重力式风力机荷载下残积土边坡地基治理方式研究

2022-10-08郭霞辉

湖南城市学院学报（自然科学版） 2022年5期

郭霞辉

(益阳市建筑设计有限公司，湖南益阳 413000)

随着国家节能减排政策的推进，风能等新能源将成为能源发展的刚性需求.在风能资源的开发过程中，陆上风能资源的开发得到了进一步的推进.山区风能作为陆上风能资源的主要组成部分，得到了科研人员的广泛关注.由于风能的分布规律，山区风力电机一般坐落于平整后的山顶，其基础形式为施工简易并且造价较低的钢筋混凝土圆形扩展基础[1-2].风力电机作为一种受力复杂的高耸结构[3]，虽其底板圆的直径较大，但实际建设过程中基础边缘的临坡距离有限，而风机运营过程中的基础震动将扰动地基土体，使地基边坡失稳的风险上升；另外，作用在风力发电机上的风荷载是随机的，它对结构物的作用是一种动力荷载，也会引起阻碍它运动的物体产生加速度或者说是振动，这种振动将通过风力机塔筒传至基础和地基，加剧对所在边坡的扰动，对其稳定性产生不利影响[4].

在动荷载作用下，边坡土体将产生动力响应现象，而简单采用定性分析方法不能很好地研究边坡应力状态和土体位移的变化趋势.根据这一特性，国内外学者通过离心系统、模型试验以及数值模拟的方法对于边坡在动荷载作用下的稳定性进行了研究，但大多集中在研究地震波和爆破荷载对边坡土体的影响[5-7].

本文以建立在残积土边坡顶部的风力发电机重力基础为研究对象，利用FLAC3D 程序建立了原始边坡与2 种不同治理方式处置后的风机发电机圆形扩展基础-边坡的有限元模型，重点研究了边坡在风荷载作用下不同工况中的稳定性变化趋势，并对不同工况下残积土边坡的应力和位移进行了分析，得出了重力式风力发电机基础座落的残积土边坡的合理治理方案，还提出了进一步的改良措施.

1 工程概况

黄家仑风电场位于益阳市赫山区境内，场地类型为低山丘陵.根据施工勘察资料，发现该场地地层依次为第四系残坡积层(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂岩及灰岩层，其中第四系残积层(Q4el+dl)主要由砾质黏性土组成，土体结构松散，层厚0～10 m，在谷底、山前坡麓地带、斜坡坡面及平台广泛分布；下伏基岩为石炭系(C1d)石英砂岩，主要分布于岩土接触面以下，沿深度向下呈强～中风化，近地表呈强风化状态，风化厚度约1～3 m，裂隙发育，岩石破碎.

该场地位于湘北地区，属于大陆型亚热带季风湿润气候，水汽丰沛，四季分明，降水具有明显的季节性，即春多阴雨、夏多暴雨、秋冬降水相对较少.地下水主要为上层滞水、松散岩类孔隙水和基岩风化裂隙水3 种，水量较为贫乏，场地范围内的上层滞水和孔隙水受季节影响较大.

2 数值模拟

2.1 本构模型和参数的确定

为简化数值模型，突出研究重点，根据高乾丰[8]的研究，将风力发电机上部结构连同风荷载简化为1 个竖向力Fz、1 个水平合力Fr和1 个水平合力矩Mr作用在风力机基础上，见图1.

图1 上部结构荷载简化

本文主要针对残积土边坡不同治理措施的对比研究，以残积土边坡的应力分布变化规律与位移变形规律为重点，对混凝土扩展基础进行简化(仅需要考虑基础与土体的接触关系)，所以可以将基础视作素混凝土结构.选用摩尔库仑塑性模型，所有参数按照实际浇筑的混凝土来选定，并根据工程经验，风力发电机圆形拓展基础一般采用C40 混凝土浇筑，其具体参数取值如表1 所示.

表1 混凝土基础参数

结合工程概况，可知区域内地下水不发育，且大气降水在边坡表面影响的范围有限.本文的主要研究内容为残积土边坡的合理支护方式，计算中将边坡作为整体进行模拟，故不考虑水文因素对该残积土边坡整体稳定性的影响.为探究采用不同治理措施后残积土边坡的瞬时破坏特性，边坡土体的内摩擦角和粘聚力通过UU试验(不固结不排水剪切试验，简称UU 试验)确定.残积土的莫尔圆见图2.通过计算，土体内摩擦角为13.120°，粘聚力为28.900 kPa.

图2 残积土UU 试验莫尔应力圆

查阅地勘资料得到残积土压缩模量Es为5.99 MPa，泊松比υ为0.35，容重γ为19.750 kN/m3，土体的塑性指数IP和液性指数IL分别为12.44 和0.23.根据童立元等[9]的研究，通过压缩模量ES和泊松比υ计算得出杨氏模量E，其关系式为

由式(1)计算可得杨氏模量E为3.68 MPa.根据已有的研究成果[10]，动弹性模量可以取杨氏模量的7 倍，即25.76 MPa.结合土体与混凝土材料的基本参数，通过模型试算，得知土体的应变区间为0.01%～0.05%.

边坡模型在计算中受到的荷载包括静荷载和动荷载，而摩尔-库仑模型从算法的角度考虑静力方程和动力方程的求解过程均是动力方程求解，可以很好地解出FLAC3D 计算中的动力方程，所以边坡的本构模型采用摩尔-库仑模型.

2.2 数值模型的建立

根据当地气象站的监测数据，此区域的主风速为9～12 m/s，风力电机选取单机容量为2 000 kW 的湘电风能XE93-2000 型风力发电机.结合风力电机的建议运行风速，本文模拟对象的运行风速选取范围为3～25 m/s，机型采用的重力式圆形扩展基础的几何尺寸和在边坡顶的埋深尺寸如图3 所示.

图3 风力发电机基础的几何尺寸和埋深/mm

邓宗伟等[11]研究发现，风力发电机基础基底压力对土体应力的主要影响范围为1.5 倍半径.本文将实际边坡简化后，建立高度为15 m，长度为30 m，宽度为40 m，边坡坡比为1∶1 的理想边坡模型，设定风力发电机基础圆心距边坡顶部边缘距离为15 m，建立后的数值模型如图4 所示.

图4 初始状态的基础-边坡模型

由于风荷载在经过风力发电机传递后，对土体的影响范围有限，所以在实际工程中一般采用扩大风力发电机基础所在边坡顶部的临坡距离来提高边坡的稳定性.本文保留初始模型的其他条件，建立边坡顶部边缘同基础圆心2 倍基础半径的模型，如图5 所示.

图5 扩大边坡顶面后的的基础-边坡模型

边坡支护的方式有很多种，常见的挡土墙和支护桩支护造价高，并且会产生大量运输成本.根据实验数据可知，本文残积土的承载能力较小，需要对地基进行加固，而挡土墙对地基承载能力要求较高.考虑到土工格栅具有造价低、强度高与质量轻等特点，在处理运输困难的工程时具有很强的优势，并且双向土工格栅与土体能够很好地进行咬合并锁死颗粒的移动，与本文研究对象的需求契合，故本文的第3 个模型便是针对土工格栅支护后的基础-边坡进行模拟的.

土工格栅的模拟采用FLAC3D中的自带单元(Geogrid 结构单元)模拟，所模拟土工格栅具有各向同性，其厚度为1.8×10-3m，假定其入土深度均为6 m，每层土工栏栅加筋间隔0.5 m.本研究设定土工格栅轴向刚度为150 kN/m，弹性模量为21 GPa，泊松比为0.33，粘聚力为2.3 MPa，内摩擦角为30°.在进行建模时保留初始模型参数，并加入Geogrid 单元.建立的模型如图6 所示.

图6 土工格栅支护后的基础-边坡模型

3 模拟结果

3.1 边坡受力分析

输入简化后的荷载后，边坡在风力发电机荷载作用下的应力分布云图见图7.由图7 可知，在初始工况下整个边坡土体均表现为数值为负的压应力分布和明显的分层现象，且应力从边坡顶部至边坡底部呈明显的增长趋势，在坡脚处还有应力集中的现象.

图7 在初始工况下的边坡主应力云图/kPa

扩大边坡顶部临坡距离后，边坡受风力发电机基础影响的主应力分布规律基本与初始工况一致，但在数值上有所衰减，且在坡脚处的应力集中现象有所减弱，具体情况如图8 所示.

图8 扩大边坡顶部后的边坡主应力云图/kPa

土工格栅支护后，边坡的主应力分布发生明显变化.边坡深层土体与坡脚一定范围土体的应力分布表现为压应力分布，但在坡肩的部分区域出现拉应力.这表明土工格栅不改变坡脚土体与边坡深层土体的应力分布规律，但对坡肩范围的土体有较大影响，即使其由压应力变化为拉应力，且在数值上比原始工况大1 倍，具体情况如图9所示.

图9 土工格栅支护后的边坡主应力云图/kPa

3.2 边坡位移分析

位移云图能够直观地表现边坡的变形发展趋势，体现治理措施的治理效果.初始工况的边坡位移情况如图10 所示.由图10 可知，边坡的最大位移位于基础中心到边坡顶边缘的中轴线上，最大值为1.41 cm，且随着高程的下降而减小.

图10 初始工况的边坡位移云图/m

由图11 可知，增大风力发电机基础临坡距离后，边坡的位移分布规律与初始工况基本一致，仅坡肩的最大位移有20%的降幅.这表明增大临坡距离能降低坡肩变形大小，但影响效果有限.风力发电机基础基底压力虽然对基础1.5 倍半径范围内的应力影响较大，但1.5 倍半径范围外的边坡应力仍受风力电机运营的影响.由此可知，扩大边坡临坡距离的处理措施对提高边坡稳定性的作用效果有限.

图11 扩大边坡顶部后的边坡位移云图/m

由图12 可知，土工格栅支护后边坡的位移变形规律有明显变化，总体位移明显减小，虽然边坡大位移方向仍以边坡中轴线发展，但是在边坡顶面靠近边坡边缘的位置，位移变化范围减小，且在边坡坡肩位置发生了位移突变，在数值上超过了未支护时的位移.可见，土工格栅在边坡坡肩位置抵抗土体的变形能力较为薄弱.由于土工格栅的插入破坏了原有土体自身的粘聚力，对于此区域的土体支护为无效支护，导致土体位移进一步加大.对比土工格栅支护前后的土体位移变化云图，易知土工格栅能有效减小边坡坡底范围的位移变形，对坡肩土体应采用其他手段进行加固处理.