水庫壩后坡光伏發電工程應用與分析

宋朝亮，劉 永，段光林，張坤強

1.德州市水利局，山東 德州 253000

2.泰安市建設工程質量監督服務站，山東 泰安 271000

3.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018

我國水庫大多建造自20 世紀50 年代，隨著水庫運行年限的不斷增加，水庫的病險危害日益嚴重[1，2]。在土石壩的安全鑒定工作及建設與運行管理評價工作中，最主要的分析內容是土石壩的滲流分析與抗滑穩定分析[3-7]。自上世紀50 年代以來，我國引入了光伏發電技術。我國太陽能資源十分豐富，利用太陽能進行光伏發電的發電過程較為方便。太陽能電站建設的周期也比較短[8，9]。本工程通過研究在某水庫土石壩壩坡布設太陽能發電裝置對大壩自身安全穩定的影響，對大壩進行滲流分析、抗滑穩定分析、抗震計算等方面的計算研究。為土石壩壩坡作為布設光伏發電系統的場所提供工程借鑒與指導。

1 材料與方法

1.1 工程概況

某水庫是山東省興建的一座圍壩型平原水庫，位于德州地區陵縣馬頰河南岸的天然洼地處。引水水源為黃河水，經泵站提水入庫。該水庫樞紐工程由圍壩、隔壩、入庫泵站、出庫泵站以及泄水洞等組成。工程等別為III 等，主要建筑物（大壩、引水泵站）為3 級，其它建筑物為5 級，庫區面積4.77 km2，圍壩軸線長度8.93 km，總庫容3120 萬m3。大壩以碾壓式均質壩型為主，圍壩最大壩高9.0 m。壩頂高程25.0 m，防浪墻高1.20 m，壩頂寬度7.0 m。

1.2 計算方案與方法

使用理正二維滲流計算軟件進行壩體滲流、抗滑穩定性計算與分析。

1.2.1 斷面計算 選取最大壩高斷面，壩高9 m，斷面尺寸如圖：上游計算長度選取5 倍壩高，長50 m，下游計算長度約2 倍壩高，長度20 m，計算深度根據地質勘探深度至不透水層，約3 倍壩高，深28 m。壩體斷面自上而下由壩體到壩基共分為10 層，根據地質勘探資料，物理力學特性及滲透系數，斷面材料共有10 種，壩體上游底部為黏土鋪蓋，為第11 種材料。計算模型如圖1 所示。

圖1 壩體計算模型圖Fig.1 Dam calculation model diagram

1.2.3 工況計算 計算工況包括三種：正常蓄水位23 m，1/3 蓄水位19.67 m，水位從23 m 降至17.8 m。

2 結果與分析

2.1 滲流計算

根據大壩設計資料，以正常蓄水位工況為例，計算壩體正常蓄水位為23.0 m，壩前水深為6.2 m，壩后坡無水，計算單元劃分長度1.0 m，收斂判斷誤差(兩次計算的相對變化)取0.100%，經過30 次迭代計算，正常蓄水位工況下最大滲流量為0.281 m3/d.m，最大滲透坡降0.18，浸潤線及流網圖如圖2 所示。滲流計算結果見表1。

圖2 正常蓄水位浸潤線及流網圖Fig.2 Infiltration line and drift-net of normal water level

表1 大壩滲透流量計算結果表 單位：m3/d.mTable 1 Calculation results of dam seepage flow m3/d.m

計算年最大滲流總量W為：W=365×8923×0.281=91.52 萬m3/年，占水庫總庫總庫容的2.94%，可見大壩滲漏量很小。壩基最大滲透坡降0.18＜0.2，壩基滿足滲透穩定要求。

2.2 穩定計算

計算采用滲流計算結果，根據浸潤線位置，壩體孔隙水壓力場作為計算初始狀態，計算工況分別為：正常蓄水位23 m，1/3 蓄水位19.67 m，水位從23 m 驟降至17.8 m。

2.2.1 不考慮地震作用抗滑穩定計算 以正常蓄水位工況為例，采用正常蓄水位滲流計算結果，根據碾壓式土石壩設計規范(SL274-2001)，不考慮地震作用，采用有效應力法，孔隙水壓力采用滲流方法計算，考慮邊坡外側靜水壓力，利用圓弧滑動法計算穩定滲流期壩體上游坡及下游坡抗滑穩定安全系數。經過迭代計算，確定滑動圓心(12.027，15.400)m，滑動半徑19.550 m，滑動安全系數2.242。正常蓄水位穩定滲流期上游壩坡圓弧滑動面如圖3。

圖3 正常蓄水位上游壩坡圓弧滑動面Fig.3 The arc sliding surface of upstream dam slope on with normal water level

多種工況時的上、下游壩坡穩定用瑞典條分法進行計算，計算得到的各工況下最小抗滑穩定安全系數見表2。

表2 不考慮地震作用壩坡最小抗滑穩定安全系數Table 2 Minimum anti-sliding stability safety factor of dam slope without considering earthquake action

由規范可知：III 級建筑物正常運用條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數為1.20；非常運行條件下，壩坡抗滑穩定最小安全系數1.10。由表可知：計算出的壩坡最小抗滑穩定安全系數均大于規范值，說明壩坡處于穩定狀態。

2.2.2 考慮地震作用的壩體抗滑穩定計算 根據《中國地震動參數區劃圖（1:400 萬）》（GB18306-2015），該水庫樞紐工程區域經山東省地震局鑒定，地震基本烈度為VII 度，根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB35047-2015)，地震峰值加速度取0.10 g，水平地震系數：0.100，地震作用綜合系數：0.250。計算壩體的抗震穩定，采用不同工況滲流計算的浸潤線來確定壩體材料的容重進行計算。分別對正常蓄水位、1/3 蓄水位及驟降水位三種工況進行抗震穩定計算，考慮地震作用下的壩坡最小抗滑穩定安全系數統計如表3 計算出的壩坡最小抗滑穩定安全系數均大于規范值，說明壩坡處于穩定狀態。

表3 地震作用下壩坡最小抗滑穩定安全系數Table 3 Minimum anti-sliding stability safety factor of dam slope under earthquake

2.3 光伏發電系統應用穩定計算

2.3.1 壩坡光伏系統設計方案 在壩坡南坡向陽方向自壩頂至壩腳布置四排太陽能方陣，其坡面示意圖如圖3 所示，太陽能方陣采用條形基礎，用Φ18 鋼筋和基礎錨固連接，壩面基礎上部結果荷載按照150 kg/m3計算。

圖4 太陽能系統剖面布置示意圖Fig.4 Solar system sectional arrangement

2.3.2 增設壩坡光伏系統抗震穩定計算 計算正常蓄水位情況下壩后坡的抗震穩定，采用正常水位滲流計算的浸潤線來確定壩體材料的容重，將德州市風荷載按最大值考慮，方向為最不利荷載方向，取0.6 Kpa，混凝土自重及上部太陽板重量換算為壓應力作用于壩坡上，取值為20.8 Kpa，錨固鋼筋按錨桿進行考慮，錨固段長度1.5 m。

采用瑞典條分法計算公式，逐一計算各土條中不同土質的抗滑力和滑動力，抗滑力總和與滑動力總和的比值即為穩定安全系數。程序通過變換圓心坐標位置和滑弧深度（或圓弧半徑）自動尋找出最危險（安全系數最小）的滑弧。

經計算，滑動圓心為(11.8，51.4)，滑動半徑29.252 m，滑動安全系數1.195，較未安置太陽能光伏系統時壩體完全系數1.208 影響較小。

3 討論

通過研究在水庫土石壩壩坡布設太陽能發電裝置對大壩自身安全穩定的影響，采用工程上常用的計算軟件，對大壩進行滲流分析、抗滑穩定分析、抗震計算等方面的計算研究，計算出滲流量和滲透坡降均滿足要求，壩坡最小抗滑穩定安全系數均大于規范值1.10，說明增設太陽能板光伏系統后后壩坡仍處于穩定狀態，利用壩坡建設光伏發電系統時可行的。

在保證壩體安全穩定的前提下，充分利用閑置壩坡場地，及壩坡坡度較緩、太陽能資源豐富、便于維護管理等優點，將土石壩壩坡作為布設光伏發電系統的場所，更有利于充分利用壩坡場地和發展可再生資源，將閑置水庫大壩與布設光伏發電系統更好的結合起來，符合工程實際狀況，其有著良好的前景，對類似工程提供一定得借鑒和指導作用。

4 結論

（1）現狀三種不同工況下最大滲流量為91.52 萬m3/年，占水庫總庫總庫容的2.94%；壩基最大滲透坡降0.18；正常運用狀況下壩體最小抗滑穩定安全系數為1.324，考慮地震作用下壩體最小抗滑穩定安全系數為1.208，現狀大壩滿足滲透穩定、抗滑穩定要求，可以考慮建設壩坡光伏發電系統；

（2）增設壩坡太陽能光伏系統設計方案最小抗滑穩定安全系數為1.195，對壩體安全穩定影響較小；

（3）光伏發電系統在閑置土石壩壩坡應用具有良好的前景，對類似工程具有借鑒和指導意義。