山地農(nóng)業(yè)光伏支架基礎方案分析

謝 煒 王 雨

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100000)

山地農(nóng)業(yè)光伏支架基礎方案分析

謝 煒 王 雨

(龍源(北京)太陽能技術有限公司，北京 100000)

結合某山地農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電項目站址的地理環(huán)境與巖土地質條件，提出了螺旋鋼管樁、鋼筋混凝土灌注樁及鋼管地錨樁等光伏支架基礎方案，通過比選各方案的優(yōu)缺點，選取了鋼管地錨樁基礎，使該支架基礎達到了既經(jīng)濟又安全的目標。

光伏發(fā)電，支架基礎，鋼管地錨樁，地理環(huán)境

0 引言

光伏發(fā)電作為一種新的電能生產(chǎn)方式，以其無污染、無噪聲、維護簡單等特點顯示出無比廣闊的發(fā)展空間和應用前景。截至2015年9月底，全國光伏發(fā)電裝機容量達到3 795×104kW，1月～9月全國新增光伏發(fā)電裝機容量990×104kW，裝機規(guī)模位居世界首位。“十三五”我國將持續(xù)壯大太陽能光伏發(fā)電市場規(guī)模，初步規(guī)劃“十三五”光伏裝機規(guī)模目標將達1.5×108kW，即每年新增約2 000×104kW，光伏發(fā)電容量占能源供應的比例進一步加大，市場前景極為廣闊[1,2]。隨著我國光伏電站裝機容量的持續(xù)快速增長，地勢較為平坦、條件較好的土地資源正逐年減少，同時由于西北地區(qū)的限電問題日益突出，新增光伏電站陸續(xù)建設在東部用電負荷中心地區(qū)。但東部地區(qū)普遍土地資源緊缺，可供光伏電站使用的建設場地一般都是山地且土地性質并非荒地，這種情況下農(nóng)業(yè)光伏便成為獲取建設用地的較為普遍的商業(yè)模式。同時，由于山地光伏場區(qū)地表多為強風化砂礫巖、片巖等較為堅硬的地質條件，導致山地光伏支架基礎較平地光伏施工難度大、成本高，施工周期也更長。本文以某大型山地農(nóng)業(yè)光伏電站為例，選取單個光伏支架分別按螺旋鋼管樁、鋼筋混凝土灌注樁及鋼管地錨樁基礎進行方案分析比選，得出了適合山地農(nóng)業(yè)光伏的支架基礎方案，在今后的類似項目中可以推廣使用。

1 項目概況

某農(nóng)業(yè)大棚光伏發(fā)電項目場址位于福建省大田縣境內(nèi)，項目總裝機容量為20 MWp。全站共由20個典型1 MWp方陣組成，為最大限度節(jié)約用地，利于布置，每兩個陣列之間留有1 m的維護通道，每個典型1 MWp由182串聯(lián)支路并聯(lián)形成，每個串聯(lián)支路由20塊電池組件串聯(lián)形成。

1.1 站址地理環(huán)境

場址位于福建省大田縣，現(xiàn)狀為山區(qū)荒地及少量耕地，較為開闊，四周無遮擋，占地面積約928畝?？傮w地勢北高南低，場地內(nèi)中部為一寬緩條形山谷，兩側地段多為緩坡；地段坡面坡度5°～20°。擬建場地地貌單元屬丘陵溝谷斜坡地段，勘察場區(qū)內(nèi)無斷裂帶穿越。擬建場址受季風環(huán)流影響，風向季節(jié)性變化明顯，冬季多北風，夏季多南風，全年主導風向為東風，靜風頻率很高，全年達47%，一般情況下風速較小，全年平均風速為0.9 m/s，但受臺風影響，瞬時最大風速可達20 m/s。

1.2 地層結構及巖土物理力學性質

擬建場地地基土在勘察深度內(nèi)揭示的巖土層為耕土、泥炭質土、粉質粘土、砂土及砂巖層。

①耕土：該層可分為兩部分，其一為山坡處耕土，黃褐色，松散，濕，以粘性土為主，含少量砂、碎石及植物根系；其二為稻田處耕土，灰黑色，飽和，流塑狀，淤泥質，含少量植物根系。該層普遍較分布，厚度0.40 m～0.80 m，平均值0.58 m；埋深0.40 m～0.80 m，平均值0.58 m。

②粉質粘土：黃褐色，灰白色,灰黑色，可塑～硬塑，局部軟塑，含少量砂，干強度與韌性中等，切面較光滑。該層分布不普遍，厚度0.30 m～1.40 m，平均值0.90 m；埋深0.70 m～2.20 m，平均值1.48 m。

③中粗砂：灰白色，灰黑色，濕，稍密～中密，主要成分為長石及石英，含少量礫石，顆粒分析較好。該層分布不普遍，厚度0.40 m～3.40 m，平均值1.11 m；埋深0.80 m～5.60 m，平均值2.59 m。

④強風化砂巖：灰白色，黃褐色，黑色，原巖結構大部分破壞,巖石中礦物風化明顯,節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖芯呈砂狀及碎塊狀。該層分布較普遍，厚度0.20 m～7.50 m，平均值3.05 m；埋深1.00 m～8.00 m，平均值3.73 m。

⑤中風化砂巖：灰白色，黃褐色，黑色，細粒結構，層狀構造，主要成分為長石及石英，裂隙發(fā)育，巖芯多呈柱狀，少量呈短柱狀，該層巖石巖樣的飽和單軸極限抗壓強度平均值為29.34 MPa,標準值為27.04 MPa，堅硬程度分類為較硬巖，其基本質量等級分類為Ⅲ類。

1.3 地震及場地

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范，大田縣抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。建筑場地類別為Ⅱ類，設計特征周期值0.35 s。

1.4 地下水及腐蝕性

場地地下水類型主要有賦存于填土中的上層滯水，為弱～中等透水層，弱富水性；賦存于粉質粘土中的孔隙水，為弱透水層；賦存于風化巖中滲透性大多為壓性閉合裂隙，為中等透水層，中等富水性，但不排除局部張性裂隙發(fā)育、水量豐富的可能性。地下水主要接受大氣降水和相鄰含水層的側向補給，地下水受季節(jié)性控制，天然條件下，地下水總體由北向南滲流、排泄。Ⅱ類環(huán)境下，地下水對混凝土結構有弱腐蝕性，干濕交替情況下對鋼筋混凝土的鋼筋有微腐蝕性，長期浸水情況下對鋼筋混凝土的鋼筋有微腐蝕性，按地層滲透性水對混凝土結構有微腐蝕性；場地土對混凝土結構有弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性，對鋼結構有弱腐蝕性，按地層滲透性土對混凝土結構有微腐蝕性。

2 基礎方案設計選型

光伏支架是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中為了擺放、安裝、固定太陽電池板而使用的特殊支架。光伏支架的形式種類多樣，工程使用數(shù)量龐大，合理選用結構安全、經(jīng)濟可靠的支架基礎型式對整個工程都有很大影響，因此必須引起足夠重視。目前，廣泛應用的光伏支架基礎型式主要有螺旋鋼管樁、鋼筋混凝土灌注樁、鋼管地錨樁基礎、鋼筋混凝土獨立基礎及鋼筋混凝土條形基礎等[3，4]。

由于光伏板及其上部支架均為輕型結構，根據(jù)上部荷載及支架整體建模計算可知基礎設計主要控制荷載為由風荷載產(chǎn)生的上拔力。本工程要求單個光伏板支架柱基礎抗拔力不小于10 kN。

2.1 螺旋鋼管樁基礎

螺旋鋼管樁是在鋼制地錨鋼管上以一定螺距、傾角焊接一定數(shù)量和直徑的葉片，形成螺旋型樁體。根據(jù)有無外伸葉片和葉片的連續(xù)性，螺旋鋼管樁可分為無外伸葉片、連續(xù)螺旋葉片、間斷雙層螺旋葉片、間斷多層螺旋葉片鋼管樁。

其優(yōu)點有：螺旋鋼管樁在工廠內(nèi)預制完成，施工現(xiàn)場樁機植樁操作靈活、定位準確，且打樁完成后無需拆模養(yǎng)護等工序，直接可進行支架及組件的安裝，工序銜接合理緊湊，施工效率高；不受季節(jié)限制，無需水源，施工噪聲低；樁身鋼制材料可重復使用，可拆除可移動性強；電站拆除后，能迅速恢復植被或作為其他建筑用地，不破壞土壤，環(huán)保性能好。

其缺點有：因直接與地基土接觸，防腐性能對地基土腐蝕性較敏感，樁身價格偏高；由于鋼管壁厚、樁徑及樁身強度的限制，無法適用于巖石、中風化巖、強風化巖、大粒徑卵石等堅硬地層的情況。螺旋鋼管樁示意圖如圖1所示。

2.2 鋼筋混凝土灌注樁基礎

用于光伏支架基礎的鋼筋混凝土灌注樁直徑多為200 mm～400 mm之間，根據(jù)上部支架荷載、巖層分布、樁側巖(土)層摩阻力特征值、凍土層厚度等確定樁身長度。施工工序為鉆孔機成孔完成后，放入鋼筋籠，進行混凝土澆筑，通過現(xiàn)場振動棒密實成樁。

其優(yōu)點有：成孔較為方便，可以根據(jù)地形調整基礎頂面標高，頂標高易控制，混凝土鋼筋用量小，開挖量小，施工快，對原有植被破壞?。贿m用于粘性土、粉土、季節(jié)性凍土、膨脹土、密實砂土、松散～中密碎石土等多種地基土情況。

其缺點有：鉆孔施工工序必須利用鉆孔機進行成孔，鋼筋籠制作綁扎、下孔固定，以及混凝土澆筑及振搗需人工操作，工序繁瑣，施工機械及人力資源投入多；在地基土為細砂、卵石等疏松地層時，轉孔時孔壁容易坍塌，無法成孔，不適于上述土層；灌注后待混凝土完全達到強度后才能進行上部支架安裝，施工工藝相對較復雜、施工速度較鋼管樁更慢。鋼筋混凝土灌注樁如圖2所示。

2.3 鋼管地錨樁基礎

鋼管地錨樁的樁身形狀與鋼筋混凝土灌注樁類似，但受成孔機械限制，樁芯直徑較小，多為130 mm～150 mm之間，樁身成孔深度一般不超過2 m，樁身采用素混凝土澆筑，樁身內(nèi)含鍍鋅鋼管，鋼管埋入基礎一定深度，鋼管下方焊接3根鋼筋伸至樁身底部。

其優(yōu)點有：支架立柱鋼管可以在基礎鋼管里面自由伸縮調整高度，有效解決了山地光伏支架傾角調整要求高、立柱高度調節(jié)不易的問題，對地形變化適應力強，可廣泛應用于低山丘陵、地表障礙物(基巖)出露、局部坡度(高差)變化劇烈等復雜地形區(qū)域；基礎施工采用履帶式液壓潛孔鉆機配合空壓機進行沉孔，穿透力強，可適應強風化砂礫巖、片巖等堅硬地質條件，可施工性強。

其缺點有：同鋼筋混凝土灌注樁一樣，樁身混凝土為現(xiàn)場澆筑，養(yǎng)護周期長；施工過程對區(qū)域植被有一定的破壞，且基礎成形后不易清除，對自然環(huán)境有一定的影響。鋼管地錨樁示意圖如圖3所示。

2.4 鋼筋混凝土獨立基礎及鋼筋混凝土條形基礎

鋼筋混凝土獨立基礎及鋼筋混凝土條形基礎均具有下列缺點：開挖土石方工程量大，挖掘施工難度高，需要放線、基礎開挖、支模、鋼筋籠制作、澆筑、養(yǎng)護、拆模等工序；粗放型施工，基礎的外觀、尺寸、標度等各方面質量管理工作量大，容易發(fā)生基礎精度不夠影響支架的安裝；施工時段受養(yǎng)護環(huán)境和凝固溫度限制大，冬季大雪、過冷天氣、下雨天無法施工；基礎施工開挖和回填難度大、開挖、支模、澆筑和養(yǎng)護時間耗時長，造成基礎成本高；而且電站達到使用壽命后，廢舊水泥與殘余土壤形成混合物，處理難度大，植被恢復周期長。因此，目前新建光伏電站項目已很少采用上述兩種基礎形式。獨立基礎示意圖及條形基礎示意圖如圖4，圖5所示。

2.5 基礎方案分析選型

本工程地勘報告顯示在Ⅱ類環(huán)境下，場地土對鋼結構有弱腐蝕性，且場地局部強風化巖層埋深較淺(最淺處僅1.0 m)，螺旋鋼管樁無法打入該堅硬地層，不適用于本工程；鋼筋混凝土灌注樁和鋼管地錨樁在本項目上均是適用的，但由于混凝土灌注樁在施工便捷和混凝土、鋼筋等材料用量上與鋼管地錨樁相比均處于劣勢，尤其是在本項目場地高低不平的情況下，混凝土灌注樁無法自由調整立柱高度，而鋼管地錨樁很好的解決了上述問題。因此，本項目這樣的建設場地高低不平，且地層堅硬的山地農(nóng)業(yè)光伏支架基礎應選擇鋼管地錨樁基礎。

3 結語

山地農(nóng)業(yè)光伏發(fā)電項目市場前景廣闊，光伏支架基礎工程量大，施工周期長，是光伏電站建設過程中非常關鍵的內(nèi)容和環(huán)節(jié)之一。光伏電站支架基礎選型應以電站所在區(qū)域場地地質條件為切入點，充分考慮不同基礎型式材料及制造、施工方式、建設成本、場地適用情況等因素，綜合選取既滿足結構安全又經(jīng)濟的基礎型式。本文將螺旋鋼管樁、鋼筋混凝土灌注樁及鋼管地錨樁基礎進行方案分析比選，得出了適合山地農(nóng)業(yè)光伏的支架基礎方案，在今后的類似項目中可以推廣使用。

[1] 國家能源局.2014年光伏發(fā)電統(tǒng)計信息[EB/OL].http://www.nea.gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm,2015.

[2] 國家能源局.國家能源局關于下達2015年光伏發(fā)電建設實施方案的通知[EB/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87./201503/t20150318_1891.htm,2015.

[3] 楊 文,田富銀.泰國某光伏發(fā)電示范工程支架基礎選型設計探討[J].低碳世界，2014(22):105-106.

[4] 閆 健,劉健全.大型光伏電站擾動區(qū)支架基礎選型的探討[J].太陽能,2013(23):36-39.

Analysis on mountain agricultural photovoltaic support basic scheme

Xie Wei Wang Yu

(Longyuan(Beijing)SolarEnergyTechnologyLimitedCompany,Beijing100000,China)

Combining with the geographical environment and geotechnical conditions of a mountainous agricultural PV project site, this paper put forward the spiral steel pipe pile, reinforced concrete bored pile and steel pipe pile and other photovoltaic support foundation scheme, through compared the advantages and disadvantages of each scheme, selected the steel pipe anchor pile foundation, made the support foundation achieve both economic and security goal.

photovoltaic power generation, support foundation, steel pipe anchor pile, geographical environment

1009-6825(2017)01-0092-03

2016-10-26

謝 煒(1981- )，男，工程師； 王 雨(1980- )，男，工程師

TM619

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