陳 源

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

采煤沉陷區(qū)光伏場穩(wěn)定性研究

陳 源

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025)

建設(shè)在采煤沉陷區(qū)的光伏電站，由于其兼具經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的優(yōu)勢，已成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。從光伏電站的工程特點出發(fā)，總結(jié)了其穩(wěn)定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進(jìn)行比較分析，討論了評價沉陷區(qū)光伏場建設(shè)適宜性的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和光伏場對地基穩(wěn)定性的影響，建議了光伏場設(shè)計中的抗采動措施，以期為采煤沉陷區(qū)光伏場的穩(wěn)定性評價和抗采動設(shè)計提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

采煤沉陷區(qū)；光伏場；地基穩(wěn)定性；抗采動變形

近年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，年度新增裝機(jī)容量已躍居全球第一位。隨著市場的日益壯大，光伏發(fā)展的形勢也發(fā)生了一些新的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)的地面荒漠電站雖然建設(shè)條件較好，但由于存在遠(yuǎn)離負(fù)荷中心、遭遇限電等問題，開始逐漸被投資商冷落。而建設(shè)在采煤沉陷區(qū)的光伏電站，由于通常距礦區(qū)周邊城市較近，且能利用不適宜建設(shè)其他建筑物的廢棄土地，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。尤其是在山西大同采煤沉陷區(qū)國家先進(jìn)技術(shù)光伏示范基地等重點項目的帶動下，已成為光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

在采煤沉陷區(qū)上新建光伏電站的穩(wěn)定性問題是論證其可行性的重要依據(jù)?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱“三下采煤規(guī)程”)給出了建筑物壓煤的合理開采與煤柱留設(shè)等問題的設(shè)計原則[1]。國內(nèi)外專家學(xué)者對采空區(qū)沉陷機(jī)理、地面穩(wěn)定性評價、建筑物變形及防護(hù)等問題進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一系列豐碩的成果[2-7]。然而光伏項目由于其自身建設(shè)內(nèi)容的特殊性，往往具有構(gòu)筑物體量小、自重輕、形式簡單等特點，其穩(wěn)定性問題與傳統(tǒng)房屋建筑工程不盡相同，亟待對此進(jìn)行專項研究。

本文從光伏電站的工程特點出發(fā)，總結(jié)了其穩(wěn)定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進(jìn)行比較分析，討論了評價沉陷區(qū)光伏場建設(shè)適宜性的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和光伏場對地基穩(wěn)定性的影響，建議了光伏場設(shè)計中的抗采動措施，以期為采煤沉陷區(qū)光伏場的穩(wěn)定性評價和抗采動設(shè)計提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 光伏場工程特點

光伏電站通常由光伏發(fā)電場和升壓站或開關(guān)站兩部分組成。升壓站或開關(guān)站內(nèi)的建設(shè)內(nèi)容主要為各生產(chǎn)、生活建(構(gòu))筑物，其結(jié)構(gòu)形式、重要性程度等均與普通建筑類似。對其進(jìn)行穩(wěn)定性評價可參考相關(guān)規(guī)范和已有的研究成果。然而，光伏場內(nèi)主要構(gòu)筑物——光伏支架及基礎(chǔ)、逆變器基礎(chǔ)和箱變基礎(chǔ)等，則與之不同，其工程特點可歸納為以下幾點：

(1)體量小

與普通建筑動輒百米以上長寬的體量相比，光伏場主要構(gòu)筑物的體量都相對較小。光伏組件通常以一串或兩串組件為一個單列，其支架南北向?qū)挾群苄?，約為2～3 m，東西向?qū)挾认鄬^長，但也不會超過30 m。逆變器、箱變基礎(chǔ)則更小，常規(guī)的逆變器和箱變的尺寸約為3 m×5 m，且電氣設(shè)備還有趨于尺寸更小的態(tài)勢，與建筑物相比，體量差距很大。

表1 磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級

由于光伏場構(gòu)筑物較小的體量，使得在構(gòu)筑物范圍內(nèi)由于沉陷引起的不均勻沉降、水平位移、曲率等都相對較小。因此，采空區(qū)沉陷對其正常運行的影響也相對較輕。

(2)自重輕

光伏場構(gòu)筑物的自重通常較輕。單塊普通光伏組件的重量不超過30 kg，光伏支架則多采用薄壁冷彎型鋼制作，鋼結(jié)構(gòu)的重量也較輕，經(jīng)計算光伏組件及支架折算到基底的附加應(yīng)力約為20 kPa。逆變器和箱變等電氣設(shè)備的重量也不大，分別不超過2 t和6 t，加上基礎(chǔ)后折算的基底附加應(yīng)力分別為50、80 kPa。較輕的自重使其對采空區(qū)沉陷的影響也相應(yīng)較小。

(3)容許變形能力強(qiáng)

光伏場構(gòu)筑物能容許的地面變形也較一般建筑物大。光伏支架通常為靜定或一次超靜定的鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件節(jié)點則為鉸接或允許部分轉(zhuǎn)動的連接形式。當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生有限的沉降或水平位移時，光伏支架能隨之小幅變形，但仍維持正常工作。即使由于地表急劇變形，導(dǎo)致光伏陣列發(fā)生支架倒塌、電纜斷裂等不可逆破壞，也不易造成重大的人員傷害或財產(chǎn)損失。

逆變器、箱變等電氣設(shè)備及基礎(chǔ)的容許變形能力低于光伏陣列，但仍優(yōu)于一般建筑。由于地表沉陷導(dǎo)致基礎(chǔ)少量開裂時，通常也不會影響電氣設(shè)備正常運行。

2 光伏場建設(shè)適宜性

為評估光伏場建設(shè)的適宜性，需對擬建場地受已有采空區(qū)狀態(tài)影響的地表(殘余)移動與變形進(jìn)行計算與建筑物采動影響分析。“三下采煤規(guī)程”推薦采用概率積分法預(yù)估地表的移動與變形，經(jīng)實踐證明精度基本可靠。

2.1 普通建筑變形限值

“三下采煤規(guī)程”中給了一般建(構(gòu))筑物的允許和極限變形值。當(dāng)?shù)乇碜冃沃敌∮诨虻扔谠撛试S變形值時，壓煤開采一般可不采取專門的加固措施或開采技術(shù)措施。而預(yù)估地表變形值小于該允許變形值時，則可認(rèn)為建設(shè)相應(yīng)建筑物是適宜的。長度或變形縫區(qū)段內(nèi)長度小于20 m 的磚混結(jié)構(gòu)建(構(gòu))筑物損壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，其它結(jié)構(gòu)類型的建(構(gòu))筑物參照表1的規(guī)定執(zhí)行。

2.2 光伏場變形限值

由于光伏場內(nèi)構(gòu)筑物具有體量小、自重輕、容許變形能力強(qiáng)等特點，如按普通構(gòu)筑物的變形限值要求光伏場構(gòu)筑物，則將大幅縮小光伏場的適建范圍，無法發(fā)揮沉陷區(qū)光伏電站利用廢棄土地的優(yōu)勢，造成國土資源的浪費。

表3 逆變器、箱變建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮光伏場構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點和使用功能，參考建筑物的允許變形值規(guī)定，建議光伏組件及支架和逆變器、箱變建設(shè)適宜性的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的處理原則如表2、表3所示[8]。

表2 光伏組件及支架建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

3 光伏場對地基穩(wěn)定性的影響

當(dāng)?shù)乇戆肽昀塾嬒鲁亮啃∮?0 mm，此時地表已趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)在此采空區(qū)地表不進(jìn)行大規(guī)模工程建設(shè)時，地表會一直保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。但若在此采空區(qū)上地表新建建(構(gòu))筑物，由于新建建(構(gòu))筑物的荷載向地下有一定影響深度，當(dāng)這個深度與地下采空區(qū)的垮落帶、斷裂帶相交疊時，就會破壞垮落斷裂帶業(yè)已平衡狀態(tài)，引起采空區(qū)活化，而使覆巖重新發(fā)生移動變形。

3.1 沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性

地下開采引起的上覆巖層移動和破壞，改變了上覆巖土層的工程地質(zhì)性質(zhì)，形成了采空區(qū)地基工程地質(zhì)條件。根據(jù)礦山開采沉陷理論，煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶[9]。如圖1所示。

圖1 采空區(qū)上覆巖層破壞分帶

在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產(chǎn)生斷裂、離層、裂縫，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結(jié)構(gòu)破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經(jīng)多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度明顯低于原巖的強(qiáng)度。如果新建建(構(gòu))筑物荷載傳遞到這兩帶(合稱垮落斷裂帶)，在附加荷載作用下會進(jìn)一步引起沉降和變形，甚至造成建(構(gòu))筑物的破壞，影響其使用。

因此，評估新建光伏場對地基穩(wěn)定性的影響需要分別計算擬建場址的垮落斷裂帶發(fā)育高度和光伏場主要構(gòu)筑物的附加荷載影響深度。前者可通過規(guī)范推薦的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，后者的估算則將在下文詳細(xì)論述。

3.2 光伏場附加荷載影響深度

建(構(gòu))筑物的建造使地基土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，建(構(gòu))筑物荷載的影響深度隨荷重的增加而增大。一般情況當(dāng)?shù)鼗薪ㄖ奢d產(chǎn)生的附加應(yīng)力等于相應(yīng)位置處地的自重應(yīng)力的20%時，即可以認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處地基產(chǎn)生的影響可忽略不計。但當(dāng)其下方有高壓縮性土或別的不穩(wěn)定性因素，如采空區(qū)垮落、斷裂帶時，則應(yīng)計算附加應(yīng)力直至地基自重應(yīng)力的10%處，方可認(rèn)為附加應(yīng)力對該深度處的地基不產(chǎn)生多大影響。該深度即為建(構(gòu))筑物荷載影響深度。

根據(jù)常規(guī)光伏場的基本情況，可估算出其主要構(gòu)筑物的附加荷載影響深度如表4所示。

表4 光伏場主要構(gòu)筑物的附加荷載影響深度

由表4可以看出，光伏場主要構(gòu)筑物的最大附加荷載影響深度為13 m小于一般建筑的附加荷載影響深度(約30 m)。因此，可以推斷新建光伏場對沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)小于常規(guī)建筑物。通過將表4所列出的附加荷載影響深度與擬建場址的垮落斷裂帶發(fā)育高度進(jìn)行比較，則可判斷新建光伏場會否破壞沉陷區(qū)的穩(wěn)定性以及地表再次發(fā)生較大不均勻沉降的可能性。

4 光伏場抗采動變形設(shè)計

擬建場地經(jīng)沉陷穩(wěn)定性評價合格后，可以開展光伏項目的建設(shè)工作。但仍建議對光伏場內(nèi)構(gòu)筑物進(jìn)行抗采動變形設(shè)計，進(jìn)一步確保光伏場的安全運營。光伏場抗采動變形設(shè)計依照“調(diào)”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均勻沉陷的影響。

4.1 調(diào)

根據(jù)擬建場地的適宜性分區(qū)結(jié)果，合理進(jìn)行光伏場布置。A區(qū)場地的穩(wěn)定性較好，優(yōu)先布置逆變器、箱變等相對重要的構(gòu)筑物。B區(qū)場地的穩(wěn)定性中等，適宜布置光伏陣列，如受客觀條件制約也可作為逆變器、箱變的建設(shè)用地。推薦采用組串式逆變器取代集中式逆變器，以提高光伏系統(tǒng)的可靠度。

逆變器和箱變距離較近，其間有低壓交流

電纜相連。如兩者間發(fā)生較大沉降差，則存在損壞電纜、影響整個光伏方陣出力的風(fēng)險。因此建議優(yōu)化設(shè)計逆變器和箱變的基礎(chǔ)，盡可能保證兩者基底附加應(yīng)力一致。其基礎(chǔ)底部還可設(shè)置碎石褥墊層，降低基礎(chǔ)范圍內(nèi)不均勻沉降的影響。

4.2 抗

逆變器和箱變基礎(chǔ)應(yīng)采用整體性較好的現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)，并配置適量的抗裂鋼筋，以抵抗不均勻沉陷引起的裂縫，確?；A(chǔ)的整體性，降低對上部電氣設(shè)備的影響。不建議電氣設(shè)備基礎(chǔ)采用砌體結(jié)構(gòu)。

4.3 放

光伏支架和基礎(chǔ)則主要按照“放”的原則設(shè)計。光伏支架采用靜定結(jié)構(gòu)，能隨有限的地表沉陷而發(fā)生相應(yīng)變形，并仍保持穩(wěn)定，避免不均勻沉降引起的內(nèi)部附加應(yīng)力。盡可能使用短單列或在長單列中設(shè)置沉降縫，允許單列間位移，避免沉陷損壞組件。支架基礎(chǔ)采用螺旋鋼管樁或鉆孔灌注樁，與地表變形保持一致。光伏系統(tǒng)各部分電纜均留有適當(dāng)裕度，且能在小范圍內(nèi)滑動，避免不均勻沉陷損傷電纜。

除此以外，還應(yīng)在光伏場及周邊設(shè)置地表和建筑物沉降觀測點，定期觀測，獲取地表沉陷的變化規(guī)律和發(fā)展趨勢，如遇異常沉降等突發(fā)情況，及時采取安全措施。

5 結(jié)語

本文從光伏電站的工程特點出發(fā)，總結(jié)了其穩(wěn)定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進(jìn)行比較，討論了評價沉陷區(qū)光伏場建設(shè)適宜性的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)和光伏場對地基穩(wěn)定性的影響，建議了光伏場設(shè)計中的抗采動措施，得到了以下有意義的結(jié)論。

(1)光伏場內(nèi)主要構(gòu)筑物具有體量小、自重輕、容許變形能力強(qiáng)等特點，，其穩(wěn)定性問題與傳統(tǒng)房屋建筑工程不盡相同，需要對此進(jìn)行專項研究。

(2)綜合考慮光伏場構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特點和使用功能，參考建筑物的允許變形值規(guī)定，建議了光伏組件及支架和逆變器、箱變建設(shè)適宜性的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的處理原則。

(3)光伏場主要構(gòu)筑物的最大附加荷載影響深度為13m小于一般建筑的附加荷載影響深度。新建光伏場對沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)小于常規(guī)建筑物。

(4)光伏場抗采動變形設(shè)計應(yīng)依照“調(diào)”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均勻沉陷的影響，進(jìn)一步確保光伏場的安全運營。

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[9]何國清, 楊 倫，等. 礦山開采沉陷學(xué)[M].北京: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1991.

(本文編輯：嚴(yán) 加)

電力簡訊

IEC“分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)”國際標(biāo)準(zhǔn)完成編制并獲批通過

2009年以來，國家電網(wǎng)公司代表中國主導(dǎo)成立4個IEC新技術(shù)委員會，其中3個承擔(dān)秘書處，1個擔(dān)任主席職位；主導(dǎo)成立系統(tǒng)評估組1個；主導(dǎo)制定并發(fā)布IEC白皮書3項；在IEC立項國際標(biāo)準(zhǔn)28項，占同期中國在IEC立項標(biāo)準(zhǔn)的23%，主導(dǎo)完成編制IEC標(biāo)準(zhǔn)12項，占同期中國在IEC主導(dǎo)完成編制的19%；在IEEE立項國際標(biāo)準(zhǔn)8項，完成編制并發(fā)布6項；在CIGRE立項工作組11個，完成報告編制并發(fā)布1項。

2016年，國家電網(wǎng)公司主導(dǎo)制定并完成IEC《全球能源互聯(lián)網(wǎng)》白皮書，新發(fā)起并立項IEC標(biāo)準(zhǔn)2項，主導(dǎo)制定并發(fā)布IEC標(biāo)準(zhǔn)6項，主導(dǎo)完成待出版IEC標(biāo)準(zhǔn)1項，主導(dǎo)制定并發(fā)布電氣與電子工程師學(xué)會(IEEE)標(biāo)準(zhǔn)1項，主導(dǎo)成立國際大電網(wǎng)委員會(CIGRE)新工作組4個。

2016年由國家電網(wǎng)公司牽頭編制的國際電工委員會(IEC)標(biāo)準(zhǔn)“分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)” 獲得批準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)于2012年2月由公司代表中國向IECTC8(電能供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)委員會)發(fā)起立項，中國、德國、意大利、法國、丹麥、加拿大、澳大利亞、日本等國家的專家參與了標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。

“分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)”標(biāo)準(zhǔn)作為分布式電源連接到配電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，力求滿足分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)的規(guī)劃、設(shè)計、并網(wǎng)、運行等需求，內(nèi)容涵蓋了總體要求、并網(wǎng)方案、開關(guān)選擇、正常運行范圍、抗擾動能力、有功無功響應(yīng)、電能質(zhì)量、接口保護(hù)、檢測控制和通信等各個方面。

標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過四年多的編制，“分布式電源與電網(wǎng)互聯(lián)”填補(bǔ)了IEC分布式電源并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的空白，增強(qiáng)了公司在IEC并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的影響力，將為引導(dǎo)世界范圍內(nèi)分布式電源與電網(wǎng)優(yōu)化互動技術(shù)應(yīng)用、助力中國“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源行動計劃發(fā)揮重要作用。

(本刊訊)

PV Station Stability in Coal-Mining Subsidence Area

CHEN Yuan

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

The PV station built in coal-mining subsidence area, which has the advantage in both economic benefit and social influence, has become one of the most important mode of PV industry development in China. In this paper, the difference of stability problem between PV station and other projects was summarized based on the characteristic of PV station. After comparing with other ordinary building projects, the evaluation criterion of construction suitability was discussed. In order to provide useful guidance to resist mining deformation, some available measures in PV station design were proposed.

coal-mining subsidence area; PV station; foundation stability; mining deformation resisting.

10.11973/dlyny201606023

陳 源(1988)，男，碩士，工程師，從事新能源發(fā)電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TM615

B

2095-1256(2016)06-0771-05

2016-10-13