談山西境內(nèi)光伏電站的巖土勘察特點和方法

張 偉 時

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

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談山西境內(nèi)光伏電站的巖土勘察特點和方法

張 偉 時

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西 太原 030001)

介紹了山西境內(nèi)光伏電站巖土勘察前資料搜集的主要內(nèi)容，從地質(zhì)調(diào)繪、勘探和取樣、原位測試、室內(nèi)試驗等方面，闡述了現(xiàn)場勘察的方法，為光伏電站的巖土勘察工作積累了經(jīng)驗。

光伏電站，巖土工程勘察，地質(zhì)調(diào)繪，原位測試

0 引言

近年來，光伏發(fā)電作為可再生的新興能源受到國家和地方的重視，由于其建設(shè)條件受制約的因素少，建設(shè)速度快，甚至作為一種扶貧項目進行推廣。而光伏電站的巖土工程勘察目前基本上是執(zhí)行GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)。該規(guī)范對于光伏場地的勘察有很大的局限性，且在勘察施工中的可操作性不強。作為一項發(fā)電站廠區(qū)的巖土勘察項目，由于其具有占地范圍廣、上部結(jié)構(gòu)荷載輕、基礎(chǔ)埋深淺及勘察施工周期短等特點，因此在勘察方法手段和工作量的布置方面與傳統(tǒng)的火電又有著很大的差別。

首先，光伏電站的占地面積大，以30 MW為例，達0.3 km2，而在山區(qū)實際的覆蓋范圍達1.5 km2，光伏板的設(shè)置需要在光照相對充足的方向；第二，上部結(jié)構(gòu)輕，據(jù)相關(guān)資料，上部結(jié)構(gòu)荷載一般1.2 kN/m2，加上可變荷載其總荷載一般不大于3.5 kN/m2，遠小于一般的工業(yè)級民用建筑物；第三，基礎(chǔ)底面埋深一般小于2.0 m，由于光伏組件支架對地基的下壓荷載小，主要考慮基礎(chǔ)的上拔和抗傾覆作用。

作者根據(jù)近年來諸多光伏電站項目勘察工作，對山西光伏電站勘察特點及方法進行一個簡單的表述。

1 資料搜集

由于光伏場地占地面積大，而國家對建設(shè)用地的控制越來越緊，各地的開發(fā)高技術(shù)開發(fā)區(qū)及工業(yè)規(guī)劃區(qū)基本上不包括光伏電站的占地，因此，光伏場地的選址多位于濕陷性黃土地區(qū)、煤礦采空區(qū)、礦山排土場等巖土工程條件較差的地段。場地的資料收集是光伏場地勘察中十分重要的工作。

1)礦區(qū)的資料。山西素有“煤鐵之鄉(xiāng)”之稱，煤層的分布區(qū)域幾乎占了全省總面積的2/3，煤層開采后形成的采空區(qū)將導(dǎo)致地表的嚴重變形，對光伏組件基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有極大的影響。對特定采空區(qū)區(qū)域進行穩(wěn)定性評價是一項復(fù)雜、細致且周期較長的工作，而光伏場地勘察周期短的特點則要求我們主要依靠搜集到的資料去完成。按照GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范，采空區(qū)場地工程建設(shè)適宜性評價可采用工程類比法、采空區(qū)特征判別法、活化影響因素分析法和地表剩余變形判別法等方法。搜集和調(diào)查場地地下煤層的分布和開采情況是最主要的內(nèi)容。煤層的空間分布，如頂板埋深、頂板巖性、煤層厚度、煤層數(shù)量、煤層產(chǎn)狀、煤層所在地層(山西的可采煤層在北部以侏羅系、中部及南部以石炭系地層為主)以及煤層的開采規(guī)劃、開采方式、開采年代、采厚比、采空區(qū)的地表變形特征及發(fā)展趨勢地表移動變形值等。多年的沉降觀測資料也是判定場地穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一。

除煤礦礦區(qū)外，山西的鐵礦也分布廣泛。山西的鐵礦一般分為兩種，一種是位于石炭系底部的風(fēng)化式沉積鐵礦，另一種是前寒武紀的變質(zhì)鐵礦。風(fēng)化式鐵礦多伴有鋁土礦，礦區(qū)分布范圍廣，但規(guī)模一般較小，多為露天開采，少數(shù)為礦洞開采；變質(zhì)鐵礦分布范圍相對較小，但規(guī)模較大，開采方式為露天開采。對于鐵礦區(qū)的資料搜集主要應(yīng)掌握其礦區(qū)分布范圍，可以避開即可。

除上述兩種主要礦產(chǎn)之外，采石場也是勘察階段需要調(diào)查和資料搜集的內(nèi)容。山西的采石場主要分布于變質(zhì)巖、巖漿巖和石灰?guī)r分布區(qū)。采石場的規(guī)模一般較小，但分布廣泛。開采方式多為露天開采。采石場對光伏場地的隱患主要是露天爆破。因此，采石場的調(diào)查不僅要通過現(xiàn)場踏勘更要搜集其相關(guān)的合法的采區(qū)范圍和開采手續(xù)。

其他礦種的分布范圍和規(guī)模相對較小，涉及光伏場地的地段也應(yīng)進行必要的資料搜集工作。

2)礦山排土場和發(fā)電廠貯灰場。排土場的填土厚度從十幾米到上百米不等，作為布置光伏組件的場地，應(yīng)充分調(diào)查排土場堆積物的組成、厚度、堆積年限等；發(fā)電廠貯灰場場地主要由粉煤灰組成，其堆積厚度、堆積年限也應(yīng)通過資料搜集取得。

3)當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗。目前山西境內(nèi)的高壓輸電線路網(wǎng)密布，加上發(fā)電廠、變電站眾多，新建光伏場地常常與已建線路位于同一地貌單元，地基土類別、地基土工程性質(zhì)及空間分布類似，特別是黃土分布的地區(qū)，可以通過對其他工程項目資料的搜集定性甚至定量的評價新建線路的桿塔地基土的性質(zhì)和參數(shù)。當(dāng)然除電力工程以外的其他工業(yè)、民用項目的建設(shè)經(jīng)驗同樣有參考價值。

2 現(xiàn)場勘察

1)地質(zhì)調(diào)繪。

對于各級復(fù)雜等級的光伏場地，地質(zhì)調(diào)查與測繪是最主要的手段之一。目的是查明場地內(nèi)的微地形地貌、地層巖性組成、地層的產(chǎn)狀及空間分布、地質(zhì)構(gòu)造及是否存在不良地質(zhì)現(xiàn)象等，為場地的穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。

山西位于中國黃土高原的東部，黃土廣泛分布于呂梁山和太行山的山前、山間黃土丘陵區(qū)及汾河谷地的高階地。山西的黃土地區(qū)受風(fēng)化剝蝕嚴重，往往是沖溝、落水洞等不良地質(zhì)作用發(fā)育，邊坡陡峭、地形破碎，首先應(yīng)須確定的是光伏組件場地的地質(zhì)穩(wěn)定性。由于光伏組件等上部結(jié)構(gòu)的荷載較小，基礎(chǔ)埋深淺，勘探深度一般小于10.0 m，對于基巖出露廣泛的場地，應(yīng)充分調(diào)查巖石的巖性、產(chǎn)狀、巖石節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、巖石的完整性、強風(fēng)化層的厚度等；在黃土地區(qū)，查明黃土的地質(zhì)年代、空間分布和厚度。通過現(xiàn)場的地質(zhì)測繪，進行工程地質(zhì)條件分區(qū)，測繪成果作為勘察的基礎(chǔ)信息反映在相應(yīng)的圖件里，為光伏場地類別的判定和地基基礎(chǔ)設(shè)計選型提供依據(jù)。

2)勘探和取樣。

由于光伏組件的荷載較小，基礎(chǔ)埋深淺，占地面積大，但上部結(jié)構(gòu)單一，地基基礎(chǔ)設(shè)計在地基類型類似的情況下也盡可能一致，以簡化施工工藝，易于質(zhì)量控制，降低工程造價，因此定性的劃分出地基土的組成和空間分布、提供場地內(nèi)主要的地基持力層和下臥層的物理力學(xué)指標是主要目的。就常規(guī)的勘測手段來看，鉆探工作主要針對場地相對平坦、地下水水位埋深較淺的地段，如山西北部的大同、朔州一帶鹽漬土發(fā)育地區(qū)。由于主要是針對淺部土層，因而大多可以采用輕便鉆探；鉆探也適用于人工填土形成的場地，如礦山排土場和發(fā)電廠貯灰場等。在同一地貌單元，勘探點可依據(jù)地層的復(fù)雜程度有針對性的布置，間距100 m～200 m或者更大，同樣勘探線間距150 m～300 m或更大；而探井一般布置于黃土地區(qū)，同一地貌單元，可安排2個～4個勘探點。按照設(shè)計要求，濕陷性黃土地基，需全部或部分消除濕陷性。其中，Ⅰ級非自重濕陷性土層一般不做處理，其他的Ⅱ級及以上的自重或非自重濕陷性黃土處理深度一般1.0 m～3.0 m，常用的處理方式為采用人工地基，做短樁基礎(chǔ)。因此，對于非軟土地段，勘探點的深度一般為5.0 m～8.0 m；在完全由巖石組成的光伏場地，只要不存在斷層、滑坡等可能產(chǎn)生不良地質(zhì)作用的情況，可不布置勘探點，通過現(xiàn)場工程地質(zhì)測繪即可滿足勘察要求。

山西省境內(nèi)的光伏電站，一般都位于低中山區(qū)及山前黃土丘陵，也有少數(shù)位于煤礦的采煤沉陷區(qū)(如陽泉光伏發(fā)電示范區(qū))或礦區(qū)排土場和發(fā)電廠的貯灰場。對于巖石地基，其工程性質(zhì)基本滿足光伏組件支架天然巖基的要求，可直接采用經(jīng)驗值；黃土地基則可通過人工探井取原狀土樣，并進行土工試驗獲得巖土參數(shù)；而鉆探取原狀土樣主要針對地下水埋深較淺的場地。排土場和貯灰場等人工填土場地一般取擾動土樣進行室內(nèi)試驗。

3)原位測試。

眾所周知，光伏組件基礎(chǔ)具有荷載小、埋深淺的特點。在工程實踐中，我們認為相對適合的且可操作性較強的原位測試項目一般為輕型動力觸探、標準貫入試驗和靜力觸探，其中輕型動力觸探、標準貫入試驗適合于一般粘性土、黃土、人工填土等場地；靜力觸探一般適用于軟土場地，而且還可以考慮增加十字板剪切試驗。當(dāng)然，原位測試成果的應(yīng)用還應(yīng)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，綜合分析，為地基基礎(chǔ)設(shè)計提供合理的參數(shù)。

4)室內(nèi)試驗。

原狀土樣一般用于土的常規(guī)物理力學(xué)試驗，除此之外，黃土地區(qū)的人工探井土樣還需進行濕陷性試驗；擾動土則以擊實試驗為主，必要時進行顆粒分析，如地基土地震液化判定所需。

對于土的腐蝕性評價應(yīng)按照GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)進行。根據(jù)多年黃土地區(qū)的勘察經(jīng)驗，黃土對建筑材料均為微腐蝕，因此在沒有外來污染源的情況下，可不取樣進行腐蝕性分析；而對于地勢低洼的鹽堿場地、曾經(jīng)受礦井及其他工業(yè)污水排水影響的場地土層則應(yīng)取樣分析。光伏支架基礎(chǔ)位于水中時，應(yīng)取水樣進行腐蝕性分析。

3 結(jié)語

1)山西省內(nèi)已建的光伏電站多位于中低山和黃土丘陵區(qū)，場地的工程地質(zhì)條件相對較好，巖土工程勘察方法一般以資料搜集工程地質(zhì)調(diào)查、測繪為主，按照地貌單元布置少量的勘探點，如輕便鉆探和井探作為輔助手段，基本滿足光伏組件地基基礎(chǔ)的設(shè)計要求。

2)對位于煤礦采空區(qū)的光伏場地，應(yīng)當(dāng)充分搜集礦區(qū)資料，包括采空區(qū)類型、開采方式及頂板管理方式、終采時間、地表移動變形特征、煤層采厚比等，定性、定量相結(jié)合的方法評價場地的穩(wěn)定性和適宜性。

3)位于礦山排土場和發(fā)電廠貯灰場的光伏電站場地的勘察方法以鉆探為主，現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查和測繪及資料搜集作為輔助手段。

4)現(xiàn)場勘探點的間距宜根據(jù)場地的復(fù)雜程度確定，以能夠定性的查明場地的地基土類別和空間分布為準，勘探點的深度應(yīng)滿足提供地基持力層和下臥層的設(shè)計所需的巖土參數(shù)為限。

[1] GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].

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

[3] 周 穎.光伏電站支架及基礎(chǔ)設(shè)計[J].中國科技信息，2014(21)：87-88.

Discussion on the characterstics and methods of geotechnical investigation of photovoltaic power station in Shanxi

Zhang Weishi

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The thesis introduces main data collecting contents before photovoltaic power station geotechnical survey within Shanxi province, and describes in-situ surveying methods from aspects of geological prospecting, exploration and sampling, in-situ test and indoor test, which has accumulated experiences for geotechnical survey of photovoltaic power station.

photovoltaic power station, geotechnical engineering survey, geological prospecting, in-situ test

1009-6825(2017)14-0047-02

2017-03-03

張偉時(1958- )，男，高級工程師

P624

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