水电站坝面光伏组件荷载对坝坡安全性影响分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:姚福明高级工程师主要从事水电与新能源开发管理工作水电站坝面光伏组件荷载对坝坡安全性影响分析姚福明(国能大渡河新能源投资有限公司四川 成都)摘要:对水电站面板堆石坝下游坝坡增设光伏设备进行受力分析 首先采用满足力与力矩平衡的刚体极限平衡垂直条分法即边坡稳定分析的 法对土条受力情况展开分析建立安全系数控制方程然后以坝底和坝高分别作为横纵坐标轴选取尽可能少的未知变量将问题转化为在满足约束条件下确定未知变量的优化模型来确定滑裂面按照设计标准和安全指标对坝坡安全性进行分析表明其下游坝坡抗滑稳定性能够满足要求关键词:坝坡荷载混凝土面板堆石坝坝面光伏刚体极限平衡法 法中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:本文拟对水电站大坝增设光伏板进行综合受力分析探讨以大坝为主体建设坝面光伏电站在不影响坝址稳定前提下实现水光互补的可能性猴子岩水电站位于四川省甘孜州康定市境内是大渡河干流水电规划 级开发方案中第 个梯级电站 电站总装机容量 万(.万)建成后年发电量 亿 是国家及四川“十三五”规划建设的重大工程电站大坝为世界第二高混凝土面板堆石坝 枢纽主要建筑物由面板堆石坝、泄水建筑物泄洪消能建筑物、引水发电系统、水库放空建筑物和导流建筑物等组成猴子岩水电站光伏电站挡水建筑物为混凝土面板堆石坝 最大坝高为.坝顶高程 .坝顶宽度为.坝顶长度.大坝上游坝坡 .下游坝坡综合坡比 .下游坝面设置一条“之”字形上坝道路大坝自上游至下游依次为上游压重体、砾石土、石粉铺盖、趾板、面板、垫层区()、过渡区、堆石区、浆砌石护坡、干砌石护坡、下游压重区水 电 与 新 能 源 年第 期下游坝坡 .高程范围采用.厚干砌块石护坡 高程以上及.高程以下采用.厚浆砌石护坡 为增强坝体的整体抗震性在下游堆石区内高程 .以上(顶部/坝高范围内)每隔.设置一层土工格栅下游坝脚设置弃渣压重区和堆石压重区顶高程分别为 .和 .混凝土面板堆石坝典型断面如附录 所示下游坝面规划增设光伏组件如图 所示 根据水库大坝安全管理条例、水电站大坝运行安全监督管理规定、水电站大坝运行安全评价导则()和水电站大坝安全定期检查办法(电监安全 号)本文针对大坝下游坝面新增阵列光伏组件对大坝安全的影响进行评估图 坝面光伏组件布置区域图 法的基本原理边坡稳定分析的 法是一种同时满足力与力矩平衡的刚体极限平衡垂直条分法它假定各土条侧向作用方向相同即/可以对任意形状滑烈面进行安全系数计算 各土条受力情况如图 所示 计算安全系数 的控制方程为()()()()()()()()()/()式中:表示土条重量 表示坡面垂直荷载 和 表示土条所处滑面的粘聚力和内摩擦角 表示土条倾角 表示水平地震力其作用点与坝底距离为 表示土条侧向力作用方向和水平作用方向的夹角、表示滑裂面与坡面交点的 坐标值图 土条的受力分析图 建立优化模型.变量选取将滑裂纵切面用 个等间距点进行离散由于水坝全是石头和混凝土组成的刚体不存在软弱夹层控制点可以用直线连接也可采用曲线连接但想让直线连接模式得到与曲线模式相同的精度需要更多的离散点采用样条函数连接各点然后再在控制点间细分土条进行安全系数计算为降低问题复杂度减少未知变量个数文中沿 方向等距()/()取点 当第一个点的横坐标 和最后一个点的横坐标 确定后由边坡边界条件可确定其对应的纵坐标、通过等距离散至 也为已知 此工程问题就转化为通过求()来确定滑裂面 需要特别强调的是由于水坝全是石头和混凝土组成的刚体不存在软弱夹层所以直接采用直线连接构筑滑裂面.优化模型优化模型的目标是在满足边界约束条件的前提下使得安全系数 最小 即:()()文中选取的变量所形成的滑裂面必须处在坝坡集合形状所决定的范围内 假设 位于 的右侧则:()()()()()式中:()表示坝坡表面()表示地质条件决定的下边界仅有以上约束可能会生成不符合实际的几何面根据坝坡稳定分析的特点滑裂面上相邻点所连成的直线与 方向夹角要处在合理的范围内同时该夹角姚福明:水电站坝面光伏组件荷载对坝坡安全性影响分析 年 月从坝坡脚到坝顶的变化应该是一个单调不减的变化过程所以 的变化区间为 ()从式()可以看出变化不仅与相邻控制点 有关系而且还与相邻点连接直线与 方向的夹角 有关系综上可得优化模型:()()()()()光伏组件对大坝下游坝坡安全稳定的影响分析下 游 坝 坡 稳 定 控 制 工 况 为 上 游 死 水 位(.)遇设计地震()本次安全性影响仅分析控制工况下光伏组件对下游坝坡安全稳定的影响.安全标准猴子岩水电站工程为大()型工程大坝为 级建筑物根据碾压式土石坝设计规范(/)采用计及条块间作用力的计算方法时坝坡抗滑稳定安全系数按表 控制表 坝坡抗滑稳定安全系数运用条件 级建筑物允许最小安全系数正常运用条件.非正常运用条件.非正常运用条件.荷载猴子岩大坝抗震设防烈度为度 计算中地震荷载采用拟静力进行分析 根据水工建筑物抗震设计规范()的规定计算坝体地震加速度分布 本报告按坝体地震加速度分布来模拟计算坝体地震工况其中动态分布系数 取为.考虑水平向和垂直向地震耦合情况时垂直向地震加速度取水平向的/倍根据光伏发电站设计规范规定本工程光伏支架的设计使用年限确定为 年安全等级为三级结构重要性系数不小于.固定式支架设计使用的基本风压./基本雪压./组件 导轨 电缆及桥架等./.计算方法计算 采 用 陈 祖 煜 编 写 的 土 质 边 坡 稳 定 程 序 进行计算坝坡稳定计算按照碾压式土石坝设计规范(/)的要求采用刚体极限平衡法采用计及条块间作用力的适用于非圆弧滑裂面的满足力和力矩平衡的 计算.竣工安全鉴定计算.计算工况竣工安全鉴定阶段根据碾压式土石坝设计规范(/)并结合本工程特点按面板坝填筑、蓄水和发电运行时可能遇到的工况分别计算计算考虑了以下几种工况)正常运用条件 正常蓄水位稳定渗流期下游坝坡稳定:上游水位 .下游尾水位.设计洪水位稳定渗流期下游坝坡稳定:上游水位 .下游水位 .)非常运用条件 竣工期上游坝坡稳定校核洪水 位 稳 定 渗 流 期 下 游 坝 坡 稳 定:上 游 水 位.下游水位 .)非常运用条件 正常蓄水位稳定渗流期 设计地震(年超越概率 的基岩水平加速度为).计算成果计算成果表明各工况坝坡稳定安全系数均满足规范要求下游坝坡在校核地震工况下仍有一定安全裕度坝坡稳定安全性是可靠的 超越概率 的基岩水平加速度为)新增光伏组件后大坝抗滑稳定计算成果.计算工况为分析大坝下游坝坡新增光伏组件后对大坝抗滑稳定的影响对增加光伏组件后的面板堆石坝各个时期坝坡静力稳定和抗震稳定性与原大坝抗滑稳定性对比分析结合该坝的特点计算具体考虑了与原大坝抗滑稳定计算相同工况)正常运用条件 正常蓄水位稳定渗流期下游坝坡稳定:上游水位 .下游尾水位水 电 与 新 能 源 年第 期.设计洪水位稳定渗流期下游坝坡稳定:上游水位 .下游水位 .)非常运用条件 竣工期上游坝坡稳定校核洪水 位 稳 定 渗 流 期 下 游 坝 坡 稳 定:上 游 水 位.下游水位 .)非常运用条件 正常蓄水位稳定渗流期 设计地震(年超越概率 的基岩水平加速度为)正常蓄水位稳定渗流期 校核地震(年超越概率 的基岩水平加速度为).计算成果对比分析本次计算坝壳料参数用非线性参数进行了计算计算表明采用非线性强度指标计算的坝坡稳定安全系数均大于允许安全系数满足抗滑稳定要求 计算成果见图 安全系数对比见表 图 稳定成果图(计算工况:正常蓄水位 地震)表 面板堆石坝稳定计算安全系数对比表计算工况临界滑弧部位安全系数原大坝抗滑稳定计算安全系数增加光伏组件后大坝抗滑稳定安全系数允许最小安全系数正常蓄水位下游坡上部.中部.下部.深层.设计洪水位 下游坡深层.校核洪水位 下游坡深层.正常蓄水位 设计地震(.)下游坡上部.中部.下部.深层.正常蓄水位 校核地震(.)下游坡上部.中部.下部.深层.竣工上游坡上部.目前规划在下游坝坡增设光伏组件光伏组件荷载较小控制工况下大坝下游坝坡深层滑动稳定安全系数为.中层滑动稳定安全系数为.浅层滑动稳定安全系数为.均满足规范要求 由上述分析可知光伏组件的增加对大坝上游稳定基本无影响对大坝下游稳定影响较小因此在下游坝坡坡面增设光伏组件对大坝坝坡稳定影响较小 结 语)猴子岩水电站下游坝坡在坡面新增钢架及光伏组件附加荷载作用下下游坝坡抗滑稳定能够满足安全性要求)建设期间采取有效措施保证坝面新增钢结构部分与坝面的连接锚固满足现行国家相关规范要求同时应确保坝面新增钢结构部分与光伏组件自身均满足国家相关规范要求的安全性)不影响水电站大坝稳定性前提下在水电站大坝上建设光伏电站实现水光互补是可行的参考文献:周嵬.遗传算法在确定边坡非圆弧滑裂面中的应用.中国水运:下半月 ():陈祖煜.土质边坡稳定分析 原理、方法、程序.北京:中国水利水电出版社 赵惠玲 何明 韩建华 等.坝顶公路荷载对坝坡稳定的影响分析.大坝与安全 ():张奇.坝体加固前后渗流及坝坡稳定性对比分析.陕西水利():