采煤沉陷区光伏电站地基沉降及稳定性研究

2023-11-21彭雷祥杨向升

煤炭工程 2023年11期

彭雷祥，杨向升，华祥

(通用技术集团工程设计有限公司，山东济南 250031)

可再生能源的开发利用在我国能源供给侧结构性改革过程中起到关键作用，也是实现“双碳”目标的重要抓手。光伏发电是目前应用最为成熟的可再生能源开发利用技术之一，具有建设时间短、开发区域要求不高、投资成本低等特点，将迎来黄金发展期，但用地资源紧张成为限制其快速发展的主要因素[1-3]。而采煤沉陷区上引入光伏发电产业既能解决用地稀缺的问题，又能实际利用采煤沉陷区土地，实现“光伏+采煤沉陷区”模式的双赢局面[4，5]。然而，由于地下采空区具有结构复杂、长期隐蔽等特点，采煤沉陷区的场地稳定性是不可回避的问题[6-8]。因此，采煤沉陷区光伏电站建设的沉降变形及地基稳定性，成为光伏电站布局规划和采煤沉陷区开发利用亟需解决的关键问题。本研究结合工程实例，研究了采煤沉陷区光伏电站地基沉降与稳定性评价方法，为沉陷区土地利用提供参考。

1 采煤沉陷对光伏电站影响及工程概况

1.1 采煤沉陷对光伏电站影响

光伏电站包括太阳能发电板、支架、线缆、逆变器、输电线塔、办公建筑及其他相关设施等，不同设施受地下采动影响的损毁程度及损毁方式存在较大差异，如图1所示。

图1 地表移动变形对光伏电站影响

光伏组件、高压线塔等基础面积小的构筑物受下沉和水平移动影响较小，但受倾斜变形、水平变形的威胁较大，主要是地表变形导致构筑物重心偏离基础，发生倾覆碰撞、挤压变形等；而曲率变形对基础面积大的建(构)筑物威胁程度较大。考虑不同类型建(构)筑物对下沉、倾斜、水平变形和曲率的敏感度不同，将光伏电站建(构)筑物划分为高耸构筑物(高压输电线塔)、特殊构筑物(光伏组件、箱逆变)及一般建(构)筑物(综合楼)，各类型设施容许变形控制指标[9]见表1。

表1 光伏电站设施地基容许变形控制指标

1.2 工程概况

滕州市滨湖镇境内采煤沉陷区拟发展“农、渔、光互补”新模式建设150 MW光伏电站[10]，占地面积282.88 hm2，其中高压输电线塔56座，线路全长15.1 km，该光伏电站采用集中式直流发电升压后经2条集电线路接入当地电网，可实现年均发电量1.3亿kW·h。该采煤沉陷区涉及三座煤矿的3下、12下和16煤层既有采空区，其中部分区域涉及双层采空区，采煤方法为长壁后退式、顶板管理方法为全部垮落法，光伏电站功能区和煤矿地下采空区分布如图2所示，具体数据见表2。

表2 光伏电站各功能区下伏煤矿采空区分布情况

图2 集中式光伏发电系统方案拓扑及下方采空区分布

依据垮落带和导水裂缝带最大高度计算公式得到光伏2#发电区下方采空区导水裂缝带高度最大为55.4 m，以光伏1#发电区为例绘制下伏采空区剖面如图3所示。

图3 光伏1#发电区下伏采空区剖面

2 光伏电站地基沉降变形计算

2.1 沉降变形来源

采空区地表开展工程建设产生的沉降变形来源通常从采空区和工程各自角度进行分析，其一，在荷载扰动、地下水侵蚀、岩体应力突变等影响下，既有采空区垮落破碎岩体间的空洞裂隙进一步被压实、残留煤柱强度逐步衰减从而导致覆岩结构再次失稳[10-13]，传递到地表发生沉降变形；其二，工程建设荷载沿地表向下发展导致地基一定深度内土体产生压缩变形[14，15]。

2.2 地基岩土体沉降

考虑岩土体具有可压缩特性，地表开展工程建设产生的岩土体沉降通过确定最大荷载影响深度，按照土力学中传统分层总和法，叠加每层土的压缩量即为该地基的总沉降。

2.2.1 计算荷载影响深度Hz

针对光伏电站中高耸构筑物(如：高压输电线塔，最大荷载130 kPa)、特殊构筑物(如：逆变器，最大荷载100 kPa)、一般建(构)筑物(如：综合用房，最大荷载48 kPa)，计算各中心点以下不同深度的附加应力(σz)，分别将附加应力(σz)以10%、8%、7%和5%的土层自重应力(σcz)作为荷载影响深度判别标准，获得地基附加应力与土自重应力随深度变化的关系，如图4所示。

图4 地基附加应力与土自重应力随深度变化曲线

图4表明：相同判别标准下，荷载影响深度随荷载的增加呈非线性增加；相同荷载下，判别标准越高(自重应力比例越低)，荷载影响深度越大。并且浅部位置的附加应力减小程度较深部位置大，表明建筑物荷载主要作用在浅部土体。图4中光伏功能区的附加应力和不同判别标准的相交点对应的深度值即为各功能区的荷载影响最大深度，见表3。

表3 不同判别标准下各功能区荷载影响深度 m

“三下”规范中指出：对于采煤沉陷区一般地基的荷载判别标准宜取10%的自重应力，根据各设施下方采空区复杂程度及表1各设施对地表变形的敏感度可将一般建(构)筑物、特殊构筑物及高耸构筑物的荷载影响深度分别取10%的自重应力、7%的自重应力和5%的自重应力作为判别标准，最终得到各自地基最大荷载影响深度分别为17.1、18.1、26.2 m。

2.2.2 分层总和法计算土体压缩量

以高耸构筑物高压输电线塔为计算案例，根据地基土层特征(表4)并考虑每层厚度不超过4 m将土体分成8层，按照土力学中的分层总和法[16]计算其下方地基土体累计最大压缩量为164.2 mm，可见基础面积较小的高耸型构筑物仍会产生一定地基土体的压缩变形。

表4 地基土层特征

2.3 采空区残余沉降变形

地表残余沉陷仍符合随机介质理论，本文采用优化后的基于变换采厚的概率积分法预测模型[17，18]进行预测，预测参数依据各区域地表移动变形实测数据拟合出的矿区岩移参数进行调整和修正获得。

2.4 地基总沉降变形

采空区地表在荷载作用下的总沉降变形可看作附加荷载引起的地基岩土体压缩沉降变形与采空区自身残余沉降变形之和，即Wt=T+W，对于其他残余变形认为主要是采空区自身因素产生。由此可得采空区上方建设光伏发电工程的最终地表残余沉降变形：最大沉降为1456 mm，最大倾斜变形为7.10 mm/m，最大水平移动为362.1 mm，最大水平变形为4.60 mm/m，最大曲率为0.09 mm/m2。

残余沉降变形在光伏发电功能区内仍有分布(图5)，其中高压输电线路、110 kV升压站、1#发电区和3#发电区等大部分区域受残余沉降变形影响较小，且分布较均匀，受变形影响较大的区域集中在2#发电区的积水区域。

图5 光伏发电工程地表残余沉降分布

3 采煤沉陷场地稳定性评价

3.1 工程常用评价方法

项目采煤沉陷场地涉及采空区属既有采空区，不涉及复采采空区和未来采空区，而既有采空区开展工程建设的必要工作之一就是场地的稳定性评价，目前工程主要依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》[19]中各种判别方法进行评价，如开采条件判别法、地表移动变形判别法等，目的是依据采空区与工程建设的相互影响程度来确保工程建设及运营的安全可靠，对照现行规范中的评价准则，并按照保守原则，得到现行规范评价的地基稳定性结果，见表5。

表5 规范评价结果(面积占比/线塔数)

3.2 非线性模糊综合评价法

采用非线性模糊综合评价法中的基于主客观组合赋权的Ⅱ级模糊综合评价法开展稳定性评价[20，21]。

3.2.1 基本思路

首先基于规范评价方法中影响采煤沉陷场地稳定性的因素筛选出11个因素作为评价指标，并将目标稳定性划分为三个等级：稳定、基本稳定和不稳定，建立目标层、准则层和指标层的Ⅱ级模糊综合评价体系；其次确定各评价指标影响采煤沉陷稳定性的相对重要程度，即权重；然后确定各评价指标隶属于目标等级的模糊程度，即模糊隶属度；最后依据最大隶属度原则确定评价对象的隶属目标等级。

3.2.2 主客观联合赋权

主观赋权采用改进的模糊层次分析法[22]，该方法通过设置阈值进行多次循环，避免了一致性检验，提高了使用效率。客观赋权采用主成分分析和熵权法联合赋权[23]，采用主成分分析目的是对影响采空区稳定性的因素进行降维处理，采用熵权法的目的是消除各评价指标的主观判断，进行客观赋权。客观赋权法具体步骤如下：

1)样本数据标准化，假设样本总数为m个、评价指标为n个，组合数据集为：

Z-score标准化处理结果为Y：

2)样本数据标准化后Y的相关性矩阵R(rij)n×n：

3)计算相关性矩阵R的特征值λi和特征向量ai，主成分要求累计方差贡献率达85%以上。

5)计算各指标信息熵：

6)各指标熵权计算如下：

主客观联合赋权采用加法组合法求取得到最终权重，更能反映评价指标的实际情况，联合权重计算方法见式(9)，计算结果见表6。

表6 I-FAHP和PCA-EWM的组合赋权结果

Pi=0.5(wi+vi)

(9)

3.2.3 模糊隶属度

定性指标和定量指标的模糊隶属度分别采用德尔菲法和三相线性分布函数进行确定，限于篇幅，原理详见文献[24]。

3.2.4 评价结果

根据待评价的1#、2#、3#发电区和56座高压输电线塔的各评价指标实测数据确定相应的隶属度矩阵，通过模糊算子合成Ⅰ、Ⅱ级模糊评价，以1#发电区为例展开模糊综合评价：

评价结果可见，1#发电区的最大隶属度为0.3754，依据最大隶属度原则确定该区域处于基本稳定状态。同理，可利用非线性模糊综合评价法对其他对象进行评价，结果见表7。

表7 光伏发电工程采煤沉陷区稳定性模糊综合评价结果

3.3 综合对比及建议

综合来看，对于光伏发电区采用现行规范评价的结果与非线性模糊综合评价法的结果一致，但对于高压输电线塔而言，两种方法的评价结果有所出入，具体表现为：非线性模糊综合评价结果更适用于点状对象评价。通过现场实际调查，2#发电区积水边缘有渗水趋势，光伏电站整体运行正常，表明两种方法评价结果一致；但DN1、CSN13线塔1 m范围内出现零星积水现象，说明两座线塔周边仍有沉降变化，而其他线塔周边保持正常，因此非线性模糊综合评价结果与现场实际情况更为一致。

对2#发电区渗水区域根据现场实际损坏情况进行调整，如对未倾斜损坏光伏管桩周围安装固定三脚支架，对已损坏光伏组件及时维修、扶正并采取固定措施；对不稳定的DN1、CSN13高耸型线塔应采取特殊措施加以保护，如采用钢筋混凝土将四个相对独立基础改造为一体化联合基础，以提高基础适应地表不均匀沉降产生的倾斜和水平变形的能力，增加高耸基础底座稳定性。