錨桿灌注樁基礎(chǔ)在山地光伏電站光伏支架基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究

明小燕，奚 泉，周 毅

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明 650051)

0 引言

云南省的太陽能資源僅次于西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、青海省等省區(qū)，為我國太陽能資源最豐富的省份之一。云南省內(nèi)大部分地區(qū)的地勢較高，山地、高原占全省總面積的94%，地形條件復(fù)雜，平地資源有限，因此可進行太陽能資源開發(fā)的土地多為山地。

光伏支架基礎(chǔ)作為光伏發(fā)電項目極其重要的組成部分，其形式多樣，數(shù)量龐大。而如何為復(fù)雜多變的山地地形選擇安全、經(jīng)濟、適用的光伏支架基礎(chǔ)，已成為山地光伏電站土建設(shè)計的重點。

本文以云南省楚雄州雙柏縣某山地光伏電站工程的實際情況為例，結(jié)合該光伏電站所在地地形多為坡陡、沖溝的特點，進行光伏支架基礎(chǔ)選型研究，針對大型鉆孔設(shè)備無法到達的區(qū)域，提出了一種安全、經(jīng)濟、適用于山地光伏電站的新型光伏支架基礎(chǔ)形式—— 錨桿灌注樁基礎(chǔ)，并對其進行了拉拔試驗。

1 光伏支架基礎(chǔ)的受力分析

本山地光伏電站采用310 Wp單晶硅光伏組件，單塊光伏組件的尺寸為1635 mm×992 mm×35 mm，重量為19.5 kg；電站采用固定式光伏支架，支架的傾角為27°；20塊光伏組件串聯(lián)成1串光伏組串，以“10列×2行”的形式布置在1個光伏支架上。單個光伏支架的示意圖如圖1所示。

圖1 光伏支架示意圖Fig. 1 Schematic diagram of PV bracket

根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，按50年一遇的風(fēng)荷載進行取值，本山地光伏電站的風(fēng)荷載取0.35 kN/m2[1]。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[2]中第6.8.7條的要求，對光伏支架的荷載效應(yīng)進行組合，所有光伏支架受到的荷載主要為以下4種荷載組合：

1) 1.2×自重荷載+1.4×1.0×正風(fēng)荷載；

2) 1.2×自重荷載+1.3×水平地震力+1.4×0.6×正風(fēng)荷載；

3) 1.0×自重荷載+1.4×1.0×逆風(fēng)荷載；

4) 1.0×自重荷載+1.3×水平地震力+1.4×0.6×逆風(fēng)荷載。

本山地光伏電站中光伏支架基礎(chǔ)受力采用同濟大學(xué)空間鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CAD軟件系列中的3D3S軟件進行計算[3]。通過建立光伏支架模型，計算得到光伏支架基礎(chǔ)在各荷載組合下的承載力。通過計算可知，正風(fēng)荷載作用工況是光伏支架基礎(chǔ)承載力最大的工況；單根光伏支架基礎(chǔ)承受最大上部荷載為6.4 kN。逆風(fēng)荷載作用工況為光伏支架基礎(chǔ)抗拔最不利工況，經(jīng)計算，保證光伏支架穩(wěn)定所需的光伏支架基礎(chǔ)抗拔力極限值為9.6 kN。

2 本光伏電站中光伏支架基礎(chǔ)的選型

2.1常見的光伏支架基礎(chǔ)形式

目前常見的光伏支架基礎(chǔ)形式主要有混凝土獨立基礎(chǔ)、混凝土條形基礎(chǔ)、螺旋樁基礎(chǔ)、微孔灌注樁基礎(chǔ)及預(yù)制樁基礎(chǔ)[4]。各種光伏支架基礎(chǔ)形式的設(shè)計控制荷載、施工工藝及其所適用的地形、地質(zhì)條件等信息如表1所示。

表1 不同光伏支架基礎(chǔ)形式的特點及適用條件對比表Table 1 Comparison of characteristics and applicable conditions of different PV bracket foundation forms

2.2 本山地光伏電站的地質(zhì)條件

本山地光伏電站場址的海拔在1460～1560 m之間；場址位于數(shù)個小山坡上，坡地總體為南向坡；場地總體平緩開闊，局部為坡陡，坡度可達到30°，同時場區(qū)位于沖溝發(fā)育地區(qū)。

本山地光伏電站的地基承載力受巖(土)體性質(zhì)影響較大，根據(jù)該山地光伏電站場區(qū)的地質(zhì)特性，將地基巖土分為4層，地層特征自上而下描述如下：

1)第1層為粉土夾碎石：呈灰褐色、褐黃色，碎石成分為紫紅色砂巖，呈松散-稍密狀，地層厚度一般為0.2～0.5 m，具有一定的承載力，可作為淺基礎(chǔ)的持力層。

2)第2層為全～強風(fēng)化泥巖：呈紫紅、灰紫色，地層厚度一般為15～20 m，可作為光伏支架基礎(chǔ)的持力層。

3)第3層為全～強風(fēng)化砂巖：主要為石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，呈灰紫、灰綠色，地層厚度一般為15～20 m，可作為光伏支架基礎(chǔ)的持力層。

第4層為弱風(fēng)化砂巖：主要為石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，呈紫紅色，弱風(fēng)化，具有較高的承載力，可作為光伏支架基礎(chǔ)的持力層。

本山地光伏電站場區(qū)內(nèi)的巖土力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 山地光伏電站場區(qū)內(nèi)的巖土力學(xué)參數(shù)Table 2 Geotechnical parameters of mountain PV power station

2.3 錨桿灌注樁基礎(chǔ)的設(shè)計

該山地光伏電站場區(qū)內(nèi)整體上無制約工程建設(shè)的滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生，自然山坡穩(wěn)定；雖然場區(qū)內(nèi)有布置光伏陣列的地形、地質(zhì)條件，但施工條件較差。

考慮到本山地光伏電站的實際情況，費時、費水、難于調(diào)平的混凝土獨立基礎(chǔ)和混凝土條形基礎(chǔ)，以及對地質(zhì)條件要求高、施工難度大的螺旋樁基礎(chǔ)并不適合；同時，由于地層較硬，預(yù)制樁基礎(chǔ)容易出現(xiàn)無法壓樁的情況，因此該基礎(chǔ)形式也不適用于本光伏電站。結(jié)合項目實際的地質(zhì)情況，初步考慮本山地光伏電站的光伏支架基礎(chǔ)采用微孔灌注樁基礎(chǔ)。由于微孔灌注樁基礎(chǔ)需采用專用的大型鉆孔設(shè)備進行施工，雖然該山地光伏電站中絕大部分場區(qū)可采用此種大型鉆孔設(shè)備，但對于少數(shù)坡陡和沖溝大的區(qū)域，此種大型鉆孔設(shè)備無法到達，導(dǎo)致微孔灌注樁基礎(chǔ)在這些區(qū)域也就無法使用。因此，需要專門設(shè)計可應(yīng)用于此種區(qū)域的光伏支架基礎(chǔ)形式。

通過現(xiàn)場地勘發(fā)現(xiàn)，無法應(yīng)用微孔灌注樁基礎(chǔ)的區(qū)域的表層土較淺，下伏基巖為全～ 強風(fēng)化、弱風(fēng)化的泥巖、砂巖，承載力及側(cè)摩阻力較高，而本山地光伏電站的光伏支架主要承受風(fēng)壓荷載，對光伏支架基礎(chǔ)的承載力及抗拔力要求不高，因此本山地光伏電站參照巖石錨桿的工程使用經(jīng)驗，設(shè)計了一種新型的光伏支架基礎(chǔ)形式——錨桿灌注樁基礎(chǔ)作為大型鉆孔設(shè)備無法到達區(qū)域的光伏支架基礎(chǔ)。此種基礎(chǔ)鉆孔時可采用體積較小的空壓手風(fēng)鉆進行成孔，施工方便、快捷、經(jīng)濟性較好，能有效保證施工的質(zhì)量及進度。

圖2 錨桿灌注樁基礎(chǔ)的平面圖(單位：mm)Fig. 2 Floor plan of anchor rod cast-in-place pile foundation(Unit: mm)

本項目采用的錨桿灌注樁基礎(chǔ)的平面圖如圖2所示。其中，該基礎(chǔ)擬定樁長1.2 m，樁身穿過第1層粉土夾碎石層，樁端置于第2層全～強風(fēng)化泥巖層；樁基鉆孔直徑為70 mm，鉆孔深度為1.0 m，錨桿采用Φ25 mm的三級帶肋鋼，鉆孔空隙灌入M25水泥砂漿。錨桿樁身伸出地面0.2 m，采用直徑0.3 m的C25素混凝土圓柱體將露出地面部分的錨桿樁身進行包裹，以增加錨桿與預(yù)埋鋼板的接觸面積，從而增加錨桿灌注樁基礎(chǔ)的抗彎性能。

錨桿灌注樁骨架的實物圖、錨桿灌注樁基礎(chǔ)的實物圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 錨桿灌注樁骨架的實物圖Fig. 3 Photo of skeleton of anchor rod cast-in-place pile

圖4 錨桿灌注樁基礎(chǔ)的實物圖Fig. 4 Photo of anchor rod cast-in-place pile foundation

3 錨桿灌注樁基礎(chǔ)的拉拔試驗

由于該山地光伏電站場區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[5]的要求，在光伏電站內(nèi)進行錨桿灌注樁基礎(chǔ)施工前，需在不同地質(zhì)片區(qū)內(nèi)布置試驗樁，在試驗樁灌注28天達到設(shè)計強度后，對試驗樁進行拉拔試驗，試驗樁拉拔試驗合格后方可進行光伏支架基礎(chǔ)的施工。錨桿灌注樁基礎(chǔ)試驗樁的拉拔試驗如圖5所示。

圖5 錨桿灌注樁基礎(chǔ)試驗樁的拉拔試驗現(xiàn)場圖Fig. 5 On-site photo of pull-out test of test pile of anchor rod cast-in-place pile foundation

根據(jù)本山地光伏電站中錨桿灌注樁基礎(chǔ)使用區(qū)域的地質(zhì)情況，在2個片區(qū)各布置3個錨桿灌注樁基礎(chǔ)作為試驗樁。其中，片區(qū)1表層的雜草較多，粉土夾碎石覆蓋層較厚，約為0.3～0.5m；試驗樁編號為①～③。片區(qū)2為全～強風(fēng)化泥巖裸露區(qū)域，試驗樁編號為④～⑥。錨桿灌注樁基礎(chǔ)試驗樁的拉拔試驗結(jié)果如表3所示。

表3 錨桿灌注樁基礎(chǔ)試驗樁的拉拔試驗結(jié)果Table 3 Pull-out test results of test piles of anchor rod cast-in-place pile foundation

由表3中的試驗結(jié)果可知，本工程所采用的錨桿灌注樁基礎(chǔ)滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合各種光伏支架基礎(chǔ)形式的特點，針對云南省某山地光伏電站的實際情況進行了光伏支架基礎(chǔ)選型研究，提出了適用于該山地光伏電站的安全、經(jīng)濟、適用的光伏支架基礎(chǔ)形式。同時，針對該光伏電站中部分區(qū)域坡陡、沖溝多，導(dǎo)致大型鉆孔設(shè)備無法到達的情況，結(jié)合巖石錨桿的工程使用經(jīng)驗，提出了一種新型的光伏支架基礎(chǔ)形式—— 錨桿灌注樁基礎(chǔ)，有效地解決了施工難題，且在滿足經(jīng)濟性的情況下保證了工程的質(zhì)量及進度，為復(fù)雜多變的山地光伏電站中光伏支架基礎(chǔ)選型提供了新的思路。