淺談大同采煤沉陷區(qū)正泰光伏電站支撐結(jié)構(gòu)的選型

鄒福來 張?zhí)煳?郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000）

淺談大同采煤沉陷區(qū)正泰光伏電站支撐結(jié)構(gòu)的選型

鄒福來 張?zhí)煳?郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000）

筆者在負(fù)責(zé)大同采煤地質(zhì)沉陷區(qū)的光伏電站工程建設(shè)過程中，就光伏發(fā)電支撐結(jié)構(gòu)選型總結(jié)了一些思路，與同行共勉，共同提高。

支撐結(jié)構(gòu)；沉陷區(qū)；設(shè)計(jì)

筆者近期在負(fù)責(zé)一個(gè)采煤地質(zhì)沉陷區(qū)的光伏電站工程建設(shè)，剛接到項(xiàng)目的時(shí)候大家都認(rèn)為有風(fēng)險(xiǎn)，甚至風(fēng)險(xiǎn)很大不可控，但真正深入工程設(shè)計(jì)和施工的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)其實(shí)并非那么可怕，還是有章可循的，在本文就淺談一下作者自己的一些設(shè)計(jì)思路，與同行共勉，共同提高。

1.工程概況

大同市太陽能資源豐富，年均太陽能輻射總量5432.8MJ/m2，非常適宜建設(shè)并網(wǎng)發(fā)電電站。為了整合采煤沉陷區(qū)光照、土地、電網(wǎng)等發(fā)展要素，將不利因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩?，拓展產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間，助推新能源示范城市建設(shè)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)良性發(fā)展，大同市發(fā)改委在深入調(diào)查、反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，提出了利用采煤沉陷區(qū)閑置廢棄土地和電網(wǎng)接入等有利條件，發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的設(shè)想。并組織編制了《大同采煤沉陷區(qū)光伏發(fā)電基地規(guī)劃及2015年實(shí)施方案》。2015年6月，大同市采煤沉陷區(qū)國家先進(jìn)技術(shù)光伏示范基地建設(shè)正式獲得國家能源局批復(fù)，成為我國實(shí)施光伏產(chǎn)業(yè)“領(lǐng)跑者計(jì)劃”首個(gè)獲批的基地。本文描述工程規(guī)模為50MW，海拔高度約1260m，其下方大同組煤系地層平均厚191.18m，采空區(qū)主要涉及侏羅系的5個(gè)煤層。

2.地質(zhì)情況

根據(jù)本工程地質(zhì)勘查報(bào)告結(jié)果，光伏場(chǎng)區(qū)地基土自上而下可劃分為4層：

第①層濕陷性粉土（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質(zhì)均勻；混有粉細(xì)砂，夾有零星碎石；無光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)中等，干強(qiáng)度及韌性低。濕陷程度中等～強(qiáng)烈。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)擊數(shù)5.0～9.0擊，平均6.4擊。

第②層粉砂（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質(zhì)均勻；混有粉細(xì)砂，夾有零星碎石。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測(cè)擊數(shù)8.0～12.0擊，平均10.2擊。

第③層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；碎裂狀結(jié)構(gòu)，塊狀層理構(gòu)造，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈破碎狀，屬軟巖；巖石質(zhì)量基本等級(jí)為Ⅴ級(jí)，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD在15～25之間，該層飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度介于10.3MPa～16.9MPa之間，平均12.4MPa。本次勘察部分鉆孔未揭穿該層，最大揭露厚度6.4m。

第④層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；塊狀結(jié)構(gòu)，塊狀層理構(gòu)造，中風(fēng)化，基巖裂隙發(fā)育，巖芯較完整呈短柱狀，柱長10cm～15cm，屬軟巖；巖石質(zhì)量基本等級(jí)為Ⅳ級(jí)，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD在30～45之間，該層飽和狀態(tài)下單軸抗壓強(qiáng)度介于10.6MPa～16.6MPa之間，平均12.4MPa。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（附錄A），大同市南郊區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場(chǎng)址區(qū)屬構(gòu)造基本穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告結(jié)果，該項(xiàng)目擬建區(qū)下方及周圍賦存侏羅系大同組和石炭系太原組煤系地層。侏羅系大同組煤系地層分屬于3個(gè)煤礦：云崗礦、晉華宮礦和同生宏達(dá)礦。

圖1　不同支架類型

圖2　地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間曲線圖

受現(xiàn)有采空區(qū)的沉陷變形影響，項(xiàng)目擬建區(qū)地表還可能產(chǎn)生的下沉值為21mm～753mm，傾斜-5.4～+7.3mm/m，曲率-0.11～+0.06×10-3/m，水平變形-3.2～+2.3mm/m。鑒于該項(xiàng)目建筑特點(diǎn)，擬建區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域地表建筑屬于I級(jí)輕微損壞變形或Ⅱ級(jí)輕度損壞變形，少部分?jǐn)M建區(qū)內(nèi)光伏電站設(shè)備受到Ⅲ級(jí)中度損壞變形。應(yīng)采取一定的抗變形措施，應(yīng)對(duì)新建建筑采取一定的抗變形措施。

3.支撐結(jié)構(gòu)形式

該項(xiàng)目為5個(gè)“領(lǐng)跑者計(jì)劃+新技術(shù)、新模式示范項(xiàng)目”中的一個(gè)，由浙江正泰新能源開發(fā)有限公司負(fù)責(zé)本工程的建設(shè)。根據(jù)政府要求，該項(xiàng)目總共引用了3種支架，包括固定支架、可調(diào)支架和單軸跟蹤支架3種類型，支架現(xiàn)場(chǎng)照片如圖1所示。

4.大同礦區(qū)開采沉陷特點(diǎn)

根據(jù)礦山開采沉陷理論，地下煤層開采結(jié)束以后經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)?shù)乇磉B續(xù)6個(gè)月下沉值不超過30mm時(shí)，可認(rèn)為采空區(qū)地表沉陷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但實(shí)際上由于受多種因素的影響，開采對(duì)地表的影響還未結(jié)束，地表還會(huì)發(fā)生少量的殘余沉降，對(duì)地表建筑物產(chǎn)生不利影響。

受采動(dòng)影響的擬建建筑場(chǎng)地的地表沉陷狀況通常由采煤引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間（地表移動(dòng)期）是指地表移動(dòng)開始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間，分為地表移動(dòng)初始期、活躍期和衰退期3個(gè)階段。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間可根據(jù)地表最大下沉點(diǎn)的下沉與時(shí)間關(guān)系曲線和下沉速度曲線求得。圖2是某礦綜采工作面地表兩測(cè)點(diǎn)的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間曲線圖。

根據(jù)設(shè)計(jì)部門給出的光伏示范基地項(xiàng)目光伏支架等主要建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)容許沉降值，傾斜等指標(biāo)要求，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（2000版）和《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/TD31-03-2011），綜合考慮山西大同市采煤沉陷區(qū)特點(diǎn)，制定了該區(qū)光伏電站光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1　項(xiàng)目光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

5.結(jié)構(gòu)選型思路

（1）固定支架

在傳統(tǒng)固定支架基礎(chǔ)上做了一個(gè)創(chuàng)新，增加了可調(diào)功能，能夠適應(yīng)在預(yù)測(cè)沉降量使用；另外同時(shí)將一個(gè)陣列分成多段，每段長度縮小，由4根立柱支撐，這樣就提高了支架的抵抗變形能力。

（2）手動(dòng)可調(diào)支架

首先，根據(jù)地基穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)論，將手動(dòng)可調(diào)支架排布在適宜性好的區(qū)域。另外，由于手動(dòng)可調(diào)支架采用單排3立柱支撐，主體依靠強(qiáng)度較好的單主梁形式，整體性強(qiáng)。

（3）單軸跟蹤支架

大同項(xiàng)目跟蹤系統(tǒng)由3軸聯(lián)動(dòng)的小型系統(tǒng)組成，中間軸屬于驅(qū)動(dòng)軸，由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，由拉桿帶動(dòng)兩側(cè)2軸運(yùn)動(dòng)。此系統(tǒng)主要針對(duì)山地不平地形設(shè)計(jì)、同時(shí)解決了基礎(chǔ)沉降對(duì)跟蹤器運(yùn)行的影響。

①兩軸基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降差對(duì)系統(tǒng)的影響：由于兩軸之間的拉桿由鉸鏈連接，當(dāng)產(chǎn)生高度差時(shí)，并不影響跟蹤器運(yùn)行。

②同一軸不同支腿基礎(chǔ)由于沉降產(chǎn)生高度差，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。如圖3所示。

圖3　單軸跟蹤支架在地勢(shì)起伏地段示意圖

結(jié)語

在采煤地質(zhì)沉陷區(qū)內(nèi)建設(shè)光伏電站，我們技術(shù)人員的主要任務(wù)是選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)形式。該支撐結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)一定的地基沉降，同時(shí)也要有科學(xué)的沉陷預(yù)測(cè)系統(tǒng)。

提高建構(gòu)筑物的抗變形能力，主要措施有：

許可條件下，構(gòu)筑物長軸應(yīng)平行于地表下沉等值線，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)主體的軸向與煤層走向成斜交布置。

盡量使建（構(gòu)）筑物處于預(yù)測(cè)殘余沉降較均勻和數(shù)值較小區(qū)域，建（構(gòu)）筑物長軸方向應(yīng)盡可能與地表下沉等值線平行。

建筑物體型應(yīng)力求簡單，平面形狀以矩形為宜，避免立面高低起伏。

[1]上海電力設(shè)計(jì)院有限公司.南郊區(qū)馬營洼5萬kW項(xiàng)目可行性研究報(bào)告[R].

[2]煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司.南郊區(qū)馬營洼5萬kW項(xiàng)目地基穩(wěn)定性評(píng)估報(bào)告[R].

[3] GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

TU393

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