用其关于重庆地区典型硬质岩陡崖卸荷带宽度的估算方法。公式如下：

①L=0.8980φ-53.155，即卸荷带宽度与边坡坡度的综合相关关系；

②L=0.1804 H-0.4326，即卸荷带宽度与边坡坡高的综合相关关系；

③L=0.3527 P-0.7086，即卸荷带宽度与边坡岩体强度的综合相关关系。

上述有关卸荷带宽度与高度的拟合公式中，边坡高度数据多为小于或等于100m，大于100m的数据较少。须注意，总体上边坡高度越大，卸荷带宽度越大，发生失稳的概率越大。

4.3.3 邻近工程的案例

邻近的重庆武隆风电场场地也是一侧为陡崖，其岩性主要由砂岩夹泥岩组成，坡面形态为台坎状，坡高一般低于80m。建成风机与陡崖的距离最小约35m[5]。

4.4 安全距离的确定

从上述现行规范依据、前人研究成果、邻近工程案例等资料，结合场地工程地质条件，综合确定了本工程风机的坡顶卸荷带的宽度，以此来确定各风机与陡崖边坡的安全距离，如下表：

表1 风机与边坡的关系一览表

备注：①风电机组基础方案暂按圆形扩展基础考虑，基础直径约20m；②地形以现场实测为准；③基础边缘与陡崖距离，即为坡顶卸荷带的宽度。

5 结语

本风机场区地表岩石工程问题主要是“卸荷带”的问题，无外倾结构面岩质边坡最容易出现塌滑的地段是边坡的顶部。确定坡顶卸荷带的宽度成为风机与陡崖边坡安全距离的关键，而坡顶卸荷带与边坡高度又有直接关系。坡顶的卸荷裂隙一般平行于边坡走向，裂隙发育宽度大致为边坡高度的0.2~0.4倍；拉伸裂隙发育的深度，大致为边坡高度的0.2~0.3倍。

根据相关规范、前人研究成果和邻近工程案例等，结合场地工程地质条件，综合确定了本工程风机场地的坡顶卸荷带的宽度，以此来确定各风机与陡崖边坡的安全距离，为风机位设计提供参考依据。