環(huán)境條件對光伏支架基礎(chǔ)形式的影響及應(yīng)對策略

文/劉敏華

太陽能是資源豐富、分布廣泛、開發(fā)潛力巨大但已開發(fā)比例最低的可再生能源。中國太陽能資源豐富，十分適合發(fā)展光伏發(fā)電。2013年我國能源局下發(fā)《關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，根據(jù)各地太陽能資源條件和建設(shè)成本，將全國分為三類太陽能資源區(qū)。Ⅰ類資源區(qū)主要集中在西北部，土地以未利用荒漠、戈壁、退化草場為主，土地成本相對較低，但電力負(fù)荷低存在限電可能性。Ⅲ類資源區(qū)主要在東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，電力消納能力強(qiáng)，但土地資源稀缺，可用于開發(fā)光伏電站的大面積土地少，土地成本高。中部廣闊地帶為Ⅱ類資源區(qū)，其土地成本與電力消納能力均有相應(yīng)優(yōu)勢，是大規(guī)模光伏發(fā)電項目的優(yōu)選之地。

雖然Ⅱ類資源區(qū)分布區(qū)域最廣，經(jīng)緯度跨度較大，但其大部分區(qū)域主要位于我國北緯35o之北，具有獨特的氣候環(huán)境和地質(zhì)條件。鑒于光伏陣列支架基礎(chǔ)是光伏發(fā)電項目最基本的，也是數(shù)量最多的土建構(gòu)件，在這樣的條件下如何選擇合理的設(shè)計方案，是影響項目造價的重大因素。本文擬結(jié)合陜西榆林小壕兔200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項目的工程實踐，從環(huán)境影響、地基土性質(zhì)、工程造價等各方面進(jìn)行了分析，對北緯35o以北之典型Ⅱ類資源地區(qū)光伏陣列支架基礎(chǔ)形式的合理選擇進(jìn)行探討。

表1 地基土承載力特征值建議值

1.項目地環(huán)境、氣象、地質(zhì)特點

1．1 概況

榆林市位于陜西省最北部，地處北緯38o地區(qū)。小壕兔200MWp并網(wǎng)光伏發(fā)電項目地的環(huán)境、氣象、地質(zhì)特點，正反映了我國Ⅱ類資源區(qū)分布區(qū)域的主要特征。

榆林地區(qū)地貌大體以長城為界，北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)。地面標(biāo)高在1300m～1315m之間。氣候?qū)倥瘻貛Ш蜏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候。多年最高溫度區(qū)間為38.6℃～-32.7℃；屬于季節(jié)性凍土區(qū)域，多年最大凍土深度為128cm，年最多凍融次數(shù)73次；多年平均風(fēng)速1.9m/s；多年平均沙塵暴和雷暴日數(shù)分別為33日和29.2日。

擬建場地地形開闊，多為半固定沙丘，沙丘呈波狀起伏。場地及周邊無沖溝、滑坡、泥石流、地下洞穴等不良地質(zhì)作用。擬建場地適宜性較好。

1．2 地質(zhì)條件

根據(jù)實地鉆探揭露并結(jié)合室內(nèi)土工試驗，主要土性為第四系風(fēng)積、沖洪積、湖積的砂類土、一般粘性土等。按其時代成因、工程地質(zhì)特征，自上而下共分為四個單元土層∶

第①層，粉細(xì)砂(Q4eol )：棕黃色、黃白色;稍濕;松散;主要為粉細(xì)砂，該層厚0.20m～3.50m。

第②層，細(xì)砂(Q4eol)：棕黃色、灰棕色；包氣帶過渡至飽水帶；松散，連續(xù)分布；顆粒較為均勻，級配不良；含泥量20%，局部夾灰色粉土質(zhì)砂，靠近水位線位置局部含泥質(zhì)或中砂。該層厚1.00m～4.10m。

第③層，細(xì)砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色、黃色；稍密～中密，連續(xù)分布；水位線以下砂質(zhì)較純凈，顆粒較為均勻，級配不良；含泥量10%～20%，局部見少量中砂。該層厚0.4m～2.10m。

第④層，細(xì)砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色；密實，連續(xù)分布；分選性好，顆粒較均勻，含泥量10%。在最深孔15.00m范圍內(nèi)未鉆穿該層。

1．3 水文地質(zhì)條件

在勘探深度范圍內(nèi)，場區(qū)地下水類型為松散層孔隙潛水，主要賦存于第四系全新統(tǒng)砂中，穩(wěn)定地下水位0.80m～3.00m，年水位漲降幅度在0.80m左右。地下水補充主要以大氣降水為主，排泄以蒸發(fā)和地下徑流為主。

場地淺層地下水和地基土對混凝土結(jié)構(gòu)、對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及對鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

2.場地環(huán)境對光伏陣列基礎(chǔ)形式的影響

2．1最大風(fēng)速影響分析

本工程地處荒地，場址平坦四周無遮擋。場址區(qū)多年平均風(fēng)速為1.9m/s，太陽能電池組件迎風(fēng)面積較大，組件支架及其基礎(chǔ)設(shè)計必須考慮風(fēng)荷載的影響，并以抗風(fēng)能力在23m/s風(fēng)速下不損壞為基本原則。另外，在有風(fēng)的天氣環(huán)境下有利于光伏組件板散熱，從而有利于發(fā)電量的提高?；撅L(fēng)壓0.40KN/m2。

2．2積雪影響分析

太陽能電池板最低點距地面距離H的選取主要考慮以下因素：一是高于當(dāng)?shù)刈畲蠓e雪深度；二是防止動物破壞； 三是防止泥和沙濺上太陽能電池板；本次設(shè)計H可取為0.5m。故場址區(qū)最大積雪對太陽能電池板的安全性沒有影響，但在雪后晴天應(yīng)及時清理組件板上的積雪。由于雪對光的反散較好，因此，場地周圍如有積雪有利于發(fā)電量的提高?；狙?.25KN/m2。

2．3沙塵暴影響分析

場址區(qū)年平均沙塵暴天數(shù)為33天/年。沙塵暴天氣時空氣混濁，大氣透明度大幅降低，輻射量也相應(yīng)降低，會直接影響太陽能電池組件的工作，對光伏電站的發(fā)電量有一定影響，故本工程實施時需要考慮采取防風(fēng)沙措施，在項目運行期間應(yīng)及時對太陽能電池組件進(jìn)行清洗。但對基礎(chǔ)形式并無影響。

2．4地基土凍脹性影響分析

該區(qū)域?qū)儆诩竟?jié)性凍土，多年最大凍土深度為128cm，年最多凍融次數(shù)73次。反復(fù)的凍融和凍脹會對凍土層地基產(chǎn)生擾動，位于淺層的建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)會出現(xiàn)不穩(wěn)定，使光伏陣列支架產(chǎn)生位移，影響太陽能輻射的接收。故基礎(chǔ)設(shè)計時需要考慮采取防凍融和凍脹措施。在冬季施工時，不得使基坑土受凍，除按冬季施工規(guī)定施工外，要做到隨挖隨填，不得自凍土填料。

2．5地基土性質(zhì)的影響分析

從表1來看，即使考慮最大風(fēng)荷載與雪荷載，淺層土的地基承載力也能滿足上部構(gòu)件的荷重。該場地內(nèi)無濕陷性土。巖土中易溶鹽含量小于0.3%，故該場地土為非鹽漬土。但由于場地內(nèi)都為砂土地層，土層干燥、含水少、結(jié)構(gòu)松散，粘結(jié)性和穩(wěn)定性較差，當(dāng)基坑開挖后坑壁穩(wěn)定性能大大降低，在雨水滲入或人為擾動、堆載等情況下容易造成塌方，從而影響人身安全、施工進(jìn)度和工程質(zhì)量。

地層結(jié)構(gòu)較為簡單，除第一層粉細(xì)砂和第二層細(xì)砂為松散狀外，其下地層為稍密至密實狀，無地質(zhì)作用，無特殊性巖土。15m深度內(nèi)不存在大粒徑的礫石，對沉樁無影響。

2．6地表、地下水的影響

場區(qū)地下水類型主要為松散層孔隙潛水。淺層地下水和地基土對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等級為微腐蝕，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕等級為微腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級為微腐蝕。施工筑路時，需在路基兩側(cè)內(nèi)底部設(shè)置排水溝，排除由降雨降水引起的地表水，減少路基土含水率，做到防凍土危害的目的。

2．7地震液化的影響

場地地基土類型為中軟場地土，建筑場地類別為Ⅱ類。該場地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計特征周期為0.35s。一般情況下可不進(jìn)行液化判別和地基處理。

從以上分析可知，該場地環(huán)境對光伏陣列基礎(chǔ)形式的影響主要應(yīng)考慮地基土的性質(zhì)及其凍脹性因素，據(jù)此提出合理的設(shè)計方案。

3.光伏陣列不同基礎(chǔ)形式的比較

光伏陣列基礎(chǔ)主要形式有：條形基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)、預(yù)制樁及螺旋鋼樁。

3．1條形基礎(chǔ)

光伏陣列支架前后支腿距離為1.8m，左右支架間距為3.036m，如采用條形基礎(chǔ)，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載計算其面積，單側(cè)條基尺寸400 mm*600 mm*2800mm。采用C30混凝土澆筑，基礎(chǔ)墊層為100mm厚C20素混凝土。每套光伏電池組件基礎(chǔ)混凝土澆筑量為1.344m3。基礎(chǔ)上需做鋼結(jié)構(gòu)支架，材質(zhì)選用Q235C。

優(yōu)點：適用于地形起伏不大的場地，土方開挖量適中?；A(chǔ)平面定位及基礎(chǔ)頂高程容易控制，基礎(chǔ)埋深自然地面下-0.2m，持力層為②層土，地基能很好地承受豎向荷載。

缺點：在設(shè)計支架基礎(chǔ)時需要考慮其抗凍穩(wěn)定性，一般需設(shè)置沙礫墊層換掉部分凍脹土。施工需盡可能避開雨季，以免雨水或施工用水浸入基坑。對場地平整度要求較高，有一定的土方開挖量，當(dāng)基坑開挖后坑壁穩(wěn)定性能大大降低。擾動自然地表，破壞綠化植被。上部結(jié)構(gòu)的水平荷載、上拔力要靠基礎(chǔ)自重承受，鋼結(jié)構(gòu)支架與基礎(chǔ)要另行聯(lián)結(jié)。

3．2混凝土預(yù)制樁

優(yōu)點：預(yù)制樁樁身質(zhì)量容易控制，現(xiàn)場施工速度快。預(yù)制樁基本沒有開挖量，對地表破壞少。樁身摩阻力可很好地承受豎向荷載、水平荷載、上拔力。

缺點：按構(gòu)造要求，預(yù)制樁身用鋼量比鉆孔灌注樁大。施工時，需有吊機(jī)將樁體運輸定位，設(shè)備對場地的平整度要求較高，故預(yù)制樁造價相對較高。此外，按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）3.4.3條規(guī)定“為減少和消除凍脹或膨脹對樁基的作用，宜采用鉆（挖）孔灌注樁”，主要靠土體擠密提供側(cè)阻力的預(yù)制樁在凍土地區(qū)的適用有局限性。

3．3混凝土鉆孔灌注樁

優(yōu)點：設(shè)計不同的樁長可起到防凍土危害的目的，適用于地形起伏較大的場地，用鋼量較少，造價較低。

缺點：樁身質(zhì)量不易控制，現(xiàn)場施工速度慢?，F(xiàn)場泥漿污染和施工用水的問題不易解決。鉆孔時有土方開挖地表破壞現(xiàn)象。需另外考慮防地下水腐蝕措施。

3．4 螺旋鋼樁

優(yōu)點：由工廠預(yù)加工，防銹防腐一次完成?，F(xiàn)場施工速度快。設(shè)計不同的樁長可起到防凍土危害的目的。鋼結(jié)構(gòu)支架與基礎(chǔ)可直接聯(lián)結(jié)。造價相對較低。

缺點：適用性受地層巖性影響大，如大粒徑的礫石層可能就無法鉆入。在腐蝕性地基中應(yīng)用需考慮防腐。

4.光伏陣列基礎(chǔ)形式的比較確定

光伏陣列由多晶硅光伏板和支架構(gòu)成，自重并不大，因此在初步設(shè)計時曾建議采用天然條基。這一方案施工方便造價較低，但卻忽視了對場地地表土的破壞和凍土性質(zhì)的影響。反復(fù)的凍融凍脹會在地面造成沉降或隆起，對其上的光伏陣列產(chǎn)生不穩(wěn)定性。因此設(shè)計擬改用4m長250*250的預(yù)制鋼筋混凝土方樁的基礎(chǔ)方案。

在造價咨詢過程中提出：改用方樁基礎(chǔ)方案雖然解決了凍土影響的問題，但其承載力大大超出了上部多晶硅光伏板荷載的需要。不但造價高，且方樁需在現(xiàn)場預(yù)制，工期也將延長。故建議采用1.8mΦ76*4鋼管螺旋樁：從地質(zhì)資料來看，地表以下各土層均為粉細(xì)砂或細(xì)砂層，鋼管螺旋樁的承載力完全可滿足上部荷載要求；《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）第3.4.3條第1款規(guī)定“樁端進(jìn)入凍深線以下的深度，應(yīng)滿足抗拔穩(wěn)定性驗算要求，且不得小于4倍樁徑，最小深度應(yīng)大于1.5m”，1.8m鋼管螺旋樁方案也能完全滿足此要求，何況光伏陣列支架為輕型構(gòu)筑物，安全重要性級別可適當(dāng)降低。

表2 四種方案造價情況

各種方案的造價分析見表2。

光伏陣列的基礎(chǔ)形式最終按鋼管螺旋樁方案執(zhí)行。除了確保工期外，采用鋼管螺旋樁每根樁節(jié)約584-112=472元，光伏陣列基礎(chǔ)共計189900根樁，共節(jié)約成本472元/根*189900根≈8963萬元。

5.結(jié)束語

經(jīng)過多年實踐，中國已經(jīng)完全掌握了太陽能發(fā)電技術(shù)。但要準(zhǔn)備對外輸出技術(shù)，還需進(jìn)一步降低成本，做到比其他國家效益更高。從已經(jīng)完成的項目來看，光伏發(fā)電項目的投資占比與常規(guī)建筑項目不同，其設(shè)備部分占總投資的一半以上但主要由市場采購，而土建部分主要為支架、變壓站、架空鐵塔等。支架基礎(chǔ)雖然簡單，但由于數(shù)量龐大，此項投資會占土建投資的大部分。從全過程造價咨詢的理念著手，應(yīng)考慮的問題除了土建安裝施工中常規(guī)的重點外，更應(yīng)重視環(huán)境、地質(zhì)等因素對支架基礎(chǔ)的設(shè)計方案的影響，以創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。