山地光伏電站支架基礎(chǔ)類型分析及選型探討

南方電網(wǎng)綜合能源有限公司 ■ 羅民 翁軍華 鄭海興 龍慧 李達(dá)

0 引言

廣東省是能源電力消費大省，2017年廣東省使用的化石能源所發(fā)電量占其全部所用電量的比例約為56.5%。但由于化石能源在發(fā)電過程中會產(chǎn)生有害氣體，對人的身體健康會造成較大危害，同時，隨著人民生活水平的提高，對生活環(huán)境的要求也在提高，因此，對綠色清潔能源的呼聲越來越高。根據(jù)《廣東省能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，廣東省將進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，逐步降低化石能源電量的占比，大力發(fā)展太陽能、風(fēng)能、抽水蓄能、核能和天然氣等綠色清潔能源，提高綠色清潔能源電量的占比。

光伏發(fā)電提供的是一種綠色清潔能源，并且可以解決日趨嚴(yán)重的能源需求問題。在光伏電站中，支架基礎(chǔ)是重要的組成部分，且數(shù)量非常大，因此，支架基礎(chǔ)類型直接關(guān)系到支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全、現(xiàn)場的施工進(jìn)度和整個光伏發(fā)電項目的造價成本等。本文針對山地光伏電站的支架基礎(chǔ)類型進(jìn)行了分析，以期可以為山地光伏電站的設(shè)計及建設(shè)提供借鑒。

1 山地光伏電站支架基礎(chǔ)類型分析

目前山地光伏電站支架基礎(chǔ)類型較多，主要有螺旋鋼管樁基礎(chǔ)、混凝土獨立基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)和預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)[1-3]等，下文將對各種基礎(chǔ)類型逐一進(jìn)行分析。

1.1 螺旋鋼管樁基礎(chǔ)

螺旋鋼管樁基礎(chǔ)是一種較常使用的山地光伏電站支架基礎(chǔ)，如圖1所示，其主體結(jié)構(gòu)為1根鋼管，地面以下部分的鋼管周邊焊接有螺紋狀的葉片。螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的受力特點是利用其葉片上覆土重、土自身的剪切力及其與土的摩擦力抵抗支架的上拔力，利用樁側(cè)土的嵌固作用抵抗水平力。

圖1 螺旋鋼管樁基礎(chǔ)

此種基礎(chǔ)的施工方便，通過專門的打孔機械將孔打好，然后將螺旋鋼管樁插入孔中即可。上部支架與基礎(chǔ)采用插入式連接，在上、下鋼管連接部位采用密封膠圈密封。

螺旋鋼管樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)和受力特點決定了其主要適用于高密度粉土和粉質(zhì)黏土等表層土，周圍環(huán)境為較干燥和微腐蝕區(qū)域。

1.2 混凝土獨立基礎(chǔ)

混凝土獨立基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)較為簡單，主要由混凝土、鋼筋和地腳螺栓組成，如圖2所示。由于支架自重較輕，對基礎(chǔ)的抗沖切力和抗剪切力較小，支架基礎(chǔ)主要受支架的上拔力控制，利用自身和覆土的自重抵抗支架的上拔力。

此類基礎(chǔ)施工時開挖面積較大，需要綁扎鋼筋和支模，后期還需要較長時間的養(yǎng)護(hù)和拆模，施工速度較慢。

混凝土獨立基礎(chǔ)主要適用于地質(zhì)承載力較高的土層或巖石區(qū)域，同時要求基礎(chǔ)持力層埋深較淺，基礎(chǔ)開挖深度不宜過大。

圖2 混凝土獨立基礎(chǔ)

1.3 微孔灌注樁基礎(chǔ)

微孔灌注樁基礎(chǔ)具有較好的承壓和抗拔承載力，被廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電項目中。其結(jié)構(gòu)如圖3所示，樁身為圓柱體，樁直徑為100～300 mm，主要由細(xì)石混凝土、鋼筋和地腳螺栓組成?；A(chǔ)澆筑完成后，混凝土、鋼筋和地腳螺栓形成一個受力整體，立柱的拉力、壓力和剪力通過地腳螺栓傳遞給基礎(chǔ)，基礎(chǔ)中的樁身和縱筋承受抗壓和抗拔承載力，螺旋箍筋承受抗剪承載力。

此類基礎(chǔ)施工時通過專門的打孔機鉆孔，然后將鋼筋籠放入孔中。鋼筋籠可提前預(yù)制好，混凝土可采用商品混凝土或現(xiàn)場攪拌，施工方便。

微孔灌注樁基礎(chǔ)主要適用的地質(zhì)條件為粘性土、粉土、季節(jié)性凍土、膨脹土、密實砂土、松散至中密碎石土、強風(fēng)化巖等，適用范圍較廣。

圖3 微孔灌注樁基礎(chǔ)

1.4 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)為預(yù)制成品，如圖4所示，樁徑一般為300～400 mm，樁長為3～9 m。樁身采用高強混凝土預(yù)制而成，樁內(nèi)配置鋼筋。該類基礎(chǔ)一般采用先張法工藝。

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)主要用于地表土層為填土、軟土和粘性土的區(qū)域，若應(yīng)用于地表為砂土或強風(fēng)化巖區(qū)域時，則需要先進(jìn)行機械引孔。

圖4 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)

2 某山地光伏電站的支架基礎(chǔ)類型選擇分析

2.1 項目概況

某山地光伏電站項目位于廣東省梅州市五華縣境內(nèi)，海拔高度約為140 m。五華縣位于粵東丘陵地帶，北回歸線橫跨縣境南端，屬中低緯度南亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候；日照充足，年均日照時數(shù)為1996.6 h，太陽總輻射平均值為1405 kWh/m2，太陽能資源較豐富，屬于Ⅲ類太陽能資源地區(qū)。項目所在地為丘陵地帶，山勢平緩，地形坡度基本在5°～20°之間，具體情況如圖5所示。

本項目總裝機容量為30 MWp，每個組串布置24塊組件，組件陣列排布采用依山就勢、順坡布置的方式，同時嚴(yán)格控制光伏組件的傾角和方位角，以保證光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率最大化。光伏支架采用熱鍍鋅防腐[4]，支架布置如圖6所示。

圖6 支架布置圖

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

1)50年基本風(fēng)壓荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.3 kN/m2，地面粗糙度為B類。

2)場地的地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，場地土類型為Ⅱ類[5]。

3)地面以上結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為一類，地面以下結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為二類a。

2.3 支架基礎(chǔ)的選擇及分析

根據(jù)地勘報告和現(xiàn)場踏勘情況可知，光伏場區(qū)地表有一層20 cm的土層，土層下為強風(fēng)化巖，人工開挖難度較大，必須采用機械開挖。由于項目位于南方區(qū)域，地表較潮濕，且光伏支架需要使用25年，若采用螺旋鋼管樁，支架基礎(chǔ)易被腐蝕，再加上上、下支架連接處需采用橡膠圈密封，而橡膠圈無法保證可使用25年，且其后續(xù)不易更換，因此，該項目不采用此種基礎(chǔ)類型。若采用混凝土獨立基礎(chǔ)，則需要較多混凝土，但由于現(xiàn)場為山地，場地不平整，不利于混凝土的現(xiàn)場運輸，且混凝土基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù)周期較長，因此，該項目也不建議采用混凝土獨立基礎(chǔ)。若采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，在該場地必須進(jìn)行機械引孔，而引孔成本較大，且預(yù)應(yīng)力管樁材料和施工費均較貴，因此綜合考慮后認(rèn)為，該基礎(chǔ)類型不經(jīng)濟(jì)。

綜上分析，結(jié)合本項目的現(xiàn)場實際情況、各種基礎(chǔ)類型適用條件及綜合成本造價，本項目采用微孔灌注樁基礎(chǔ)。地下部分樁長為1.5 m，孔徑為150 mm，地上部分樁長為0.3 m，樁徑為300 mm，樁內(nèi)配置3根φ12的鋼筋及 相應(yīng)的箍筋，樁頂預(yù)埋U形螺桿。

經(jīng)核算，單樁豎向抗拔承載力特征值為15 kN，光伏支架立柱拉拔力最大值為9.5 kN，單樁的抗拔承載力滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

當(dāng)前光伏電站所在地的地質(zhì)條件多樣，針對各種地質(zhì)條件，支架基礎(chǔ)的選擇亦不同。本文對山地光伏電站4種常用支架基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，并針對某山地光伏電站進(jìn)行綜合考慮分析，選擇出其適用的支架基礎(chǔ)，對于類似山地光伏電站的支架基礎(chǔ)類型選擇可提供一定的參考和借鑒。