高速公路分布式光伏邊坡穩定性分析研究

摘要 利用高速公路路側邊坡開發太陽能等清潔能源是交通與能源融合的典型應用場景之一，而在高速公路路側邊坡加裝光伏存在加裝光伏板對邊坡穩定性影響尚不明確、光伏布設后的地表水徑流特征尚不清晰等問題。針對上述問題，文章以山東省某高速公路項目為依托，進行了加裝光伏板前后等不同工況下的光伏邊坡穩定性預測評估、光伏邊坡穩定性數值模擬分析、光伏板布設后地表水徑流特征分析等研究，分析了光伏板對路側邊坡穩定性的影響。結果表明，加裝光伏板對路基邊坡穩定性影響小，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沖刷坡腳，需要采取護坡措施。因此，在路側邊坡加裝光伏具有可行性。

關鍵詞 交通與能源融合；邊坡光伏；邊坡穩定性預測評估；數值模擬；地表水徑流特征

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0137-04

0 引言

黨的二十大提出，積極穩妥推進碳達峰碳中和，加快構建交通強國與新型能源體系[1]。“雙碳”戰略目標提出以來，國家先后出臺《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》等頂層政策，促進交通與能源融合發展，充分挖掘綜合交通清潔能源的開發潛力，以滿足交通側清潔能源替代，實現交通網與能源網的相互融合發展，對于交通行業與能源行業實現“雙碳”目標具有重要意義。

近年來，關于邊坡穩定性分析的研究和應用案例較為豐富。余文質[2]基于不確定性分析方法進行了邊坡的穩定性評價與預測，并驗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邊坡穩定性分析方法進行了總結分析，為工程設計選取合適的分析方法提供了參考；次仁拉姆[4]基于強度折減法的Midas GTS NX有限元分析軟件對西藏某公路邊坡進行了穩定性分析；田苗旺等[5]基于強度折減法對地震作用下的邊坡穩定性進行了影響分析；謝璇等[6]基于Flac3D軟件分析了在某碼頭邊坡的開挖穩定狀態，并用強度折減法對開挖后邊坡的穩定性進行了分析，以更好地指導設計和施工。綜上所述，目前邊坡穩定性的分析方法主要針對邊坡自身穩定性的分析，尚無加裝光伏板等永久附著物后的邊坡穩定性分析研究。

鑒于此，該文以某高速交能融合項目為依托，分析光伏板加裝前后對邊坡整體的穩定性影響，并利用數值模擬分析邊坡的穩定狀態，以驗證邊坡光伏的技術可行性，為邊坡光伏推廣發展提供技術支持。

1 工程概況

1.1 地形地貌

項目所經區域屬于黃河沖積平原地區，地勢較為平坦、開闊，起伏高差很小，總體上地勢西高東低，海拔一般在32～56 m。由于過去黃河決口、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，造成沉積物交錯分布，加上河流沖刷、自然侵蝕和人類活動的影響，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。項目設計帶所經區域僅為上述兩類地貌類型。區內微地貌形態主要有河灘高地、壟崗高地、決口扇形地、緩平坡地、碟形洼地、沙質河槽地、背河槽狀洼地等。

1.2 水文地質

（1）地下水的賦存條件與地下水類型

根據地下水的賦存特征，場區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區內部的平原及山前傾斜平原內，含水層較發育，巖性主要為中、細砂及粗砂、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，大部分地區的單井涌水量為1 000～3 000 m3/d。古河道砂層厚度大，顆粒粗，富水性強，單井涌水量可達3 000～5 000 m3/d。

（2）地下水的補給與排泄

地下水補給主要是大氣降雨，部分接受基巖裂隙水的側向補給及河流湖泊滲漏地表水補給。降雨滲入補給量隨季節變化明顯，雨季滲入補給量大，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、補給及排泄關系密切，地下水動態變化具有季節性，年變化幅度為1～3 m。

1.3 氣象

該項目所處區域為溫帶季風性大陸性氣候，水熱資源豐富，氣候溫暖濕潤，熱量充足，雨量充沛，四季分明。春季干旱、多風，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。因受季風影響，季節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定性預測評估

2.1 邊坡與光伏板參數選取

（1）邊坡參數

考慮邊坡高度區間變化較大，為保證邊坡穩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行穩定性分析研究，對應的填方和挖方樁號分別為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）。根據地勘資料，六個點位的地質情況如下：

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

土，層厚度為4.9 m；第三層為粉質黏土，層厚度為1.4 m；三層以下為中風化灰巖。

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；三層以下為中風化灰巖。

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；四層以下為中風化灰巖。

4）K40+094.000首層為素填土，層厚度為1.2 m，首層以下為中風化灰巖。各土層的設計參數如表1所示：

（2）光伏板參數

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

2.2 不同工況下邊坡穩定性預測評估

采用基于Bishop穩定性算法的理正邊坡穩定性分

析[8]軟件分別對加裝光伏板前后的填方和挖方路段進行邊坡穩定性計算分析，利用自動搜索圓心計算邊坡安全系數，以對加裝光伏板后的邊坡穩定性進行預測評估。經計算分析，得到不同工況下最不利滑動面安全系數的計算結果匯總如表3所示：

2.3 計算結果分析

綜上所述，在所選取的六種挖方與填方邊坡計算中，邊坡穩定安全系數在加裝光伏板前后沒有出現明顯變化，說明光伏板的設置對路基邊坡的穩定性影響較小，在路基邊坡加裝光伏板具有可行性。

3 光伏邊坡穩定性數值模擬分析

3.1 數值模型建立

（1）邊界條件設置

該模型除頂面設為自由面外，其余五面均施加法向約束，以約束其法向位移[9]。實際工程中的現場周邊環境及材料變形機理相當復雜，為有效進行數值模擬，此次數值模擬時做如下假設：

1）施工場地表面及各土層均呈水平分布，由于現場無地勘報告，土體模型材料參數取值根據其他工程的土體參數參考取值。

2）鋼管材質為各向同性的彈性材料。

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

4）地層和材料的應力—應變均在彈塑性范圍內變化。

（2）模型尺寸及網格劃分

應用MidasGTS軟件建立三維數值分析模型，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，滿足忽略邊界效應的要求。模型尺寸長×寬×高分別為80 m×48 m×30 m。

在有限元分析中，網格劃分的精密程度及均勻性會對計算結果產生較大影響。為保證計算精度，網格剖分采用線性梯度（長度）的方法，即通過輸入起始單元線和結束單元線的長度，按線性插值自動設置各節點位置，以達到項目本體周圍網格相對密集、邊界處網格相對稀疏的劃分效果。數值模擬計算模型整體和光伏組件支架網格的劃分模型分別如圖1和圖2所示。

3.2 本構模型的選取

在巖土工程數值模擬分析過程中，本構模型的選取對于模擬過程及巖土體應力應變的準確反映非常重要，目前常用的本構模型主要有彈性本構模型、特雷斯卡Tresca準則、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-庫倫Modified Mohr- Coulomb等[10]。修正摩爾-庫倫模型是由摩爾-庫倫模型本構上發展而來的本構模型，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-庫倫模型相同，壓縮面為橢圓形的帽子本構，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，在分析過程中應選擇修正摩爾-庫倫本構模型。

3.3 邊坡水平位移變化

通過對模型位移分析得到，有無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，說明安裝光伏板對邊坡變形影響不大。

3.4 邊坡受力變化

通過計算分析得到，有無光伏板工況下的最大剪應變分別為0.992 6和0.921 67，在光伏板及支架荷載作用下，邊坡最大剪應變的變化幅度不大，對邊坡變形影響較小，且光伏板自身結構荷載相對較小，對邊坡穩定性影響不大。

3.5 光伏板支架立柱對邊坡穩定性影響分析

模型計算得到有光伏板一側邊坡的最大剪應變值小于無光伏板一側邊坡，說明光伏板立柱在原地面以下穩定土層中的嵌固作用對邊坡形成了加固。模型計算結果表明，在有光伏板一側邊坡坡腳最大水平位移小于無光伏板一側，同時光伏板側土體水平位移值相對較小，說明光伏板立柱對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 水流沖刷對路基邊坡穩定性影響分析

水流沖刷是影響平原地區公路路基邊坡穩定性的重要因素，當路基土體的滲透能力不能滿足雨水的滲入，則會在坡面處形成水流并匯集，并對路基邊坡產生侵蝕作用，同時加劇了雨水對邊坡的滲透作用，造成路基土體的黏聚力和內摩擦角降低，進而影響邊坡土體自身強度。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定性影響分析

在后期運營過程中，降雨和光伏板清潔作業會造成水流在光伏板下沿匯集，如圖4所示。當坡面無相關防護措施時，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，進而對邊坡形成侵蝕作用，對公路路基邊坡形成“削腳”效應，造成路基邊坡的抗滑力降低，影響路基邊坡穩定性。

5 結語

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

（2）通過對比加裝光伏板前后側邊坡的應變位移變化，發現光伏板立柱對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，對邊坡坡腳形成“削腳”效應，進而影響邊坡整體穩定性，需在坡腳處采取坡面硬化、綠植防護等護坡措施。

（4）該文仍存在需進一步深化研究的部分，如模型簡化假設、匯流水沖刷防治措施等方面，因此下一步將繼續優化模型的可靠度，完善邊坡穩定性的分析方法，提出邊坡防沖刷處治的具體措施，為指導實際工程設計和施工提供參考。

參考文獻

[1]陳璟，劉晨，孫鵬.新發展階段交通強國建設理論探

討[J].綜合運輸， 2022（12）：23-27.

[2]余文質.基于不確定性分析方法的邊坡穩定性評價及預測[D].成都：成都理工大學， 2008.

[3]文俊，廖建忠.巖質邊坡穩定性分析方法綜述[J].西部探礦工程， 2012（6）：153-155.

[4]次仁拉姆.基于MIDAS GTS NX高原公路邊坡穩定性分析及防治措施研究[D].拉薩：西藏大學， 2023.

[5]田苗旺，王剛.基于強度折減法考慮三維地震作用的邊坡穩定分析[J].山西建筑， 2021（22）：55-57.

[6]謝璇，謝東門.基于Flac3D軟件的某碼頭設計邊坡穩定性分析[J].中國水運（下半月）， 2023（10）：80-82.

[7]韓聰，郭冠生.集中式光伏電站發電效率提升研究綜述[J].科技創新與應用， 2024（17）：161-164.

[8]胡軍偉，袁偉民，陳國棟.基于局部強度折減法的含軟弱結構層邊坡穩定性分析[J].路基工程， 2024（5）：147-152.

[9]王鵬飛.基于Midas GTS NX的邊坡穩定性分析及加固研究[J].世界有色金屬， 2020（10）：190-192.

[10]謝禮新.基于強度折減法的邊坡穩定性分析[J].交通科技與管理， 2024（7）：118-120.