江西風(fēng)電邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定性模擬分析

章龍飛

(江西省水利科學(xué)院， 江西 南昌 330029)

0 引言

滑坡是一種嚴(yán)重的全球性自然災(zāi)害，通常會(huì)破壞建筑和交通基礎(chǔ)設(shè)施，并可能造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。近年來，人工智能技術(shù)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法計(jì)算邊坡附近條形基礎(chǔ)的極限承載力，具有較高的可靠性，同時(shí)避免了計(jì)算量大的問題。因此，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精確監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)穩(wěn)定性分析技術(shù)，已成為滑坡相關(guān)研究的重要領(lǐng)域(Roy et al.，2019)。

針對(duì)上述所言，巴振寧等(2019)將新近發(fā)展起來的隨機(jī)地層建模技術(shù)與傳統(tǒng)的有限元模擬方法相結(jié)合，提出了一種考慮地層剖面不確定性的邊坡穩(wěn)定性分析方法。然而，在實(shí)際工作中，由于現(xiàn)場(chǎng)勘察技術(shù)和工程預(yù)算的限制，邊坡的地層學(xué)觀測(cè)不全面、不直接，因此，解釋的地下土壤、巖石分層仍存在相當(dāng)程度的不確定性。陳昌隆(2019)通過運(yùn)用數(shù)值模擬方法建立大量的工況數(shù)據(jù)庫，并基于樸素貝葉斯算法建立了類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的快速評(píng)價(jià)方法，為判斷邊坡穩(wěn)定性問題提供了有效途徑。然而，該方法在應(yīng)變位移轉(zhuǎn)換算法選擇、算法精度等方面仍存在一些不足。

1 邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述引言中存在的問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種新型的邊坡防護(hù)方案，并應(yīng)用于江西省南昌市某大型風(fēng)電站，該風(fēng)電站的地理位置(經(jīng)緯度坐標(biāo))大約在東經(jīng)115.52°，北緯28.41°，圖1為江西風(fēng)電邊坡防護(hù)橫截面示意圖。

圖1 江西風(fēng)電邊坡防護(hù)示意圖

如圖1所示，本研究采用拋石堆石結(jié)構(gòu)，以應(yīng)付現(xiàn)有邊坡的防護(hù)計(jì)劃。在主體防護(hù)結(jié)構(gòu)施工前，考慮采用拋石堆作為臨時(shí)防護(hù)措施，封堵防坡堤倒塌部分留下的空地。堆石結(jié)構(gòu)由于其施工方法相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于突發(fā)的外力反應(yīng)靈活，是一種可行的選擇。與其他的剛性結(jié)構(gòu)相比，堆石結(jié)構(gòu)還需要簡(jiǎn)單的維護(hù)工作(陳賢勝等，2019)。

目測(cè)表明，只要填料能安全地保持在隔室內(nèi)部，隔室板樁不會(huì)進(jìn)一步坍塌，現(xiàn)有防坡堤的穩(wěn)定性基本上是相當(dāng)好的。因此，設(shè)計(jì)附著在現(xiàn)有防坡堤上的結(jié)構(gòu)將防止土壤對(duì)板樁的進(jìn)一步?jīng)_擊，并阻止底部沖刷，以保持單元內(nèi)的填充材料保持密實(shí)。

1.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在邊坡防護(hù)的上部結(jié)構(gòu)中，設(shè)計(jì)了裝甲單元作為外殼保護(hù)，其重量值要求按以下公式得出(巴振寧等，2019)：

W=(γrH3)/[KD(γr-1)3cotθ]

(1)

式(1)中，W是指裝甲單元重量，H是指設(shè)計(jì)高位，KD是指穩(wěn)定系數(shù)，γr是指混凝土材料的單位重量，θ是指風(fēng)電邊防坡堤的傾斜角度，若石灰?guī)r重量按兩層設(shè)置的0.6 t計(jì)算，石灰芯材重量則為1.0～30.0 kg范圍內(nèi)。關(guān)于邊坡防護(hù)堤頂寬度的計(jì)算采用以下公式得出(巴振寧等，2019)：

(2)

式(2)中，B是指邊坡防護(hù)堤頂寬度，n是指頂部裝甲單元排數(shù)(最小為3行)，KΔ是指層系數(shù)，γr是指混凝土材料的單位重量。對(duì)于邊坡防護(hù)裝甲層厚度的計(jì)算采用以下公式得出(巴振寧等，2019)：

(3)

式(3)中，t是指邊坡防護(hù)裝甲層厚度，n1是指一層中裝甲單元的數(shù)量。關(guān)于裝甲層N單位平方的裝甲單位數(shù)計(jì)算采用以下公式得出(巴振寧等，2019)：

(4)

式(4)中，A是指邊坡防護(hù)裝甲層的單位面積，P是指裝甲層的孔隙率。

1.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是海底計(jì)算的關(guān)鍵部分，地面土層由標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)(standard penetration test，SPT)錘擊數(shù)大于50的石灰?guī)r組成。通過勘測(cè)已知風(fēng)電站所處地質(zhì)表明由軟土層組成，挖出這種軟土層將地基置于堅(jiān)硬層上被認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的，因此，優(yōu)先考慮提高軟土承載力(高剛，2020)。在此基礎(chǔ)上，通過考慮最大設(shè)計(jì)荷載和軟土的特性，本研究提出利用竹墊層和竹竿來提高地基承載力，該方法適用于粘性和非粘性土壤，使用SPT值作為主要數(shù)據(jù)輸入，根據(jù)以下公式得出(高剛，2020)：

(5)

式(5)中，Ni是指第i排樁底的SPT值的總和，QL是指竹樁的最大承載力，QP是指竹樁的地基承載力，QS是指竹樁側(cè)聚力引起的承載力，B是指竹樁的直徑，qS是指地基底部的張力損壞，NP是指樁底直徑4B以下的平均SPT值，K是指土壤特性系數(shù)(黏土12 t/m2，粘土粉砂20 t/m2，砂土粉25 t/m2，白砂40 t/m2)，AP是指樁底面積，AS是指竹樁埋深部分面積；α是指基礎(chǔ)系數(shù)，β是指軸系數(shù)。

此外，本次研究還設(shè)計(jì)了一個(gè)竹墊來支撐毛石堆結(jié)構(gòu)，位于竹樁正上方的底部。該床墊用于將上部結(jié)構(gòu)平鋪到地基土上。主要設(shè)計(jì)變量為竹材床墊厚度和彈性模量。在目前的結(jié)構(gòu)中，床墊由7層竹地板組成。竹地板是用直徑10 cm的竹竿排成一行，互相捆扎而成。圖2顯示了竹竿的基礎(chǔ)布局、桿和床墊的細(xì)節(jié)。

圖2 竹墊的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

本次研究提出了一種利用FBG傳感器實(shí)時(shí)分析邊坡穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便有效的方法。下文將具體闡述。

2.1 光纖光柵傾角儀設(shè)計(jì)

FBG作為一種傳感材料，選擇合適的基板來保護(hù)和方便地安裝光纖光柵是很重要的。因此，本研究選擇聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)管作為FBG的襯底，其內(nèi)徑和外徑分別為60 mm和 70 mm，長度為1000 mm，彈性模量為20 GPa。PVC管的頂部和底部內(nèi)表面刻有相互對(duì)稱的等距凹槽(2 mm深和4 mm寬)，刻槽可以減少粘結(jié)層的沖擊，使纖維與管軸保持平行。兩個(gè)光柵串，每個(gè)串由10個(gè)裸光柵組成，裸光柵的直徑為0.0125 mm，彈性模量為73 GPa，泊松比為0.17，裸光柵系列用膠水(0.5 mm深，3 mm寬，6 GPa彈性模量，0.35泊松比)粘貼在凹槽上，相鄰光柵之間的間距為 100 mm，第一個(gè)格柵與PVC管頂部之間的距離為50 mm，最后一個(gè)格柵與PVC管底部之間的距離也為50 mm(杰肯·卡里木汗等，2019；蔣永華等，2020)。設(shè)計(jì)的FBG傾角儀原理圖如圖3所示。

圖3 FBG傾角儀示意圖

光纖光柵測(cè)斜管制作完成后，記錄每個(gè)裸光柵中間的應(yīng)變水平，作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。中間部分是因?yàn)楣饫w應(yīng)變傳遞率在中間部分最大，并且消除了由于邊界效應(yīng)引起的誤差。光纖光柵的信號(hào)讀數(shù)除了應(yīng)變外，還對(duì)溫度變化敏感，因此在使用光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)位移時(shí)，有必要消除溫度的影響(李承東等，2019)。本次研究通過在PVC管內(nèi)對(duì)稱布置兩個(gè)光柵串，實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償，該方法可用以下函數(shù)表示(李承東等，2019)：

(6)

(7)

因此，通過光柵串彎曲可以消除溫度影響，光纖光柵傾角儀與光纖詢問機(jī)和計(jì)算機(jī)相連，成為一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器，連接方式可在下面的模型實(shí)驗(yàn)照片中觀察到。

實(shí)際上，從FBG傳感器接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是在光學(xué)光柵中產(chǎn)生的應(yīng)變值，因此，需要研究將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為邊坡位移的算法，本次研究采用選擇中心差分法作為將測(cè)得的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為周圍土體水平位移的優(yōu)化算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算誤差較小(劉廣寧等，2019；馬曉東和簡(jiǎn)俐，2019)。在CDM中加速度a與速度v的表達(dá)式為：

(8)

式(8)中，u是指位移向量，t與Δt分別是指動(dòng)力學(xué)的時(shí)間與時(shí)間步長，通過式(8)求解各個(gè)離散時(shí)間點(diǎn)的位移值。然而，利用中心差分法求解時(shí)，Δt必須小于由該問題邊坡位移監(jiān)測(cè)的某個(gè)臨界值Δtc，否則CDM算法將是不穩(wěn)定的，該約束條件用不等式表示為：

(9)

式(9)中，lmin是指最小光柵串單元長度，ρ是指邊坡防護(hù)材料密度，λ是指邊坡防護(hù)材料泊松比，E是指邊坡防護(hù)材料彈性模量。根據(jù)邊坡防護(hù)中碰撞動(dòng)力學(xué)分析，通常會(huì)涉及到幾何非線性問題，對(duì)時(shí)間域進(jìn)行離散的中心差分方法較好地克服了幾何非線性對(duì)精度帶來的影響，從而實(shí)現(xiàn)FBG傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(邱岳和耿諫，2019)。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

分析邊坡穩(wěn)定性最常用的方法是極限平衡法，本研究嘗試以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)圓弧滑動(dòng)面的探索，建立了基于傾角儀布置位置深度和撓度曲線信息的最優(yōu)數(shù)值模型，該模型示意圖如下(圖4)：

圖4 最優(yōu)滑動(dòng)面數(shù)值模型示意圖

如圖4所示，A、B和C點(diǎn)是潛在滑動(dòng)面和傾角儀的交點(diǎn)。三點(diǎn)的位移應(yīng)滿足目標(biāo)函數(shù)，即最大位移增量(maxΣΔfi)。潛在滑動(dòng)面的約束條件和作用如下(邱岳和耿諫，2019)：

(10)

f1=f1(y),f2=f2(y),f3=f3(y)

(11)

(12)

其中，式(10)為幾何約束條件，式(11)為性能約束條件，式(12)為潛在滑動(dòng)面的作用。f1、f2和f3分別是指傾角儀水平位移的連續(xù)函數(shù)；h1、h2、h3分別是指傾角儀頂部高程，高程是通過監(jiān)測(cè)應(yīng)變來計(jì)算的；ya、yb、yc分別是指潛在滑動(dòng)面與傾角儀交點(diǎn)的高程；xa、xb和xc分別是指傾角儀底部和坐標(biāo)原點(diǎn)之間的距離；xg是邊坡坡腳的x坐標(biāo)；x0、y0和R分別是指潛在圓弧滑動(dòng)面的中心坐標(biāo)和半徑。

幾何約束條件將最優(yōu)點(diǎn)限制在邊坡區(qū)域內(nèi)，并保證滑動(dòng)面曲線始終是一條小圓弧。利用光纖光柵傾角儀的位移信息對(duì)約束條件的性能進(jìn)行了測(cè)試，在確定最優(yōu)點(diǎn)后，通過計(jì)算一個(gè)圓來確定潛在滑動(dòng)面(孫朝燚等，2019)。

確定滑動(dòng)面后，根據(jù)滑動(dòng)面切片積分的傳統(tǒng)計(jì)算方法估算安全系數(shù)，將x0、y0和R代入以下方程式中，安全系數(shù)Fs可通過瑞典條分法與畢肖普條分法(田偉等，2019)計(jì)算：

(13)

(14)

Q=γ[H(x)-g(x)]

(15)

其中，φ和γ分別為邊坡土壤的內(nèi)摩擦角和單位重量，Q為滑邊坡動(dòng)面承載力。其他參數(shù)如圖5所示，θ為風(fēng)電邊防坡堤的傾斜角度，dx為滑動(dòng)自變量微分，H(x)為滑動(dòng)面積分函數(shù)，g(x)為切片弧積分函數(shù)。

圖5 積分計(jì)算方法示意圖

本次研究綜合瑞典和畢肖普方法，以提高安全系數(shù)的計(jì)算精度。作為初始值，將由式(13)計(jì)算的安全系數(shù)代入式(14)，以確定最終的安全系數(shù)。上述邊坡穩(wěn)定分析方法以基于位移增量目標(biāo)函數(shù)的潛在滑動(dòng)面搜索為第一步，采用積分法計(jì)算安全系數(shù)，整個(gè)分析方法用MATLAB軟件來實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證FBG技術(shù)和邊坡穩(wěn)定性分析方法的可行性和準(zhǔn)確性，本次研究針對(duì)江西省某大型風(fēng)電站邊坡現(xiàn)狀進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，通過2 mm的篩子對(duì)土壤進(jìn)行篩選。模型實(shí)驗(yàn)用土的基本參數(shù)如表1所示。

表1 用于模型的材料參數(shù)數(shù)據(jù)

3.1 PIV監(jiān)控系統(tǒng)

下面將采用粒子圖像測(cè)速(Particle Image Velocimetry，PIV)技術(shù)對(duì)江西風(fēng)電站邊坡防護(hù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。PIV技術(shù)用于監(jiān)測(cè)斜坡模型的外部變形，該系統(tǒng)利用高分辨率攝像機(jī)拍攝邊坡變形過程中的高清照片。在已知精確坐標(biāo)的情況下，將控制點(diǎn)粘貼在邊坡模型表面，將像素位移轉(zhuǎn)換為邊坡的實(shí)際位移。所有的控制點(diǎn)都是直徑為7 mm的黑點(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離為70 mm。這些點(diǎn)是印刷在透明薄膜上的實(shí)心黑點(diǎn)，粘貼在模型盒內(nèi)(王鵬等，2019)。

將三個(gè)光纖光柵傾角儀垂直安裝在斜坡模型中，間距為100 mm。一塊鋼板與一個(gè)小鋼管焊縫(8 cm 高)固定在斜坡底部，起到固定端的作用。測(cè)斜管的底部插入鋼管中。在模型箱中用管子固定三塊鋼板(徐錫偉等，2019；閆新亮等，2019)，并在鋼板上方壓實(shí)土壤。分別在4 kPa、8 kPa、12 kPa、16 kPa 的荷載條件下計(jì)算出潛在滑動(dòng)面與傾角儀的交點(diǎn)位置，根據(jù)控制點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出傾角儀周圍邊坡土體的位移，結(jié)果如圖6所示。

圖6 PIV技術(shù)測(cè)量的土壤表面位移

從圖6中可以看出，F(xiàn)BG傾角儀測(cè)得的內(nèi)位移結(jié)果與PIV觀測(cè)到的地表外位移基本一致。邊坡土體的水平位移自下而上呈增大趨勢(shì)，且隨荷載的增大而增大。由于邊界條件的影響，傾角儀周圍表土的位移與內(nèi)部土體的位移相比，沒有明顯的規(guī)律性(鐘鑫等，2020)。

不同荷載值下的潛在滑動(dòng)面(假設(shè)滑動(dòng)面為圓弧)可由式(12)確定，通過畢肖普方法(該方法使用傳統(tǒng)的極限平衡方法，而不是基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算)計(jì)算的滑動(dòng)面。在確定潛在滑動(dòng)面的位置后，隨荷載增加而變化，采用巴振寧等(2019)中所采用的積分法與本研究所采用的畢肖普法計(jì)算邊坡安全系數(shù)，兩種方法之間的差異如圖7所示。

圖7 荷載增加時(shí)的邊坡安全系數(shù)

從圖7可以看出，兩種方法的安全系數(shù)差別不大，從變化趨勢(shì)來看，兩種安全系數(shù)均隨荷載的增大而減小。與畢肖普法確定的安全系數(shù)相比，積分法的安全系數(shù)具有較為明顯的線性變化，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全系數(shù)有較大的下降梯度，這兩個(gè)結(jié)果都可以用前面提到的測(cè)量滑動(dòng)面的位置變化來解釋，因此，畢肖普法計(jì)算得出的邊坡穩(wěn)定性分析更可靠(鐘玉龍等，2020)。

3.2 位移算法的測(cè)試

現(xiàn)有的算法有積分法、截面疊加法、中心差分法和外推法，為了驗(yàn)證本研究所采用的CDM是最理想位移算法(周玉榮和王鵬，2019)，對(duì)采用光纖光柵傾角儀進(jìn)行了室內(nèi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8 位移校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)示意圖

如圖8所示，傾角儀測(cè)斜管的一端用螺栓固定在混凝土塊上，另一端平放在另一個(gè)尺寸相同的塊上。將4個(gè)電子位移計(jì)(50 mm量程)固定在4個(gè)平移臺(tái)上，然后將擱板固定在PVC底面下方格柵安裝點(diǎn)的凹槽中。各階段對(duì)傾角儀進(jìn)行任意橫向移動(dòng)。每個(gè)電子位移計(jì)可以測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的位移，這是通過前面所述的分析方法計(jì)算出來的。計(jì)算和測(cè)量值結(jié)果如圖9所示，各位移算法與量規(guī)測(cè)量值的相對(duì)誤差如圖10所示。

圖9 不同算法的測(cè)量結(jié)果

圖10 不同算法的誤差比較

從圖9可以看出，對(duì)于所有算法，估計(jì)的位移變化趨勢(shì)與千分表讀數(shù)的趨勢(shì)幾乎相同。最小誤差發(fā)生在固定端附近，遠(yuǎn)離固定端的點(diǎn)的最小誤差值逐漸增大。圖10顯示了用積分法估計(jì)的位移總是有很大的相對(duì)誤差。截面疊加法誤差較小，因?yàn)樵摲椒ň€性擬合每個(gè)應(yīng)變截面，對(duì)應(yīng)變突變不敏感，并且截面疊加法測(cè)得的曲線變化是折線，數(shù)學(xué)計(jì)算困難，缺乏規(guī)律性。在選擇中心差分法時(shí)，誤差比積分法和外推法更小。CDM可以對(duì)所獲得江西邊坡防護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，在變化趨勢(shì)不變的情況下，可以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算精度。

4 結(jié)語

本研究針對(duì)江西某大型風(fēng)電站設(shè)計(jì)了拋石丘結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)，并探討基于實(shí)時(shí)量測(cè)的邊坡穩(wěn)定性，其主要內(nèi)容如下：

(1)采用拋石堆結(jié)構(gòu)作為邊坡防護(hù)措施，封堵防坡堤倒塌部分留下的空地，在現(xiàn)有防坡堤上附著裝甲層結(jié)構(gòu)，來防止直達(dá)坡對(duì)板樁的進(jìn)一步?jīng)_擊，以保持單元內(nèi)的填充材料保持密實(shí)，并利用竹墊層和竹竿來提高地基承載力。

(2)提出了一種基于邊坡位移實(shí)時(shí)測(cè)量的邊坡穩(wěn)定性分析方法。該方法與FBG傳感相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傾角儀數(shù)量的增加有利于最小二乘法定位潛在滑動(dòng)面，運(yùn)用畢肖普法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)，從而提高方法的精度。

(3)PIV技術(shù)對(duì)邊坡位移進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的積分法，選擇CDM作為將測(cè)得的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為周圍土體水平位移的優(yōu)化算法，進(jìn)一步提高邊坡土壤位移運(yùn)算精度。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，邊坡穩(wěn)定分析法得到的邊坡安全系數(shù)與畢肖普法計(jì)算的邊坡安全系數(shù)具有大致相同的數(shù)值和變化趨勢(shì)。證明了實(shí)驗(yàn)得到的安全系數(shù)是合理的，基于位移實(shí)時(shí)測(cè)量的邊坡穩(wěn)定性分析方法是可行的。