高速公路分布式光伏邊坡穩(wěn)定性分析研究

摘要 利用高速公路路側(cè)邊坡開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能等清潔能源是交通與能源融合的典型應(yīng)用場(chǎng)景之一，而在高速公路路側(cè)邊坡加裝光伏存在加裝光伏板對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響尚不明確、光伏布設(shè)后的地表水徑流特征尚不清晰等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，文章以山東省某高速公路項(xiàng)目為依托，進(jìn)行了加裝光伏板前后等不同工況下的光伏邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)估、光伏邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析、光伏板布設(shè)后地表水徑流特征分析等研究，分析了光伏板對(duì)路側(cè)邊坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，加裝光伏板對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響小，且具有一定的邊坡加固作用，但加裝光伏板形成的匯集水流會(huì)沖刷坡腳，需要采取護(hù)坡措施。因此，在路側(cè)邊坡加裝光伏具有可行性。

關(guān)鍵詞 交通與能源融合；邊坡光伏；邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)估；數(shù)值模擬；地表水徑流特征

中圖分類號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0137-04

0 引言

黨的二十大提出，積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和，加快構(gòu)建交通強(qiáng)國(guó)與新型能源體系[1]。“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出以來(lái)，國(guó)家先后出臺(tái)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》等頂層政策，促進(jìn)交通與能源融合發(fā)展，充分挖掘綜合交通清潔能源的開(kāi)發(fā)潛力，以滿足交通側(cè)清潔能源替代，實(shí)現(xiàn)交通網(wǎng)與能源網(wǎng)的相互融合發(fā)展，對(duì)于交通行業(yè)與能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

近年來(lái)，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性分析的研究和應(yīng)用案例較為豐富。余文質(zhì)[2]基于不確定性分析方法進(jìn)行了邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，并驗(yàn)證其合理性與可行性；文俊等[3]按照定性和定量分析方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了總結(jié)分析，為工程設(shè)計(jì)選取合適的分析方法提供了參考；次仁拉姆[4]基于強(qiáng)度折減法的Midas GTS NX有限元分析軟件對(duì)西藏某公路邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析；田苗旺等[5]基于強(qiáng)度折減法對(duì)地震作用下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了影響分析；謝璇等[6]基于Flac3D軟件分析了在某碼頭邊坡的開(kāi)挖穩(wěn)定狀態(tài)，并用強(qiáng)度折減法對(duì)開(kāi)挖后邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，以更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。綜上所述，目前邊坡穩(wěn)定性的分析方法主要針對(duì)邊坡自身穩(wěn)定性的分析，尚無(wú)加裝光伏板等永久附著物后的邊坡穩(wěn)定性分析研究。

鑒于此，該文以某高速交能融合項(xiàng)目為依托，分析光伏板加裝前后對(duì)邊坡整體的穩(wěn)定性影響，并利用數(shù)值模擬分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，以驗(yàn)證邊坡光伏的技術(shù)可行性，為邊坡光伏推廣發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 地形地貌

項(xiàng)目所經(jīng)區(qū)域?qū)儆邳S河沖積平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦、開(kāi)闊，起伏高差很小，總體上地勢(shì)西高東低，海拔一般在32～56 m。由于過(guò)去黃河決口、沉積等原因，地表形成多處高差不大的河道高地與洼地，相互重疊，溝壑交錯(cuò)，造成沉積物交錯(cuò)分布，加上河流沖刷、自然侵蝕和人類活動(dòng)的影響，形成了黃河沖積微傾斜低平原和沖洪、湖積微傾斜低平原兩種地貌類型。項(xiàng)目設(shè)計(jì)帶所經(jīng)區(qū)域僅為上述兩類地貌類型。區(qū)內(nèi)微地貌形態(tài)主要有河灘高地、壟崗高地、決口扇形地、緩平坡地、碟形洼地、沙質(zhì)河槽地、背河槽狀洼地等。

1.2 水文地質(zhì)

（1）地下水的賦存條件與地下水類型

根據(jù)地下水的賦存特征，場(chǎng)區(qū)地下水類型可分為第四系松散層孔隙水、基巖裂隙水兩類。第四系松散層孔隙水廣泛分布于擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)部的平原及山前傾斜平原內(nèi)，含水層較發(fā)育，巖性主要為中、細(xì)砂及粗砂、礫石，其頂板埋深一般為4～16 m，厚度為3～15 m，地下水位埋深1～7 m，砂層厚度自山前向下游逐漸增加，顆粒逐漸變細(xì)，大部分地區(qū)的單井涌水量為1 000～3 000 m3/d。古河道砂層厚度大，顆粒粗，富水性強(qiáng)，單井涌水量可達(dá)3 000～5 000 m3/d。

（2）地下水的補(bǔ)給與排泄

地下水補(bǔ)給主要是大氣降雨，部分接受基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給及河流湖泊滲漏地表水補(bǔ)給。降雨滲入補(bǔ)給量隨季節(jié)變化明顯，雨季滲入補(bǔ)給量大，地下水位上升；地下水徑流是其排泄的主要方式。

（3）地下水位

線路區(qū)地下水位隨地形變化較大，山前平原及山間洼地，地下水的穩(wěn)定水位埋深多在0.7～6.3 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，地下水動(dòng)態(tài)變化具有季節(jié)性，年變化幅度為1～3 m。

1.3 氣象

該項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)性大陸性氣候，水熱資源豐富，氣候溫暖濕潤(rùn)，熱量充足，雨量充沛，四季分明。春季干旱、多風(fēng)，夏季高溫、多雨，秋季溫和、少雨，冬季干燥、寒冷。歷年平均氣溫為13.3～14.1℃。最熱月份為7月，平均氣溫為26.8℃，極端最高氣溫43.2℃；最冷月為1月，平均氣溫為-1.9℃，極端最低氣溫為-15.6℃。年平均溫差28.7℃，無(wú)霜期年平均199～215 d。歷年平均降雨量為597～820 mm，歷年最大降雨量為1 051 mm，歷年最小降雨量為292 mm。因受季風(fēng)影響，季節(jié)之間的降水量極不均勻。春季3月—5月，降水量只有80.9 mm，占年降水量的12.6%；6月—9月，降水量為422.4 mm，占年降水量的65.5%；秋季10月—11月，降水量為120 mm，占年降水量的18.7%；冬季12月—次年2月，降水量為20.8 mm，占年降水量的3.2%。

2 基于Bishop法的高速公路光伏邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)估

2.1 邊坡與光伏板參數(shù)選取

（1）邊坡參數(shù)

考慮邊坡高度區(qū)間變化較大，為保證邊坡穩(wěn)定性分析的工況選擇具有代表性，分別選取了5～8 m、10～15 m及20 m以上三種邊坡高度的填方和挖方邊坡路段進(jìn)行穩(wěn)定性分析研究，對(duì)應(yīng)的填方和挖方樁號(hào)分別為K2+000.000（填方）、K14+800.000（填方）、K31+180.000（填方）、K31+005.000（挖方）、K31+700.000（挖方）和K40+094.000（挖方）。根據(jù)地勘資料，六個(gè)點(diǎn)位的地質(zhì)情況如下：

1）K31+005.000、K31+180.000和K31+700.000地質(zhì)首層為砂性素填土，層厚度為0.9 m；第二層為黏性素填

土，層厚度為4.9 m；第三層為粉質(zhì)黏土，層厚度為1.4 m；三層以下為中風(fēng)化灰?guī)r。

2）K2+000.000首層為黏性素填土，層厚度為1.5 m；第二層為黏性素填土，層厚度為4.9 m；第三層為黏土，層厚度為1.4 m；三層以下為中風(fēng)化灰?guī)r。

3）K14+800.000首層為砂性素填土，層厚度為2.1 m；第二層為黏性素填土，層厚度為3.9 m；第三層為碎石素黏土，層厚度為1.8 m；第四層為黏土，層厚度為1.5 m；四層以下為中風(fēng)化灰?guī)r。

4）K40+094.000首層為素填土，層厚度為1.2 m，首層以下為中風(fēng)化灰?guī)r。各土層的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示：

（2）光伏板參數(shù)

該工程采用182 mm電池片，高效單晶硅545 Wp功率組件[7]。光伏板組件參數(shù)如表2所示：

2.2 不同工況下邊坡穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)估

采用基于Bishop穩(wěn)定性算法的理正邊坡穩(wěn)定性分

析[8]軟件分別對(duì)加裝光伏板前后的填方和挖方路段進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析，利用自動(dòng)搜索圓心計(jì)算邊坡安全系數(shù)，以對(duì)加裝光伏板后的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。經(jīng)計(jì)算分析，得到不同工況下最不利滑動(dòng)面安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示：

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

綜上所述，在所選取的六種挖方與填方邊坡計(jì)算中，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在加裝光伏板前后沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明光伏板的設(shè)置對(duì)路基邊坡的穩(wěn)定性影響較小，在路基邊坡加裝光伏板具有可行性。

3 光伏邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

（1）邊界條件設(shè)置

該模型除頂面設(shè)為自由面外，其余五面均施加法向約束，以約束其法向位移[9]。實(shí)際工程中的現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境及材料變形機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，為有效進(jìn)行數(shù)值模擬，此次數(shù)值模擬時(shí)做如下假設(shè)：

1）施工場(chǎng)地表面及各土層均呈水平分布，由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)地勘報(bào)告，土體模型材料參數(shù)取值根據(jù)其他工程的土體參數(shù)參考取值。

2）鋼管材質(zhì)為各向同性的彈性材料。

3）所有土層均假設(shè)為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，材料的本構(gòu)模型采用修正Mohr Coulomb模型。

4）地層和材料的應(yīng)力—應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

（2）模型尺寸及網(wǎng)格劃分

應(yīng)用MidasGTS軟件建立三維數(shù)值分析模型，路基土體取三倍以上的光伏板支架立柱間距作為模型寬度，模型底部原狀土體深度取為20 m，滿足忽略邊界效應(yīng)的要求。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高分別為80 m×48 m×30 m。

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分的精密程度及均勻性會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格剖分采用線性梯度（長(zhǎng)度）的方法，即通過(guò)輸入起始單元線和結(jié)束單元線的長(zhǎng)度，按線性插值自動(dòng)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)位置，以達(dá)到項(xiàng)目本體周圍網(wǎng)格相對(duì)密集、邊界處網(wǎng)格相對(duì)稀疏的劃分效果。數(shù)值模擬計(jì)算模型整體和光伏組件支架網(wǎng)格的劃分模型分別如圖1和圖2所示。

3.2 本構(gòu)模型的選取

在巖土工程數(shù)值模擬分析過(guò)程中，本構(gòu)模型的選取對(duì)于模擬過(guò)程及巖土體應(yīng)力應(yīng)變的準(zhǔn)確反映非常重要，目前常用的本構(gòu)模型主要有彈性本構(gòu)模型、特雷斯卡Tresca準(zhǔn)則、范梅塞斯Von Mises模型、廣義霍克布朗模型、修正劍橋黏土Modified Cam Clay模型、Jardine模型和修正莫爾-庫(kù)倫Modified Mohr- Coulomb等[10]。修正摩爾-庫(kù)倫模型是由摩爾-庫(kù)倫模型本構(gòu)上發(fā)展而來(lái)的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料；該模型的剪切屈服面與摩爾-庫(kù)倫模型相同，壓縮面為橢圓形的帽子本構(gòu)，在剪切方向和壓縮方向均采用了雙硬化模型，可用于模擬具有冪率關(guān)系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型。

考慮路基土體的壓縮和變形特性，在分析過(guò)程中應(yīng)選擇修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

3.3 邊坡水平位移變化

通過(guò)對(duì)模型位移分析得到，有無(wú)光伏板工況下的邊坡最大水平位移分別為2.072 8 mm和1.964 mm，位移變化較小，說(shuō)明安裝光伏板對(duì)邊坡變形影響不大。

3.4 邊坡受力變化

通過(guò)計(jì)算分析得到，有無(wú)光伏板工況下的最大剪應(yīng)變分別為0.992 6和0.921 67，在光伏板及支架荷載作用下，邊坡最大剪應(yīng)變的變化幅度不大，對(duì)邊坡變形影響較小，且光伏板自身結(jié)構(gòu)荷載相對(duì)較小，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。

3.5 光伏板支架立柱對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響分析

模型計(jì)算得到有光伏板一側(cè)邊坡的最大剪應(yīng)變值小于無(wú)光伏板一側(cè)邊坡，說(shuō)明光伏板立柱在原地面以下穩(wěn)定土層中的嵌固作用對(duì)邊坡形成了加固。模型計(jì)算結(jié)果表明，在有光伏板一側(cè)邊坡坡腳最大水平位移小于無(wú)光伏板一側(cè)，同時(shí)光伏板側(cè)土體水平位移值相對(duì)較小，說(shuō)明光伏板立柱對(duì)路基邊坡土體的加固效果明顯。

4 加裝光伏板后邊坡地表水徑流特征分析

4.1 水流沖刷對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響分析

水流沖刷是影響平原地區(qū)公路路基邊坡穩(wěn)定性的重要因素，當(dāng)路基土體的滲透能力不能滿足雨水的滲入，則會(huì)在坡面處形成水流并匯集，并對(duì)路基邊坡產(chǎn)生侵蝕作用，同時(shí)加劇了雨水對(duì)邊坡的滲透作用，造成路基土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低，進(jìn)而影響邊坡土體自身強(qiáng)度。地表水匯流沖刷作用示意圖如圖3所示。

4.2 安裝光伏板后徑流特征及邊坡穩(wěn)定性影響分析

在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，降雨和光伏板清潔作業(yè)會(huì)造成水流在光伏板下沿匯集，如圖4所示。當(dāng)坡面無(wú)相關(guān)防護(hù)措施時(shí)，匯集水流易沖刷光伏板下沿的路基邊坡，帶走邊坡土體顆粒物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)邊坡形成侵蝕作用，對(duì)公路路基邊坡形成“削腳”效應(yīng)，造成路基邊坡的抗滑力降低，影響路基邊坡穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)基于Bishop穩(wěn)定性算法的理正軟件和基于強(qiáng)度折減法的Midas GTS軟件，分別對(duì)加裝光伏板前后等不同工況下的路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，多方驗(yàn)證結(jié)果表明加裝光伏板對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性影響較小，證明在邊坡上加裝光伏板于技術(shù)上具有可行性。

（2）通過(guò)對(duì)比加裝光伏板前后側(cè)邊坡的應(yīng)變位移變化，發(fā)現(xiàn)光伏板立柱對(duì)路基邊坡具有一定的加固作用。

（3）加裝光伏板后形成的匯集水流易沖刷光伏板下沿的邊坡土體，對(duì)邊坡坡腳形成“削腳”效應(yīng)，進(jìn)而影響邊坡整體穩(wěn)定性，需在坡腳處采取坡面硬化、綠植防護(hù)等護(hù)坡措施。

（4）該文仍存在需進(jìn)一步深化研究的部分，如模型簡(jiǎn)化假設(shè)、匯流水沖刷防治措施等方面，因此下一步將繼續(xù)優(yōu)化模型的可靠度，完善邊坡穩(wěn)定性的分析方法，提出邊坡防沖刷處治的具體措施，為指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

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