光伏電站螺旋樁的應用及計算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 張 湉 黃 華 何銀濤

0 引言

隨著世界環(huán)境的惡化，對清潔能源的需求也越來越迫切，對清潔能源生產(chǎn)本身對環(huán)境的污染也有了更高的要求。太陽能光伏電站建設(shè)過程中，電池組件支架基礎(chǔ)部分與土壤直接接觸，對環(huán)境、植被等影響較大[1]。螺旋樁的應用不僅能節(jié)省項目建設(shè)費用，縮短建設(shè)周期，使電站早日投產(chǎn)發(fā)電，同時也節(jié)能環(huán)保、可再回收循環(huán)利用，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 工程簡介

1.1 工程地址及氣象條件

本項目建設(shè)容量為20 MWp，地處青海省海西州烏蘭縣希里溝鎮(zhèn)，位于烏蘭縣城東南部東大灘上，距離希里溝鎮(zhèn)中心約20 km，距離北側(cè)的315國道約25 km。交通較為便利。

烏蘭縣具有明顯的高寒大陸性氣候，年平均氣溫3.2 ℃，年最高氣溫27.2 ℃；年平均降水量159 mm；主導風向為西北風，夏季主導風向為東南風；年最大風速36 m/s，全年大風時數(shù)約26天。

1.2 工程主要技術(shù)數(shù)據(jù)

1)基本風壓為0.8 kPa，基本雪壓為0.15 kPa；2)地震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值為0.10 g；3)建筑場地類別為Ⅱ類；4)標準凍土層深度1.66 m；5)根據(jù)巖土工程勘查報告，可不考慮地下水的影響。

1.3 電站詳細地質(zhì)條件

擬建生產(chǎn)區(qū)在勘探深度內(nèi)揭露的地層(一層)為細砂(Q4eol)，其巖性特征描述為：

土黃、褐黃色，干燥－稍濕，稍密，砂質(zhì)較純凈，顆粒較均勻；主要成分為石英、長石等，其中粒徑0.075～2 mm者約占88.3%～98.4%，粒徑小于0.075 mm者約占2.1%～6.0%；局部夾有零星礫石及礫砂薄層，呈透鏡體狀分布，不連續(xù)。揭露厚度7.4～15.4 m，場區(qū)均有分布。表1為項目現(xiàn)場巖土主要物理力學性質(zhì)指標值。

表1 巖土主要物理力學性質(zhì)指標值

2 螺旋樁力學分析

2.1 設(shè)計原則

本項目選用組件尺寸為1640×992×40，40塊組件為一個單元，每個單元支架上豎向雙排安裝2×20塊太陽電池組件，支架傾角35°。支架采用通用支架，每一單元支架前后布置兩排螺旋樁，共14根螺旋樁。支架單元平面布置圖如圖1所示。

圖1 支架單元平面布置圖

根據(jù)勘察報告提供的資料，本工程上部主要為松散狀態(tài)的砂壤土和較密狀態(tài)的角礫層，根據(jù)上述土層情況及以往工程經(jīng)驗，選用雙葉片螺旋樁。螺旋樁鋼管直徑76 mm、壁厚4 mm，樁長2.0 m，安裝支架需露出地面長度按200 mm考慮，則實際旋入地下1.8 m。兩道葉片直徑均為176 mm、厚度4 mm，上道葉片距樁端720 mm，下道葉片距樁端100 mm。螺旋樁詳圖見圖2。

根據(jù)支架結(jié)構(gòu)計算書提取數(shù)據(jù)，傳遞到單樁樁頂?shù)暮奢d為支座反力：正風壓Fz(壓力)=12.17 kN；負風壓Fz(拔力)=9.6 kN。

2.2 受力計算

螺旋樁主要由中間的鋼管和焊接于鋼管上的螺旋葉片組成。當樁頂受力時，作用在樁頂?shù)暮奢d部分由中間的鋼管與土體之間的側(cè)摩阻力承擔，部分由螺旋葉片所受的土體抗力承擔。當有2個及以上葉片時，部分荷載由葉片之間的土柱與周圍土體之間的側(cè)摩阻力承擔。根據(jù)現(xiàn)有樁基規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合多年工作經(jīng)驗，采用如圖3所示受力模式進行螺旋樁的承載力計算。

2.2.1 抗壓承載力計算

抗壓承載力計算式為[2]：

式中：Quk為單樁豎向抗壓極限承載力標準值；Qs1k為樁頂以下第一道葉片以上鋼管極限側(cè)摩阻力標準值，參考JGJ 94-2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范5.3.6 條的規(guī)定[2]，第一道葉片以上 1倍的葉片直徑長度范圍不計側(cè)阻力；Qs2k為葉片之間土柱與周圍土體之間的極限側(cè)阻力標準值；Qpk為由葉片發(fā)揮的極限樁端阻力標準值；K為安全系數(shù)。

本工程上部松散狀態(tài)的砂壤土厚約1.0 m，考慮結(jié)構(gòu)長期受風荷載作用的影響，以及螺旋樁施工時葉片對土體的切割作用，承載力計算時，不考慮上部松散狀態(tài)砂壤土的作用。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]，第一層細砂樁側(cè)土體極限側(cè)阻力標準值取為50 Pa，極限端阻力標準值qpk取為200 kPa；λ為樁端閉塞效應系數(shù)，對閉口樁λ=1。

Nk=Fz(壓力)=12.17 kN＜Quk=30.14 kN，滿足抗壓承載力要求。

2.2.2 抗拔承載力計算

抗拔承載力計算式為[2]：

式中：Tuk為單樁豎向抗拔極限承載力標準值；Ts1k為樁頂以下第一道葉片以上由鋼管與周圍土體之間的摩擦產(chǎn)生的極限側(cè)摩阻力標準值，鋼管計算長度應扣除受葉片影響的范圍；Ts2k為葉片之間土柱及受葉片影響的破壞柱體與周圍土體之間的極限側(cè)阻力標準值。參考JGJ 94-2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》5.4.6條的規(guī)定，受葉片影響的破壞柱體長度按4d考慮[2]；Ggp為螺旋樁自重、葉片之間土體自重及受葉片影響的破壞柱體自重之和；K為安全系數(shù)。

抗拔系數(shù)取為0.5，其余參數(shù)見表1，抗拔承載力計算如下：

Ts1k=πdΣλiqsikli=3.14×0.076×0.5×50×(1.8-0.72-0.1-2×0.076)=4.94 kN；

Ts2k=πDΣλiqsikli=3.14×0.176×0.5×50×(0.72+0.1+4×0.076)=15.53 kN；

Ggp可忽略不計；

Nk=Fz(拔力)=9.6 kN

2.3 結(jié)論

本工程場地主要為砂性土，適宜采用雙葉片的螺旋樁作為光伏組件固定支架的基礎(chǔ)。通過計算分析，選擇雙葉片螺旋樁，鋼管直徑為76 mm，樁長2 m，葉片直徑176 mm，下道葉片距樁尖100 mm，兩道葉片之間的距離為720 mm。螺旋樁的單樁抗壓承載力特征值為14.6 kN，大于抗壓荷載標準值12.17 kN，滿足抗壓承載力要求。螺旋樁單樁抗拔承載力特征值為10.23 kN，大于抗拔荷載標準值9.6 kN，滿足抗拔承載力要求。

3 結(jié)束語

本文參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合作者多年的工作經(jīng)驗，闡述了螺旋樁在光伏電站中的設(shè)計原則，給出了螺旋樁抗壓承載力及抗拔承載力理論計算方法，可供從事此專業(yè)的人員參考?？紤]到地質(zhì)條件的復雜性，螺旋樁設(shè)計時，在滿足理論計算的同時，必須要在現(xiàn)場進行測試，確保理論與實際均符合要求。

[1] GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].