季節(jié)性凍土地區(qū)光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計分析

摘要：就目前來說，光伏設(shè)計作為現(xiàn)階段應用最廣泛的科學化技術(shù)之一，其不僅可以將太陽能進行數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)化為電能，并且其還在一定程度上節(jié)約了我國現(xiàn)有的資源，使其太陽能資源的功能發(fā)揮到了極致。與此同時，在發(fā)展光伏發(fā)電的同時，太陽能光伏支架也在我國眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，其主要是為了擺放安裝太陽能面板設(shè)計的特殊支架。而我國季節(jié)性凍土地區(qū)由于其自身光照相對充足，因此太陽能資源相對豐富，從而有利于光伏支架的擺放、安裝與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性凍土地區(qū);光伏支架;基礎(chǔ)設(shè)計

一、引言

就目前來說，我國季節(jié)性凍土地區(qū)的光照相對充足，因而在該地發(fā)展光伏支架設(shè)計是符合自然與資源相關(guān)要求的。因此，基于該特點，我國很多光伏發(fā)電工程區(qū)都對光伏支架進行了基礎(chǔ)性的設(shè)計與改造。具體來說，由于該地區(qū)太陽能光伏支架的基礎(chǔ)設(shè)計主要有預制樁，鉆孔灌注以及獨立設(shè)計、鋼螺旋基礎(chǔ)等。因此，具體的設(shè)計方法應是也該地區(qū)的基本特點與現(xiàn)狀為參考，從而找到更適合該地設(shè)計的方案之一。與此同時，對于已建成的光伏設(shè)計，應以現(xiàn)在的實際情況對其進行改造并針對已經(jīng)對地表產(chǎn)生破壞等的支架類型進行再次改造，以此來解決現(xiàn)有的支架問題，從而在控制成本，節(jié)約設(shè)計支出的同時，對季節(jié)性凍土地區(qū)進行全方位的光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計。

二、適用于季節(jié)性凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)分析

對于在季節(jié)性凍土地區(qū)進行光伏支架的基礎(chǔ)設(shè)計與建造，其基礎(chǔ)作用是為了支撐與連接光伏支架及組件，從而通過螺栓或壓塊來實現(xiàn)光伏支架與組件之間的有效連接。就目前來說，其最主要的光伏支架基礎(chǔ)形式，主要可以涵蓋為：混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土條形基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁基礎(chǔ)、混凝土樁基礎(chǔ)、預應力混凝土管樁（PHC）基礎(chǔ)以及微孔灌注樁基礎(chǔ)。在選擇光伏支架時，要以該地區(qū)的實際特點與現(xiàn)狀為依據(jù)，并結(jié)合季節(jié)性凍土地區(qū)的氣候與地質(zhì)特點進行合理化的選擇。

對于季節(jié)性凍土地區(qū)來說，其主要有以下氣候與地質(zhì)特點。首先，該地區(qū)的冬季氣溫較低且常年最低溫度都在 -20℃ 。其次，該地區(qū)的土土質(zhì)主要為黏土、粉質(zhì)黏土等強凍脹土或特強凍脹土。最后，由于該地區(qū)的地下水位較高，且地下水含量較多。因此，在地下水較多且水位較高的同時，對于要實行澆筑混凝土的光伏支架建造難度較大，加之該地區(qū)的冬季氣溫常年在-20℃，因此混凝土的澆筑質(zhì)量令人擔憂。為此，結(jié)合各個光伏支架的形式與特點，選擇最合適且性價比最高的光伏支架，是現(xiàn)階段發(fā)展該地區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)的首要任務。相較于幾種光伏支架的基礎(chǔ)形式，不難看出，混凝土條帶基礎(chǔ)更適合于場地平坦、地下水位低的地區(qū)（如沙漠）。在凍土地區(qū)，該基礎(chǔ)容易出現(xiàn)不均勻隆起和傾斜。螺旋鋼管樁基礎(chǔ)造價高，不適用于強腐蝕環(huán)境和液體淤泥土。綜上所述，在凍土地質(zhì)條件下，考慮到經(jīng)濟和施工方便，在必要減小樁長以防止凍脹的前提下，PHC地基是較為合適的光伏支護基礎(chǔ)。

三、有關(guān)季節(jié)性凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計方案

季節(jié)性凍土區(qū)太陽能光伏支撐基礎(chǔ)為薄壁開敞式鋼樁，結(jié)構(gòu)對稱，截面呈“若干”型。鋼樁截面由上至下依次分為上水平段、豎向段、彎曲段和下水平段，彎曲段和下水平段向外延伸。鋼樁由靜態(tài)樁壓機垂直壓入地層，通過季節(jié)凍結(jié)區(qū)活動層固定到融化土層，相鄰的鋼樁采用槽鋼將各臺段連接為一個整體。具體來說，首先，必須保證鋼樁是鋼板或帶鋼在冷態(tài)彎曲形成的。鋼樁截面上水平段寬度50～100毫米，下水平段寬度30～60毫米，下彎曲段彎角100～110°。其次，鋼樁壁厚3～5毫米，長度1.5～6米，高度90～110毫米，鋼樁相鄰間距2.5～3米的厚度。最后，鋼樁季節(jié)凍結(jié)區(qū)活動層H2厚度為現(xiàn)場最大凍結(jié)深度，融化段長度為現(xiàn)場最大凍結(jié)深度的1～1.5倍。表面段長度H1為300～500毫米。最后對鋼樁整體表面進行防腐處理，對季節(jié)性凍結(jié)區(qū)活動層表面進行拋光處理，對融化土層表面進行噴砂處理。

四、凍土地質(zhì)條件下PHC基礎(chǔ)的受力分析與解決對策

（一）受力分析

基于該地區(qū)的凍脹力作用與影響，樁長方向的PHC基礎(chǔ)主要承擔永久荷載（上部支座自重、構(gòu)件自重、PHC自重等）、凍土切向凍脹力、凍土下土體對PHC的錨固力。從受力分析來看，在凍脹性強或特強地區(qū)，最大凍脹深度較深時，依靠PHC錨固來避免不均勻凍脹是不經(jīng)濟的。

（二）防止PHC基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施

1.防止PHC基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的主要措施

減少樁上的切向脹形力對于防止PHC基的脹形至關(guān)重要?？刹扇〈胧?，在設(shè)計凍結(jié)深度范圍內(nèi)，防止ph值基礎(chǔ)與非常強的永久凍土直接接觸，以減少永久凍土相對于樁的切向脹形力。在實踐中，人們發(fā)現(xiàn)，在永久凍土層中，將樁周圍的隆起的冰砂作為絕緣層進行充填，可以降低膨脹力。

2.其他解決PHC基礎(chǔ)不均勻凍脹抬升的措施

采用底漆孔回填粗砂和瀝青涂覆的防凍脹措施，可基本解決PHC地基隆起不均勻的問題。但在一些地質(zhì)變化較大的地區(qū)，PHC仍有少量不均勻的凍脹和隆起，這將導致支架和構(gòu)件的變形。這種問題可以通過減少每組支架的PHC底座數(shù)量和使用可調(diào)高度的支架來解決。

五、結(jié)語

總而言之，對于季節(jié)性凍土地區(qū)的光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計，是符合于現(xiàn)階段自然與我國能源資源相對匱乏現(xiàn)狀的重要舉措之一，其更好地利用了當?shù)氐臍夂?、地質(zhì)特點，選擇了最合適的光伏支架形式，并對其進行了合理化的設(shè)計與布局，旨在從根本上促進該地區(qū)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)化、良性發(fā)展。

參考文獻：

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[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2017（10）：336-337.

作者簡介： 許金亞，南京中核能源工程有限公司。