光伏支架基礎(chǔ)形式介紹及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的探討

張海鋒，馬 娜

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710054；2.西安理工大學(xué)，西安 710048)

0 引言

近10 年間，中國光伏發(fā)電裝機(jī)容量迅速擴(kuò)張，規(guī)模效應(yīng)顯著；再加上“領(lǐng)跑者”等項(xiàng)目的帶動(dòng)和促進(jìn)，光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展迅速。雖然目前光伏發(fā)電的成本仍高于傳統(tǒng)火電，但其在經(jīng)濟(jì)效益上處于弱勢地位的局面將逐步得到改變。

2019 年第1 批光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目已進(jìn)入實(shí)施階段，2020 年將繼續(xù)促進(jìn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目的發(fā)展。而若要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平價(jià)上網(wǎng)，對光伏電站進(jìn)行更精細(xì)化的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。光伏電站中光伏支架基礎(chǔ)的數(shù)量龐大，是光伏電站必不可少的組成部分，其占光伏電站直接投資的比例約為10%；與此同時(shí)，支架基礎(chǔ)的形式及其幾何參數(shù)的選擇不僅與支架結(jié)構(gòu)的安全密切相關(guān)，也關(guān)系到施工的進(jìn)度和光伏電站的投資效益。因此，對光伏支架基礎(chǔ)的布置方式、基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究尤為必要。本文依據(jù)大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對光伏支架基礎(chǔ)的布置方式和形式進(jìn)行了介紹，并對各種類型光伏支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，以期為光伏電站支架基礎(chǔ)的合理選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 光伏支架基礎(chǔ)的布置方式

光伏支架的形式不同，支架基礎(chǔ)的布置方式亦不同。1)當(dāng)光伏組件以固定傾角安裝時(shí)，根據(jù)組件的距地高度不同，選用的支架形式也不同。當(dāng)組件距地高度較低時(shí)，支架一般采用雙立柱形式，相應(yīng)地支架基礎(chǔ)采用前后雙排的布置方式；而在農(nóng)光互補(bǔ)或漁光互補(bǔ)項(xiàng)目中，由于組件距地高度較高，因此支架一般采用單立柱形式，相應(yīng)的支架基礎(chǔ)則采用單排的布置方式。2)固定可調(diào)支架一般采用單立柱形式，相應(yīng)的支架基礎(chǔ)亦采用單排的布置方式。3)單軸跟蹤光伏支架一般采用單立柱形式，支架基礎(chǔ)采用單列的布置方式。4)雙軸跟蹤光伏支架一般采用獨(dú)立的單柱形式，對應(yīng)的支架基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)單個(gè)布置的方式。

除上述根據(jù)光伏支架形式選擇支架基礎(chǔ)的布置方式是雙排、單排、單列或單個(gè)布置以外，支架基礎(chǔ)的布置方式還應(yīng)根據(jù)光伏電站場址的地基情況進(jìn)行選擇，對于地質(zhì)條件較差、存在顯著不均勻沉降的地基，宜優(yōu)先選擇單排基礎(chǔ)布置方式。

2 光伏支架基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)

由于光伏支架支撐的光伏組件較輕，組件恒荷載一般約為0.12 kN/m2，且支架本身通常采用冷彎薄壁型鋼，自重較小，一般約為0.10 kN/m2，而支架所受風(fēng)荷載一般都超過0.3 kN/m2，因此，光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的控制荷載一般為風(fēng)荷載[1]。

風(fēng)荷載存在風(fēng)壓和風(fēng)吸2 種不同的工況，由于工況不同，支架基礎(chǔ)的受力形式也不相同。在風(fēng)壓作用下，豎向壓力和水平推力是支架基礎(chǔ)的主要受力形式；而在風(fēng)吸作用下，上拔力和水平推力是支架基礎(chǔ)的主要受力形式。

3 光伏支架基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

光伏支架基礎(chǔ)形式主要包括混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)、混凝土條形基礎(chǔ)、加拉梁的混凝土條形基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)、型鋼樁基礎(chǔ)、螺旋樁基礎(chǔ)、混凝土灌注樁基礎(chǔ)、機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)，以及錨桿基礎(chǔ)等，下文將分別進(jìn)行介紹與分析。

3.1 混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)

3.1.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)由底部擴(kuò)大基礎(chǔ)及其上一定長度的短柱組成。該類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是形式簡單、技術(shù)成熟；缺點(diǎn)是施工時(shí)的工程量大，對生態(tài)環(huán)境的破壞較大。

混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)適用于除中等風(fēng)化～未風(fēng)化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件[2]。

3.1.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

支架向下傳導(dǎo)的力有水平力、豎向力和彎矩。對于混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)而言，一般需要考慮豎向抗壓承載力、豎向抗拔承載力和抗傾覆穩(wěn)定性。對于豎向抗壓承載力，由于光伏組件及支架自身的重量小，因此基礎(chǔ)的豎向抗壓承載力一般均能滿足要求。

支架基礎(chǔ)采用單排和雙排布置方式時(shí)均可采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，但布置方式不同，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算重點(diǎn)也會有所區(qū)別。采用單排布置方式時(shí)，應(yīng)對混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算，確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)后再驗(yàn)算其豎向抗壓承載力。

對于采用雙排布置方式的混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，在風(fēng)吸作用下，通常后排混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)所受的拉力較大，應(yīng)對其進(jìn)行豎向抗拔承載力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，之后再進(jìn)行抗壓和水平承載力驗(yàn)算。

3.2 混凝土條形基礎(chǔ)

3.2.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

混凝土條形基礎(chǔ)有2 種布置形式，一種是沿支架長度方向布置，一種是沿支架前后方向布置[2]。此種基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是形式簡單、施工方便，可在一定程度上調(diào)節(jié)不均勻沉降；缺點(diǎn)是施工時(shí)的工程量大。

混凝土長形基礎(chǔ)適用于除中等風(fēng)化～未風(fēng)化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

對于混凝土條形基礎(chǔ)而言，其埋置深度一般較淺。但當(dāng)埋置深度小于0.5 m 時(shí)，需考慮基礎(chǔ)的滑移問題，因此應(yīng)進(jìn)行混凝土條形基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算。

對于沿支架長度方向布置的混凝土條形基礎(chǔ)而言，由于支架后柱在風(fēng)吸作用下所受拉力較大，因此應(yīng)對混凝土條形基礎(chǔ)進(jìn)行抗拔承載力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，然后再進(jìn)行其豎向抗壓承載力驗(yàn)算。

對于沿支架前后方向布置的混凝土條形基礎(chǔ)而言，在支架前后方向的水平力和彎矩作用下，通?；炷翖l形基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果決定了基礎(chǔ)的幾何參數(shù)。

3.3 加拉梁的混凝土條形基礎(chǔ)

3.3.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

為了調(diào)節(jié)混凝土條形基礎(chǔ)的不均勻沉降，在與混凝土條形基礎(chǔ)垂直的方向上增加拉梁，形成一個(gè)條形聯(lián)合基礎(chǔ)，即為加拉梁的混凝土條形基礎(chǔ)。此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是整體性好，能調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的不均勻沉降[3]；缺點(diǎn)是施工時(shí)的工程量較大。

此類基礎(chǔ)適用于除中等風(fēng)化～未風(fēng)化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

加拉梁的混凝土條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方式可在考慮拉梁影響的前提下，參照混凝土條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方式。

3.4 預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)

3.4.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)一般由預(yù)應(yīng)力管樁樁身、鋼套箍、不同形式的預(yù)應(yīng)力管樁樁頭組成，但此類基礎(chǔ)與光伏支架結(jié)合時(shí)，一般采用無樁頭的預(yù)應(yīng)力管樁。此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是相較于混凝土灌注樁，其抗裂彎矩與極限彎矩值較高，有利于防止基礎(chǔ)被腐蝕，同時(shí)基礎(chǔ)施工效率高；缺點(diǎn)是對于地基較硬的場址，入樁困難。

預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)適用的巖土條件為：殘積土、全風(fēng)化巖石、松散～稍密的砂土、粉土及黏土。3.4.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)等光伏項(xiàng)目中，光伏支架基礎(chǔ)形式一般采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，同時(shí)為了減少基礎(chǔ)數(shù)量，一般采用單排基礎(chǔ)布置方式。在各種荷載作用下，此類基礎(chǔ)的管樁頂部會受到豎向拉力(或壓力)、水平力和彎矩等作用。

在光伏組件安裝傾角較小時(shí)，管樁頂部所受豎向拉力較大，因此需首先計(jì)算基礎(chǔ)的豎向抗拔承載力，確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，然后再驗(yàn)算基礎(chǔ)的水平承載力和抗傾覆穩(wěn)定性。

在光伏組件安裝傾角較大時(shí)，管樁頂部所受水平力和彎矩較大，此時(shí)在這2 種力作用下的抗傾覆穩(wěn)定性起到了控制作用。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，一般先計(jì)算基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性，然后確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，最后驗(yàn)算基礎(chǔ)的水平承載力和豎向抗拔承載力。

3.5 型鋼樁基礎(chǔ)

3.5.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

在人工成本較高的國際光伏項(xiàng)目中，平單軸跟蹤光伏支架常采用型鋼樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與支架立柱結(jié)合成一體。此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快；缺點(diǎn)是型鋼樁的截面一般較小，因此其承載力相應(yīng)較小，而且對于腐蝕環(huán)境而言，型鋼樁的防腐能力較差。

型鋼樁基礎(chǔ)適用于殘積土、全風(fēng)化巖土、圓礫碎石土、角礫碎石土、砂土、粉土及可塑～堅(jiān)硬黏土等巖土條件。

3.5.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

由于型鋼樁基礎(chǔ)多與平單軸跟蹤光伏支架結(jié)合，且常采用單列基礎(chǔ)布置方式，因此其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方式可參照預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算方式。

3.6 螺旋樁基礎(chǔ)

3.6.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

螺旋樁基礎(chǔ)的鋼樁桿上連接1 個(gè)或多個(gè)螺旋狀葉片，并通過在樁基頂部施加扭矩，將樁基旋擰鉆入土中，形成一種可承受豎向和水平向荷載的基礎(chǔ)。

此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是可在工廠內(nèi)加工制作，質(zhì)量易控制；基礎(chǔ)施工完成后可立即進(jìn)行光伏支架的安裝，減少整體的施工周期；當(dāng)光伏電站達(dá)到設(shè)計(jì)年限后，鋼樁可回收利用，同時(shí)場址內(nèi)的基礎(chǔ)可徹底清理干凈，易于恢復(fù)植被。缺點(diǎn)是施工時(shí)土中硬質(zhì)顆?？赡茉斐苫A(chǔ)防腐層的破壞。

螺旋樁基礎(chǔ)適用的巖土條件為殘積土、全風(fēng)化巖土、卵石碎石土、碎石碎石土、圓礫碎石土、角礫碎石土、砂土、粉土、流塑～軟塑黏土及可塑～堅(jiān)硬黏土。

3.6.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

螺旋樁基礎(chǔ)可承受豎向力和水平力。在對其豎向承載力特征值進(jìn)行估算時(shí)，樁身周長根據(jù)樁身在土中位置的不同，可采用0、πD(D 為螺旋樁葉片直徑)或πd(d 為樁身直徑)；對螺旋樁基礎(chǔ)水平承載力特征值進(jìn)行估算時(shí)直徑取d。

螺旋樁基礎(chǔ)常采用雙排基礎(chǔ)布置方式，其所受荷載主要為上拔荷載和水平荷載[4]，因此對此類基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算時(shí)，一般根據(jù)風(fēng)吸工況下螺旋樁基礎(chǔ)的抗拔力來確定基礎(chǔ)中鋼管樁的幾何參數(shù)，然后驗(yàn)算基礎(chǔ)的水平承載力和抗壓承載力。

3.7 混凝土灌注樁基礎(chǔ)

3.7.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

混凝土灌注樁基礎(chǔ)為目前光伏支架基礎(chǔ)的首選基礎(chǔ)形式。此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是工程量小、承載力較強(qiáng)。缺點(diǎn)是施工工序較為繁瑣，控制施工質(zhì)量的工作量大；當(dāng)混凝土灌注樁外露高度較高時(shí)，露出地面的混凝土灌注樁常采用波紋管做模板，但波紋管剛度一般不夠，因此外露部分的混凝土灌注樁質(zhì)量無法得到保證，存在安全隱患。

混凝土灌注樁基礎(chǔ)適用的巖土條件為除流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.7.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

雙排、單排及單列基礎(chǔ)布置方式中均可采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)。

采用雙排基礎(chǔ)布置方式時(shí)，此類基礎(chǔ)所受的主要荷載通常為水平荷載和上拔力。在進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)上拔力的大小來確定抗拔力的大小，然后根據(jù)抗拔力的大小來確定混凝土灌注樁基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，然后再驗(yàn)算基礎(chǔ)是否滿足水平荷載和豎向承載力。

采用單排或單列布置方式時(shí)，此類基礎(chǔ)所受的主要荷載通常為水平荷載和樁頂彎矩。在進(jìn)行基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算來確定基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，然后再驗(yàn)算基礎(chǔ)是否滿足水平承載力和豎向受壓承載力。

3.8 機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)

3.8.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)由鍍鋅鋼管、焊接于鋼管上的鋼筋及樁身混凝土組成。此類基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是鍍鋅鋼管的直徑較小，可以解決某些山地光伏電站不易采用機(jī)械成孔方式的問題；同時(shí)，基礎(chǔ)的鍍鋅鋼管和支架的鋼管立柱采用插接方式，可以通過插入的不同長度來調(diào)節(jié)立柱的高度，從而保證同一個(gè)支架單元上的光伏組件處于同一個(gè)平面內(nèi)，減少支架和組件安裝的難度。此類基礎(chǔ)的缺點(diǎn)是鍍鋅鋼管直徑小、基礎(chǔ)承載力較小，不適用于需要基礎(chǔ)提供較大承載力的情況。

此類基礎(chǔ)適用的巖土條件為除流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.8.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)常用于雙排基礎(chǔ)布置方式，其所承受的荷載一般為水平荷載和上拔力。進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)基礎(chǔ)所受上拔力的大小來確定需要的抗拔力大小，再根據(jù)抗拔力的大小來確定機(jī)械成孔鋼管地錨基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，然后驗(yàn)算基礎(chǔ)是否滿足水平荷載的要求。

3.9 錨桿基礎(chǔ)

3.9.1 基礎(chǔ)特點(diǎn)及適用范圍

錨桿基礎(chǔ)是由設(shè)置于巖土中的錨桿和與錨桿相連的混凝土承臺或型鋼承壓板共同組成的一種基礎(chǔ)形式。

錨桿基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是可充分利用巖石堅(jiān)固耐久和鋼筋抗拉強(qiáng)度高的特性，在施工難度較大的山區(qū)采用此類基礎(chǔ)可縮短光伏電站的建設(shè)周期、節(jié)省材料、保護(hù)環(huán)境；缺點(diǎn)是基礎(chǔ)澆筑后需要達(dá)到一定強(qiáng)度后，才能進(jìn)行上部支架的安裝。

錨桿基礎(chǔ)適用的巖土條件為中等風(fēng)化～未風(fēng)化巖石。

3.9.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

錨桿基礎(chǔ)一般承受豎向拉力、豎向壓力、水平力和彎矩等，豎向壓力和水平力由錨桿基礎(chǔ)混凝土承臺或型鋼承壓板傳遞給巖石，豎向拉力和彎矩一般由錨桿抗拉承受。

對于雙排基礎(chǔ)的布置方式，通常情況下，基礎(chǔ)所受豎向拉力較大，因此此時(shí)應(yīng)對錨桿基礎(chǔ)的拉力進(jìn)行驗(yàn)算。對于單排基礎(chǔ)的布置方式，通常情況下，基礎(chǔ)所受彎矩較大，此時(shí)抗傾覆穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用，按規(guī)范要求選取穩(wěn)定系數(shù)后，可計(jì)算得到所需的抗傾覆彎矩，抗傾覆彎矩由錨桿自重和錨桿基礎(chǔ)豎向拉力對基礎(chǔ)混凝土承臺或型鋼承壓板邊沿取矩得到，從而可以得到所需的錨桿拉力，然后確定錨桿基礎(chǔ)的幾何參數(shù)，并對其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

2019 年是我國光伏產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)由補(bǔ)貼推動(dòng)向平價(jià)推動(dòng)轉(zhuǎn)變的起始年，2020 年是光伏發(fā)電平價(jià)發(fā)展的關(guān)鍵年，光伏電站建設(shè)成本必將進(jìn)一步降低。這一發(fā)展趨勢要求光伏電站的設(shè)計(jì)向精細(xì)化設(shè)計(jì)發(fā)展，本文對量大面廣的光伏支架基礎(chǔ)的布置方式、基礎(chǔ)形式和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面的探討，以期為光伏支架基礎(chǔ)的合理選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益的參考。