水库坝后坡光伏发电工程应用与分析

宋朝亮，刘 永，段光林，张坤强

1.德州市水利局，山东 德州 253000

2.泰安市建设工程质量监督服务站，山东 泰安 271000

3.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018

我国水库大多建造自20 世纪50 年代，随着水库运行年限的不断增加，水库的病险危害日益严重[1，2]。在土石坝的安全鉴定工作及建设与运行管理评价工作中，最主要的分析内容是土石坝的渗流分析与抗滑稳定分析[3-7]。自上世纪50 年代以来，我国引入了光伏发电技术。我国太阳能资源十分丰富，利用太阳能进行光伏发电的发电过程较为方便。太阳能电站建设的周期也比较短[8，9]。本工程通过研究在某水库土石坝坝坡布设太阳能发电装置对大坝自身安全稳定的影响，对大坝进行渗流分析、抗滑稳定分析、抗震计算等方面的计算研究。为土石坝坝坡作为布设光伏发电系统的场所提供工程借鉴与指导。

1 材料与方法

1.1 工程概况

某水库是山东省兴建的一座围坝型平原水库，位于德州地区陵县马颊河南岸的天然洼地处。引水水源为黄河水，经泵站提水入库。该水库枢纽工程由围坝、隔坝、入库泵站、出库泵站以及泄水洞等组成。工程等别为III 等，主要建筑物（大坝、引水泵站）为3 级，其它建筑物为5 级，库区面积4.77 km2，围坝轴线长度8.93 km，总库容3120 万m3。大坝以碾压式均质坝型为主，围坝最大坝高9.0 m。坝顶高程25.0 m，防浪墙高1.20 m，坝顶宽度7.0 m。

1.2 计算方案与方法

使用理正二维渗流计算软件进行坝体渗流、抗滑稳定性计算与分析。

1.2.1 断面计算 选取最大坝高断面，坝高9 m，断面尺寸如图：上游计算长度选取5 倍坝高，长50 m，下游计算长度约2 倍坝高，长度20 m，计算深度根据地质勘探深度至不透水层，约3 倍坝高，深28 m。坝体断面自上而下由坝体到坝基共分为10 层，根据地质勘探资料，物理力学特性及渗透系数，断面材料共有10 种，坝体上游底部为黏土铺盖，为第11 种材料。计算模型如图1 所示。

图1 坝体计算模型图Fig.1 Dam calculation model diagram

1.2.3 工况计算 计算工况包括三种：正常蓄水位23 m，1/3 蓄水位19.67 m，水位从23 m 降至17.8 m。

2 结果与分析

2.1 渗流计算

根据大坝设计资料，以正常蓄水位工况为例，计算坝体正常蓄水位为23.0 m，坝前水深为6.2 m，坝后坡无水，计算单元划分长度1.0 m，收敛判断误差(两次计算的相对变化)取0.100%，经过30 次迭代计算，正常蓄水位工况下最大渗流量为0.281 m3/d.m，最大渗透坡降0.18，浸润线及流网图如图2 所示。渗流计算结果见表1。

图2 正常蓄水位浸润线及流网图Fig.2 Infiltration line and drift-net of normal water level

表1 大坝渗透流量计算结果表 单位：m3/d.mTable 1 Calculation results of dam seepage flow m3/d.m

计算年最大渗流总量W为：W=365×8923×0.281=91.52 万m3/年，占水库总库总库容的2.94%，可见大坝渗漏量很小。坝基最大渗透坡降0.18＜0.2，坝基满足渗透稳定要求。

2.2 稳定计算

计算采用渗流计算结果，根据浸润线位置，坝体孔隙水压力场作为计算初始状态，计算工况分别为：正常蓄水位23 m，1/3 蓄水位19.67 m，水位从23 m 骤降至17.8 m。

2.2.1 不考虑地震作用抗滑稳定计算 以正常蓄水位工况为例，采用正常蓄水位渗流计算结果，根据碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)，不考虑地震作用，采用有效应力法，孔隙水压力采用渗流方法计算，考虑边坡外侧静水压力，利用圆弧滑动法计算稳定渗流期坝体上游坡及下游坡抗滑稳定安全系数。经过迭代计算，确定滑动圆心(12.027，15.400)m，滑动半径19.550 m，滑动安全系数2.242。正常蓄水位稳定渗流期上游坝坡圆弧滑动面如图3。

图3 正常蓄水位上游坝坡圆弧滑动面Fig.3 The arc sliding surface of upstream dam slope on with normal water level

多种工况时的上、下游坝坡稳定用瑞典条分法进行计算，计算得到的各工况下最小抗滑稳定安全系数见表2。

表2 不考虑地震作用坝坡最小抗滑稳定安全系数Table 2 Minimum anti-sliding stability safety factor of dam slope without considering earthquake action

由规范可知：III 级建筑物正常运用条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.20；非常运行条件下，坝坡抗滑稳定最小安全系数1.10。由表可知：计算出的坝坡最小抗滑稳定安全系数均大于规范值，说明坝坡处于稳定状态。

2.2.2 考虑地震作用的坝体抗滑稳定计算 根据《中国地震动参数区划图（1:400 万）》（GB18306-2015），该水库枢纽工程区域经山东省地震局鉴定，地震基本烈度为VII 度，根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047-2015)，地震峰值加速度取0.10 g，水平地震系数：0.100，地震作用综合系数：0.250。计算坝体的抗震稳定，采用不同工况渗流计算的浸润线来确定坝体材料的容重进行计算。分别对正常蓄水位、1/3 蓄水位及骤降水位三种工况进行抗震稳定计算，考虑地震作用下的坝坡最小抗滑稳定安全系数统计如表3 计算出的坝坡最小抗滑稳定安全系数均大于规范值，说明坝坡处于稳定状态。

表3 地震作用下坝坡最小抗滑稳定安全系数Table 3 Minimum anti-sliding stability safety factor of dam slope under earthquake

2.3 光伏发电系统应用稳定计算

2.3.1 坝坡光伏系统设计方案 在坝坡南坡向阳方向自坝顶至坝脚布置四排太阳能方阵，其坡面示意图如图3 所示，太阳能方阵采用条形基础，用Φ18 钢筋和基础锚固连接，坝面基础上部结果荷载按照150 kg/m3计算。

图4 太阳能系统剖面布置示意图Fig.4 Solar system sectional arrangement

2.3.2 增设坝坡光伏系统抗震稳定计算 计算正常蓄水位情况下坝后坡的抗震稳定，采用正常水位渗流计算的浸润线来确定坝体材料的容重，将德州市风荷载按最大值考虑，方向为最不利荷载方向，取0.6 Kpa，混凝土自重及上部太阳板重量换算为压应力作用于坝坡上，取值为20.8 Kpa，锚固钢筋按锚杆进行考虑，锚固段长度1.5 m。

采用瑞典条分法计算公式，逐一计算各土条中不同土质的抗滑力和滑动力，抗滑力总和与滑动力总和的比值即为稳定安全系数。程序通过变换圆心坐标位置和滑弧深度（或圆弧半径）自动寻找出最危险（安全系数最小）的滑弧。

经计算，滑动圆心为(11.8，51.4)，滑动半径29.252 m，滑动安全系数1.195，较未安置太阳能光伏系统时坝体完全系数1.208 影响较小。

3 讨论

通过研究在水库土石坝坝坡布设太阳能发电装置对大坝自身安全稳定的影响，采用工程上常用的计算软件，对大坝进行渗流分析、抗滑稳定分析、抗震计算等方面的计算研究，计算出渗流量和渗透坡降均满足要求，坝坡最小抗滑稳定安全系数均大于规范值1.10，说明增设太阳能板光伏系统后后坝坡仍处于稳定状态，利用坝坡建设光伏发电系统时可行的。

在保证坝体安全稳定的前提下，充分利用闲置坝坡场地，及坝坡坡度较缓、太阳能资源丰富、便于维护管理等优点，将土石坝坝坡作为布设光伏发电系统的场所，更有利于充分利用坝坡场地和发展可再生资源，将闲置水库大坝与布设光伏发电系统更好的结合起来，符合工程实际状况，其有着良好的前景，对类似工程提供一定得借鉴和指导作用。

4 结论

（1）现状三种不同工况下最大渗流量为91.52 万m3/年，占水库总库总库容的2.94%；坝基最大渗透坡降0.18；正常运用状况下坝体最小抗滑稳定安全系数为1.324，考虑地震作用下坝体最小抗滑稳定安全系数为1.208，现状大坝满足渗透稳定、抗滑稳定要求，可以考虑建设坝坡光伏发电系统；

（2）增设坝坡太阳能光伏系统设计方案最小抗滑稳定安全系数为1.195，对坝体安全稳定影响较小；

（3）光伏发电系统在闲置土石坝坝坡应用具有良好的前景，对类似工程具有借鉴和指导意义。