高速公路分布式光伏边坡稳定性分析研究

摘要 利用高速公路路侧边坡开发太阳能等清洁能源是交通与能源融合的典型应用场景之一，而在高速公路路侧边坡加装光伏存在加装光伏板对边坡稳定性影响尚不明确、光伏布设后的地表水径流特征尚不清晰等问题。针对上述问题，文章以山东省某高速公路项目为依托，进行了加装光伏板前后等不同工况下的光伏边坡稳定性预测评估、光伏边坡稳定性数值模拟分析、光伏板布设后地表水径流特征分析等研究，分析了光伏板对路侧边坡稳定性的影响。结果表明，加装光伏板对路基边坡稳定性影响小，且具有一定的边坡加固作用，但加装光伏板形成的汇集水流会冲刷坡脚，需要采取护坡措施。因此，在路侧边坡加装光伏具有可行性。

关键词 交通与能源融合；边坡光伏；边坡稳定性预测评估；数值模拟；地表水径流特征

中图分类号 U491 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0137-04

0 引言

党的二十大提出，积极稳妥推进碳达峰碳中和，加快构建交通强国与新型能源体系[1]。“双碳”战略目标提出以来，国家先后出台《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》等顶层政策，促进交通与能源融合发展，充分挖掘综合交通清洁能源的开发潜力，以满足交通侧清洁能源替代，实现交通网与能源网的相互融合发展，对于交通行业与能源行业实现“双碳”目标具有重要意义。

近年来，关于边坡稳定性分析的研究和应用案例较为丰富。余文质[2]基于不确定性分析方法进行了边坡的稳定性评价与预测，并验证其合理性与可行性；文俊等[3]按照定性和定量分析方法对边坡稳定性分析方法进行了总结分析，为工程设计选取合适的分析方法提供了参考；次仁拉姆[4]基于强度折减法的Midas GTS NX有限元分析软件对西藏某公路边坡进行了稳定性分析；田苗旺等[5]基于强度折减法对地震作用下的边坡稳定性进行了影响分析；谢璇等[6]基于Flac3D软件分析了在某码头边坡的开挖稳定状态，并用强度折减法对开挖后边坡的稳定性进行了分析，以更好地指导设计和施工。综上所述，目前边坡稳定性的分析方法主要针对边坡自身稳定性的分析，尚无加装光伏板等永久附着物后的边坡稳定性分析研究。

鉴于此，该文以某高速交能融合项目为依托，分析光伏板加装前后对边坡整体的稳定性影响，并利用数值模拟分析边坡的稳定状态，以验证边坡光伏的技术可行性，为边坡光伏推广发展提供技术支持。

1 工程概况

1.1 地形地貌

项目所经区域属于黄河冲积平原地区，地势较为平坦、开阔，起伏高差很小，总体上地势西高东低，海拔一般在32～56 m。由于过去黄河决口、沉积等原因，地表形成多处高差不大的河道高地与洼地，相互重叠，沟壑交错，造成沉积物交错分布，加上河流冲刷、自然侵蚀和人类活动的影响，形成了黄河冲积微倾斜低平原和冲洪、湖积微倾斜低平原两种地貌类型。项目设计带所经区域仅为上述两类地貌类型。区内微地貌形态主要有河滩高地、垄岗高地、决口扇形地、缓平坡地、碟形洼地、沙质河槽地、背河槽状洼地等。

1.2 水文地质

（1）地下水的赋存条件与地下水类型

根据地下水的赋存特征，场区地下水类型可分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水两类。第四系松散层孔隙水广泛分布于拟建场区内部的平原及山前倾斜平原内，含水层较发育，岩性主要为中、细砂及粗砂、砾石，其顶板埋深一般为4～16 m，厚度为3～15 m，地下水位埋深1～7 m，砂层厚度自山前向下游逐渐增加，颗粒逐渐变细，大部分地区的单井涌水量为1 000～3 000 m³/d。古河道砂层厚度大，颗粒粗，富水性强，单井涌水量可达3 000～5 000 m³/d。

（2）地下水的补给与排泄

地下水补给主要是大气降雨，部分接受基岩裂隙水的侧向补给及河流湖泊渗漏地表水补给。降雨渗入补给量随季节变化明显，雨季渗入补给量大，地下水位上升；地下水径流是其排泄的主要方式。

（3）地下水位

线路区地下水位随地形变化较大，山前平原及山间洼地，地下水的稳定水位埋深多在0.7～6.3 m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，地下水动态变化具有季节性，年变化幅度为1～3 m。

1.3 气象

该项目所处区域为温带季风性大陆性气候，水热资源丰富，气候温暖湿润，热量充足，雨量充沛，四季分明。春季干旱、多风，夏季高温、多雨，秋季温和、少雨，冬季干燥、寒冷。历年平均气温为13.3～14.1℃。最热月份为7月，平均气温为26.8℃，极端最高气温43.2℃；最冷月为1月，平均气温为-1.9℃，极端最低气温为-15.6℃。年平均温差28.7℃，无霜期年平均199～215 d。历年平均降雨量为597～820 mm，历年最大降雨量为1 051 mm，历年最小降雨量为292 mm。因受季风影响，季节之间的降水量极不均匀。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，降水量为422.4 mm，占年降水量的65.5%；秋季10月—11月，降水量为120 mm，占年降水量的18.7%；冬季12月—次年2月，降水量为20.8 mm，占年降水量的3.2%。

2 基于Bishop法的高速公路光伏边坡稳定性预测评估

2.1 边坡与光伏板参数选取

（1）边坡参数

考虑边坡高度区间变化较大，为保证边坡稳定性分析的工况选择具有代表性，分别选取了5～8 m、10～15 m及20 m以上三种边坡高度的填方和挖方边坡路段进行稳定性分析研究，对应的填方和挖方桩号分别为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）。根据地勘资料，六个点位的地质情况如下：

1）K31+005.000、K31+180.000和K31+700.000地质首层为砂性素填土，层厚度为0.9 m；第二层为黏性素填

土，层厚度为4.9 m；第三层为粉质黏土，层厚度为1.4 m；三层以下为中风化灰岩。

2）K2+000.000首层为黏性素填土，层厚度为1.5 m；第二层为黏性素填土，层厚度为4.9 m；第三层为黏土，层厚度为1.4 m；三层以下为中风化灰岩。

3）K14+800.000首层为砂性素填土，层厚度为2.1 m；第二层为黏性素填土，层厚度为3.9 m；第三层为碎石素黏土，层厚度为1.8 m；第四层为黏土，层厚度为1.5 m；四层以下为中风化灰岩。

4）K40+094.000首层为素填土，层厚度为1.2 m，首层以下为中风化灰岩。各土层的设计参数如表1所示：

（2）光伏板参数

该工程采用182 mm电池片，高效单晶硅545 Wp功率组件[7]。光伏板组件参数如表2所示：

2.2 不同工况下边坡稳定性预测评估

采用基于Bishop稳定性算法的理正边坡稳定性分

析[8]软件分别对加装光伏板前后的填方和挖方路段进行边坡稳定性计算分析，利用自动搜索圆心计算边坡安全系数，以对加装光伏板后的边坡稳定性进行预测评估。经计算分析，得到不同工况下最不利滑动面安全系数的计算结果汇总如表3所示：

2.3 计算结果分析

综上所述，在所选取的六种挖方与填方边坡计算中，边坡稳定安全系数在加装光伏板前后没有出现明显变化，说明光伏板的设置对路基边坡的稳定性影响较小，在路基边坡加装光伏板具有可行性。

3 光伏边坡稳定性数值模拟分析

3.1 数值模型建立

（1）边界条件设置

该模型除顶面设为自由面外，其余五面均施加法向约束，以约束其法向位移[9]。实际工程中的现场周边环境及材料变形机理相当复杂，为有效进行数值模拟，此次数值模拟时做如下假设：

1）施工场地表面及各土层均呈水平分布，由于现场无地勘报告，土体模型材料参数取值根据其他工程的土体参数参考取值。

2）钢管材质为各向同性的弹性材料。

3）所有土层均假设为各向同性、连续的弹塑性材料，材料的本构模型采用修正Mohr Coulomb模型。

4）地层和材料的应力—应变均在弹塑性范围内变化。

（2）模型尺寸及网格划分

应用MidasGTS软件建立三维数值分析模型，路基土体取三倍以上的光伏板支架立柱间距作为模型宽度，模型底部原状土体深度取为20 m，满足忽略边界效应的要求。模型尺寸长×宽×高分别为80 m×48 m×30 m。

在有限元分析中，网格划分的精密程度及均匀性会对计算结果产生较大影响。为保证计算精度，网格剖分采用线性梯度（长度）的方法，即通过输入起始单元线和结束单元线的长度，按线性插值自动设置各节点位置，以达到项目本体周围网格相对密集、边界处网格相对稀疏的划分效果。数值模拟计算模型整体和光伏组件支架网格的划分模型分别如图1和图2所示。

3.2 本构模型的选取

在岩土工程数值模拟分析过程中，本构模型的选取对于模拟过程及岩土体应力应变的准确反映非常重要，目前常用的本构模型主要有弹性本构模型、特雷斯卡Tresca准则、范梅塞斯Von Mises模型、广义霍克布朗模型、修正剑桥黏土Modified Cam Clay模型、Jardine模型和修正莫尔-库伦Modified Mohr- Coulomb等[10]。修正摩尔-库伦模型是由摩尔-库伦模型本构上发展而来的本构模型，适用于各种类型的地基土，尤其是砂土等具有摩擦特性的材料；该模型的剪切屈服面与摩尔-库伦模型相同，压缩面为椭圆形的帽子本构，在剪切方向和压缩方向均采用了双硬化模型，可用于模拟具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型。

考虑路基土体的压缩和变形特性，在分析过程中应选择修正摩尔-库伦本构模型。

3.3 边坡水平位移变化

通过对模型位移分析得到，有无光伏板工况下的边坡最大水平位移分别为2.072 8 mm和1.964 mm，位移变化较小，说明安装光伏板对边坡变形影响不大。

3.4 边坡受力变化

通过计算分析得到，有无光伏板工况下的最大剪应变分别为0.992 6和0.921 67，在光伏板及支架荷载作用下，边坡最大剪应变的变化幅度不大，对边坡变形影响较小，且光伏板自身结构荷载相对较小，对边坡稳定性影响不大。

3.5 光伏板支架立柱对边坡稳定性影响分析

模型计算得到有光伏板一侧边坡的最大剪应变值小于无光伏板一侧边坡，说明光伏板立柱在原地面以下稳定土层中的嵌固作用对边坡形成了加固。模型计算结果表明，在有光伏板一侧边坡坡脚最大水平位移小于无光伏板一侧，同时光伏板侧土体水平位移值相对较小，说明光伏板立柱对路基边坡土体的加固效果明显。

4 加装光伏板后边坡地表水径流特征分析

4.1 水流冲刷对路基边坡稳定性影响分析

水流冲刷是影响平原地区公路路基边坡稳定性的重要因素，当路基土体的渗透能力不能满足雨水的渗入，则会在坡面处形成水流并汇集，并对路基边坡产生侵蚀作用，同时加剧了雨水对边坡的渗透作用，造成路基土体的黏聚力和内摩擦角降低，进而影响边坡土体自身强度。地表水汇流冲刷作用示意图如图3所示。

4.2 安装光伏板后径流特征及边坡稳定性影响分析

在后期运营过程中，降雨和光伏板清洁作业会造成水流在光伏板下沿汇集，如图4所示。当坡面无相关防护措施时，汇集水流易冲刷光伏板下沿的路基边坡，带走边坡土体颗粒物质，进而对边坡形成侵蚀作用，对公路路基边坡形成“削脚”效应，造成路基边坡的抗滑力降低，影响路基边坡稳定性。

5 结语

（1）通过基于Bishop稳定性算法的理正软件和基于强度折减法的Midas GTS软件，分别对加装光伏板前后等不同工况下的路基边坡稳定性进行分析研究，多方验证结果表明加装光伏板对路基边坡稳定性影响较小，证明在边坡上加装光伏板于技术上具有可行性。

（2）通过对比加装光伏板前后侧边坡的应变位移变化，发现光伏板立柱对路基边坡具有一定的加固作用。

（3）加装光伏板后形成的汇集水流易冲刷光伏板下沿的边坡土体，对边坡坡脚形成“削脚”效应，进而影响边坡整体稳定性，需在坡脚处采取坡面硬化、绿植防护等护坡措施。

（4）该文仍存在需进一步深化研究的部分，如模型简化假设、汇流水冲刷防治措施等方面，因此下一步将继续优化模型的可靠度，完善边坡稳定性的分析方法，提出边坡防冲刷处治的具体措施，为指导实际工程设计和施工提供参考。

参考文献

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[3]文俊，廖建忠.岩质边坡稳定性分析方法综述[J].西部探矿工程， 2012（6）：153-155.

[4]次仁拉姆.基于MIDAS GTS NX高原公路边坡稳定性分析及防治措施研究[D].拉萨：西藏大学， 2023.

[5]田苗旺，王刚.基于强度折减法考虑三维地震作用的边坡稳定分析[J].山西建筑， 2021（22）：55-57.

[6]谢璇，谢东门.基于Flac3D软件的某码头设计边坡稳定性分析[J].中国水运（下半月）， 2023（10）：80-82.

[7]韩聪，郭冠生.集中式光伏电站发电效率提升研究综述[J].科技创新与应用， 2024（17）：161-164.

[8]胡军伟，袁伟民，陈国栋.基于局部强度折减法的含软弱结构层边坡稳定性分析[J].路基工程， 2024（5）：147-152.

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