重力式風力機荷載下殘積土邊坡地基治理方式研究

郭霞輝

(益陽市建筑設計有限公司，湖南 益陽 413000)

隨著國家節能減排政策的推進，風能等新能源將成為能源發展的剛性需求.在風能資源的開發過程中，陸上風能資源的開發得到了進一步的推進.山區風能作為陸上風能資源的主要組成部分，得到了科研人員的廣泛關注.由于風能的分布規律，山區風力電機一般坐落于平整后的山頂，其基礎形式為施工簡易并且造價較低的鋼筋混凝土圓形擴展基礎[1-2].風力電機作為一種受力復雜的高聳結構[3]，雖其底板圓的直徑較大，但實際建設過程中基礎邊緣的臨坡距離有限，而風機運營過程中的基礎震動將擾動地基土體，使地基邊坡失穩的風險上升；另外，作用在風力發電機上的風荷載是隨機的，它對結構物的作用是一種動力荷載，也會引起阻礙它運動的物體產生加速度或者說是振動，這種振動將通過風力機塔筒傳至基礎和地基，加劇對所在邊坡的擾動，對其穩定性產生不利影響[4].

在動荷載作用下，邊坡土體將產生動力響應現象，而簡單采用定性分析方法不能很好地研究邊坡應力狀態和土體位移的變化趨勢.根據這一特性，國內外學者通過離心系統、模型試驗以及數值模擬的方法對于邊坡在動荷載作用下的穩定性進行了研究，但大多集中在研究地震波和爆破荷載對邊坡土體的影響[5-7].

本文以建立在殘積土邊坡頂部的風力發電機重力基礎為研究對象，利用FLAC3D 程序建立了原始邊坡與2 種不同治理方式處置后的風機發電機圓形擴展基礎-邊坡的有限元模型，重點研究了邊坡在風荷載作用下不同工況中的穩定性變化趨勢，并對不同工況下殘積土邊坡的應力和位移進行了分析，得出了重力式風力發電機基礎座落的殘積土邊坡的合理治理方案，還提出了進一步的改良措施.

1 工程概況

黃家侖風電場位于益陽市赫山區境內，場地類型為低山丘陵.根據施工勘察資料，發現該場地地層依次為第四系殘坡積層(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂巖及灰巖層，其中第四系殘積層(Q4el+dl)主要由礫質黏性土組成，土體結構松散，層厚0～10 m，在谷底、山前坡麓地帶、斜坡坡面及平臺廣泛分布；下伏基巖為石炭系(C1d)石英砂巖，主要分布于巖土接觸面以下，沿深度向下呈強～中風化，近地表呈強風化狀態，風化厚度約1～3 m，裂隙發育，巖石破碎.

該場地位于湘北地區，屬于大陸型亞熱帶季風濕潤氣候，水汽豐沛，四季分明，降水具有明顯的季節性，即春多陰雨、夏多暴雨、秋冬降水相對較少.地下水主要為上層滯水、松散巖類孔隙水和基巖風化裂隙水3 種，水量較為貧乏，場地范圍內的上層滯水和孔隙水受季節影響較大.

2 數值模擬

2.1 本構模型和參數的確定

為簡化數值模型，突出研究重點，根據高乾豐[8]的研究，將風力發電機上部結構連同風荷載簡化為1 個豎向力Fz、1 個水平合力Fr和1 個水平合力矩Mr作用在風力機基礎上，見圖1.

圖1 上部結構荷載簡化

本文主要針對殘積土邊坡不同治理措施的對比研究，以殘積土邊坡的應力分布變化規律與位移變形規律為重點，對混凝土擴展基礎進行簡化(僅需要考慮基礎與土體的接觸關系)，所以可以將基礎視作素混凝土結構.選用摩爾庫侖塑性模型，所有參數按照實際澆筑的混凝土來選定，并根據工程經驗，風力發電機圓形拓展基礎一般采用C40 混凝土澆筑，其具體參數取值如表1 所示.

表1 混凝土基礎參數

結合工程概況，可知區域內地下水不發育，且大氣降水在邊坡表面影響的范圍有限.本文的主要研究內容為殘積土邊坡的合理支護方式，計算中將邊坡作為整體進行模擬，故不考慮水文因素對該殘積土邊坡整體穩定性的影響.為探究采用不同治理措施后殘積土邊坡的瞬時破壞特性，邊坡土體的內摩擦角和粘聚力通過UU試驗(不固結不排水剪切試驗，簡稱UU 試驗)確定.殘積土的莫爾圓見圖2.通過計算，土體內摩擦角為13.120°，粘聚力為28.900 kPa.

圖2 殘積土UU 試驗莫爾應力圓

查閱地勘資料得到殘積土壓縮模量Es為5.99 MPa，泊松比υ為0.35，容重γ為19.750 kN/m3，土體的塑性指數IP和液性指數IL分別為12.44 和0.23.根據童立元等[9]的研究，通過壓縮模量ES和泊松比υ計算得出楊氏模量E，其關系式為

由式(1)計算可得楊氏模量E為3.68 MPa.根據已有的研究成果[10]，動彈性模量可以取楊氏模量的7 倍，即25.76 MPa.結合土體與混凝土材料的基本參數，通過模型試算，得知土體的應變區間為0.01%～0.05%.

邊坡模型在計算中受到的荷載包括靜荷載和動荷載，而摩爾-庫侖模型從算法的角度考慮靜力方程和動力方程的求解過程均是動力方程求解，可以很好地解出FLAC3D 計算中的動力方程，所以邊坡的本構模型采用摩爾-庫侖模型.

2.2 數值模型的建立

根據當地氣象站的監測數據，此區域的主風速為9～12 m/s，風力電機選取單機容量為2 000 kW 的湘電風能XE93-2000 型風力發電機.結合風力電機的建議運行風速，本文模擬對象的運行風速選取范圍為3～25 m/s，機型采用的重力式圓形擴展基礎的幾何尺寸和在邊坡頂的埋深尺寸如圖3 所示.

圖3 風力發電機基礎的幾何尺寸和埋深/mm

鄧宗偉等[11]研究發現，風力發電機基礎基底壓力對土體應力的主要影響范圍為1.5 倍半徑.本文將實際邊坡簡化后，建立高度為15 m，長度為30 m，寬度為40 m，邊坡坡比為1∶1 的理想邊坡模型，設定風力發電機基礎圓心距邊坡頂部邊緣距離為15 m，建立后的數值模型如圖4 所示.

圖4 初始狀態的基礎-邊坡模型

由于風荷載在經過風力發電機傳遞后，對土體的影響范圍有限，所以在實際工程中一般采用擴大風力發電機基礎所在邊坡頂部的臨坡距離來提高邊坡的穩定性.本文保留初始模型的其他條件，建立邊坡頂部邊緣同基礎圓心2 倍基礎半徑的模型，如圖5 所示.

圖5 擴大邊坡頂面后的的基礎-邊坡模型

邊坡支護的方式有很多種，常見的擋土墻和支護樁支護造價高，并且會產生大量運輸成本.根據實驗數據可知，本文殘積土的承載能力較小，需要對地基進行加固，而擋土墻對地基承載能力要求較高.考慮到土工格柵具有造價低、強度高與質量輕等特點，在處理運輸困難的工程時具有很強的優勢，并且雙向土工格柵與土體能夠很好地進行咬合并鎖死顆粒的移動，與本文研究對象的需求契合，故本文的第3 個模型便是針對土工格柵支護后的基礎-邊坡進行模擬的.

土工格柵的模擬采用FLAC3D中的自帶單元(Geogrid 結構單元)模擬，所模擬土工格柵具有各向同性，其厚度為1.8×10-3m，假定其入土深度均為6 m，每層土工欄柵加筋間隔0.5 m.本研究設定土工格柵軸向剛度為150 kN/m，彈性模量為21 GPa，泊松比為0.33，粘聚力為2.3 MPa，內摩擦角為30°.在進行建模時保留初始模型參數，并加入Geogrid 單元.建立的模型如圖6 所示.

圖6 土工格柵支護后的基礎-邊坡模型

3 模擬結果

3.1 邊坡受力分析

輸入簡化后的荷載后，邊坡在風力發電機荷載作用下的應力分布云圖見圖7.由圖7 可知，在初始工況下整個邊坡土體均表現為數值為負的壓應力分布和明顯的分層現象，且應力從邊坡頂部至邊坡底部呈明顯的增長趨勢，在坡腳處還有應力集中的現象.

圖7 在初始工況下的邊坡主應力云圖/kPa

擴大邊坡頂部臨坡距離后，邊坡受風力發電機基礎影響的主應力分布規律基本與初始工況一致，但在數值上有所衰減，且在坡腳處的應力集中現象有所減弱，具體情況如圖8 所示.

圖8 擴大邊坡頂部后的邊坡主應力云圖/kPa

土工格柵支護后，邊坡的主應力分布發生明顯變化.邊坡深層土體與坡腳一定范圍土體的應力分布表現為壓應力分布，但在坡肩的部分區域出現拉應力.這表明土工格柵不改變坡腳土體與邊坡深層土體的應力分布規律，但對坡肩范圍的土體有較大影響，即使其由壓應力變化為拉應力，且在數值上比原始工況大1 倍，具體情況如圖9所示.

圖9 土工格柵支護后的邊坡主應力云圖/kPa

3.2 邊坡位移分析

位移云圖能夠直觀地表現邊坡的變形發展趨勢，體現治理措施的治理效果.初始工況的邊坡位移情況如圖10 所示.由圖10 可知，邊坡的最大位移位于基礎中心到邊坡頂邊緣的中軸線上，最大值為1.41 cm，且隨著高程的下降而減小.

圖10 初始工況的邊坡位移云圖/m

由圖11 可知，增大風力發電機基礎臨坡距離后，邊坡的位移分布規律與初始工況基本一致，僅坡肩的最大位移有20%的降幅.這表明增大臨坡距離能降低坡肩變形大小，但影響效果有限.風力發電機基礎基底壓力雖然對基礎1.5 倍半徑范圍內的應力影響較大，但1.5 倍半徑范圍外的邊坡應力仍受風力電機運營的影響.由此可知，擴大邊坡臨坡距離的處理措施對提高邊坡穩定性的作用效果有限.

圖11 擴大邊坡頂部后的邊坡位移云圖/m

由圖12 可知，土工格柵支護后邊坡的位移變形規律有明顯變化，總體位移明顯減小，雖然邊坡大位移方向仍以邊坡中軸線發展，但是在邊坡頂面靠近邊坡邊緣的位置，位移變化范圍減小，且在邊坡坡肩位置發生了位移突變，在數值上超過了未支護時的位移.可見，土工格柵在邊坡坡肩位置抵抗土體的變形能力較為薄弱.由于土工格柵的插入破壞了原有土體自身的粘聚力，對于此區域的土體支護為無效支護，導致土體位移進一步加大.對比土工格柵支護前后的土體位移變化云圖，易知土工格柵能有效減小邊坡坡底范圍的位移變形，對坡肩土體應采用其他手段進行加固處理.

圖12 土工格柵支護后的邊坡位移云圖/m

4 結論

為研究重力式風力發電機基礎所在殘積土邊坡的合理治理措施，以2 MW 裝機容量的圓形擴展基礎所在的殘積土邊坡為研究對象，基于FLAC3D 有限元程序對風荷載作用下的邊坡應力云圖和位移云圖進行了分析，主要結論如下：

1)擴大邊坡頂部面積的支護方式可增加邊坡穩定性，但影響有限.在施工過程中可能擾動邊坡土體，增大邊坡失穩的風險，所以在實際施工過程中不建議過多地增大邊坡頂部的臨坡距離.

2)土工格柵支護邊坡使整個邊坡土體的受力狀態發生改變，能較好地約束邊坡坡底的位移.但因其作用機理，即在靠近邊坡頂部，上覆土體較少的位置和土體的相互作用力較小，擾動后的土體位移反而增大，所以采用該支護方法加固重風力機邊坡時，應對邊坡頂部土體進行二次加固.