山地光伏支架基礎(chǔ)灌注樁適應(yīng)性選擇探討

吳龍生，關(guān)永明，石亞

摘 要：因山地地形地質(zhì)條件的限制，光伏支架基礎(chǔ)選型合適與否對整個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)影響很大。文章依托某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目工程案例，首先通過對四種常用山地光伏支架基礎(chǔ)進(jìn)行比選，選擇微孔灌注樁基礎(chǔ)作為支架基礎(chǔ)形式，然后探討此基礎(chǔ)形式下單、雙樁基礎(chǔ)選型，對比分析出單、雙樁基礎(chǔ)形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用地形地質(zhì)條件，確定本次光伏發(fā)電項(xiàng)目電站支架的單、雙樁基礎(chǔ)選型，同時(shí)，為類似的山地光伏發(fā)電項(xiàng)目提供一定的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;山地;光伏支架基礎(chǔ)選型;單、雙樁基礎(chǔ)選型

中圖分類號：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0145-04

Discussion on the Adaptive Selection of Photovoltaic Support Foundation Cast-in-place Pile in Mountainous Area

Wu Longsheng， GuanYongming， Shi Ya

（Guiyang Engineering Corporation Limited of Power China， Guiyang 550002， China）

Abstract：Due to the limitation of mountain terrain and geological conditions， the appropriate selection of photovoltaic bracket foundation has a great impact on the construction of the whole photovoltaic power generation project. The article relies on a mountain photovoltaic power generation project engineering case， first， through the comparison of the four commonly used mountain photovoltaic bracket base， the micro-hole cast-in-place pile base was selected as the bracket basis form. Then discusses the basic order and double pile base selection， compare and analyze the advantages and disadvantages of single and double pile base forms， applicable topographic and geological conditions， and determine the single and double pile base selection of the power station support of this photovoltaic power generation project. At the same time， to provide a certain reference and reference for mountain photovoltaic power generation projects.

Key words： photovoltaic power generation; mountain area; photovoltaic support base selection; single， double pile foundation selection

0 引言

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，傳統(tǒng)能源（煤炭、天然氣、石油等）的儲(chǔ)備量在高速消耗的情況下日益減少[1]。因此，可再生能源的開發(fā)利用已成為世界各國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的有力措施。在可再生能源領(lǐng)域中，利用太陽能的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為繼風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)后發(fā)展最快、最大的產(chǎn)業(yè)[1]。我國70%以上的國土光照充足且光能資源分布較為均勻，為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的資源基礎(chǔ)。我國光伏發(fā)電技術(shù)最先起步太陽能電池的研究，進(jìn)入21世紀(jì)后，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)國家一系列政策支持得到快速發(fā)展[2]。在光伏電站的組成中，支架基礎(chǔ)是尤為重要的一個(gè)部分，它直接關(guān)系到支架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全、施工難度、施工速度和造價(jià)成本等問題，因而支架基礎(chǔ)的選型對于整個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)十分重要。

1 山地光伏電站特點(diǎn)及支架基礎(chǔ)類型

1.1 山地光伏電站特點(diǎn)

如圖1所示，山地光伏電站建設(shè)場址多選址在沙化、石漠化和荒漠化的山地，其地表大都起伏不平、朝向各異、基巖裸露、覆蓋層零散分布，且多為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、片巖等較為堅(jiān)硬的地質(zhì)條件，這些都將導(dǎo)致山地光伏電站建設(shè)和施工難度更大、施工周期更長，造價(jià)成本更高。但是，由于山地多處于人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，土地征用成本低、土地利用受限少、管理方便等優(yōu)勢也讓其具有很大的開發(fā)利用價(jià)值[3]。山地光伏電站因受地形地質(zhì)條件限制，與地勢平緩、地質(zhì)條件較好地區(qū)的光伏電站相比，其光伏支架基礎(chǔ)選型合適與否對整個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)影響更大，故在山地光伏電站建設(shè)開始前，選擇兼具結(jié)構(gòu)安全、施工簡單且快速、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的光伏支架基礎(chǔ)是順利且高質(zhì)量建設(shè)山地光伏電站的關(guān)鍵。

1.2 山地光伏支架基礎(chǔ)類型對比

目前，廣泛采用的山地光伏支架基礎(chǔ)包括鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)、螺旋管樁基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)和微孔灌注樁基礎(chǔ)[4-8]。表1對山地光伏支架常用基礎(chǔ)類型的主體結(jié)構(gòu)組成、受力特點(diǎn)、施工工藝特點(diǎn)以及適用范圍進(jìn)行了對比。結(jié)果如表1所示。

2 山地光伏支架基礎(chǔ)選型案例分析

2.1 項(xiàng)目概況

某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目位于貴州省黔西南州貞豐縣挽瀾鎮(zhèn)境內(nèi)，項(xiàng)目建設(shè)場址分為東西兩區(qū)，兩區(qū)域總體呈不規(guī)則多邊形展布，其中東區(qū)東西最長約1.7 km，南北最寬約0.8 km，場內(nèi)原始地面高程為1 550～1 770 m;西區(qū)東西最長約2.0 km，南北最寬約1.4 km，場內(nèi)原始地面高程為1 200～1 455 m。整體高差在200～250 m，屬低中山地貌。場址區(qū)自然坡度平緩，地形坡度在5～30°，基巖裸露，覆蓋層僅見零星分布，其中東區(qū)基巖表面散布著松動(dòng)塊石，塊石直徑在0.3～3.0 m。整個(gè)場地地形東區(qū)較為平整，地形坡度不超過15°，但孤石林立，多為次堅(jiān)石、堅(jiān)石，場平工作量較大;西區(qū)地形起伏不斷，地形坡度最大約30°，交通較為不便，但基本滿足機(jī)械設(shè)備通行條件。整個(gè)場區(qū)植被較發(fā)育，場區(qū)范圍未見規(guī)模較大滑坡體、崩塌堆積體、泥石流等分布。擬建山地光伏發(fā)電項(xiàng)目場址地形地貌如圖2所示。

項(xiàng)目總裝機(jī)49.2 MW，共14個(gè)方陣，單個(gè)方陣324組串，單個(gè)組串布置28塊光伏組件。為保證光伏發(fā)電效率的最大化，光伏組件陣列排布根據(jù)所處地形應(yīng)采取依山就勢、順坡布置的方式，且嚴(yán)格控制其傾角和方位角。

2.2 山地光伏支架基礎(chǔ)選型分析

根據(jù)光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)場址的地形地貌分析可知，整個(gè)場址自然坡度較為平緩，基本上滿足上述各類支架基礎(chǔ)施工所需條件。進(jìn)一步分析：對于混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，混凝土用量較大且施工時(shí)開挖土方量較大，雖然機(jī)械設(shè)備可到場，但是山地場址地形起伏不利于運(yùn)輸設(shè)備和開挖設(shè)備的長時(shí)間使用，且混凝土養(yǎng)護(hù)周期較長影響整體施工工期，故不采用此基礎(chǔ)類型;對于螺旋鋼管樁基礎(chǔ)，由于項(xiàng)目場址位于南方，地表常年潮濕，支架基礎(chǔ)易被腐蝕，且場址表面分布較多堅(jiān)石不利于該支架基礎(chǔ)打孔施工，故不采用此基礎(chǔ)類型;對于預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，機(jī)械引孔會(huì)帶來較高的成本，且該基礎(chǔ)類型適用地形地質(zhì)條件較為局限，故不采用此基礎(chǔ)類型;對于微孔灌注樁基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)類型適用地形地質(zhì)條件較廣泛、開挖量較小、成孔較為方便、混凝土鋼筋用量較小、施工工藝較為成熟，故此基礎(chǔ)類型較合適。

根據(jù)上述分析，結(jié)合光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際情況、綜合造價(jià)成本等因素，本項(xiàng)目采用微孔灌注樁基礎(chǔ)作為光伏支架基礎(chǔ)選型。基于此，本文將進(jìn)一步探討此基礎(chǔ)形式下單、雙樁基礎(chǔ)選型，對比分析出單、雙樁基礎(chǔ)形式各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用地形地質(zhì)條件，確定本次光伏發(fā)電項(xiàng)目電站支架的基礎(chǔ)選型，單、雙樁基礎(chǔ)方案示意圖如圖3所示。

2.3 山地光伏支架微孔灌注樁—單樁、雙樁基礎(chǔ)選型分析

本次光伏發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用微孔灌注樁基礎(chǔ)，其中單樁基礎(chǔ)采用直徑為300 mm的灌注樁，雙樁基礎(chǔ)采用直徑為150 mm的灌注樁，地下部分樁長均為1.5 m，地上部分樁長為0.3～0.5 m。它們的典型斷面圖如圖4所示。本次光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)所涉及的主要施工包括：場地平整、基礎(chǔ)造孔、孔樁灌注、支架及組件安裝等。本文將在施工質(zhì)量控制、施工工期、施工工程量、施工工程造價(jià)等方面對比分析單、雙樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案在有差異施工項(xiàng)目上各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.3.1 場地平整對比分析

根據(jù)本光伏發(fā)電項(xiàng)目實(shí)際情況與需求，單樁基礎(chǔ)布置在一條軸線上，場平要求平整的寬度僅需滿足施工要求即可，設(shè)置為3.0 m;而雙樁基礎(chǔ)由于前后排間距2.2 m，考慮施工作業(yè)需求，場平寬度設(shè)置在4.5 m以上。因而，單、雙樁基礎(chǔ)方案在場地平整項(xiàng)目上的施工工程量和施工工程造價(jià)方面有差距：單樁基礎(chǔ)方案場平工程量為27.32 萬m2，工程造價(jià)為204.91 萬元;雙樁基礎(chǔ)方案場平工程量和工程造價(jià)分別高達(dá)40.98 萬m2和307.37 萬元，均為前者的1.5倍（單價(jià)均為7.5 元/m2）。另外，單樁基礎(chǔ)方案在場地平整項(xiàng)目上除了工程量和工程造價(jià)較低外，在同樣的施工人力和設(shè)備情況下，其施工工期也明顯縮短。

2.3.2 基礎(chǔ)造孔對比分析

由于基礎(chǔ)形式的不同，雙樁基礎(chǔ)現(xiàn)場測量放孔位、鉆孔量是單樁基礎(chǔ)的2倍。另外，由于每個(gè)鉆孔孔深為1.5 m，鉆機(jī)就位的時(shí)間較長，故雙樁基礎(chǔ)鉆機(jī)就位時(shí)間消耗過大，臺班浪費(fèi)過多;而單樁基礎(chǔ)在每個(gè)組串的基礎(chǔ)造孔耗時(shí)很短，但是由于樁徑較大、成孔難度更大，其造孔單價(jià)高達(dá)85元/m，雙樁基礎(chǔ)造孔單價(jià)僅為38元/m。因而，在基礎(chǔ)造孔項(xiàng)目上：單樁基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)造孔工程量為34 020 m，工程造價(jià)為289.17萬元;雙樁基礎(chǔ)方案基礎(chǔ)造孔工程量和工程造價(jià)分別為68 040 m 和258.55 萬元。由此可知，在基礎(chǔ)造孔項(xiàng)目上，與雙樁基礎(chǔ)方案相比，單樁基礎(chǔ)方案雖然工程量小，施工工期短，但是由于成孔難度大等施工質(zhì)量因素使得其造孔單價(jià)過高，導(dǎo)致施工工程造價(jià)反而更高。

2.3.3 孔樁灌注對比分析

由于基礎(chǔ)形式的不同，單樁基礎(chǔ)樁徑較大，孔樁灌注項(xiàng)目中的鋼筋和混凝土用量明顯高于雙樁基礎(chǔ)用量，故其工程造價(jià)也明顯高于雙樁基礎(chǔ)工程造價(jià)。單、雙樁基礎(chǔ)方案的鋼筋用量分別為310.58 t和166.91 t，造價(jià)分別為210.88和108.49萬元;混凝土用量分別為3 525和1 454 m3，造價(jià)分別為423.02和174.50萬元。由此可知，與單樁基礎(chǔ)方案相比，雙樁基礎(chǔ)方案在孔樁灌注項(xiàng)目上的施工工程造價(jià)低，但是其布置的樁位數(shù)量多，故對該方案下的孔樁灌注施工質(zhì)量控制提出了更高的要求。如鋼筋籠綁扎、下放、定位以及樁身混凝土的澆筑、振搗等都有要求。

2.3.4 支架及組件安裝對比分析

由于基礎(chǔ)形式的不同，對于單樁基礎(chǔ)，其每組串支架立柱僅有5根，支架橫梁依靠三角支撐調(diào)節(jié)，這樣易于調(diào)整、方便快捷，節(jié)約人工成本;而雙樁基礎(chǔ)由于立桿數(shù)量成倍增長（每組串支架立柱10根），傾角調(diào)節(jié)全靠立桿長短控制，施工難度大，立桿損耗高，且山地場址地形不平整，需要更多的加長立桿，故支架立桿的人工及材料較單樁基礎(chǔ)成本增長，其支架及組件安裝單價(jià)高達(dá)580元（組串），而單樁方案支架及組件安裝的單價(jià)僅為400元（組串）。因而，在支架及組件安裝工程量均為4 536組串情況下，單、雙樁基礎(chǔ)方案在該項(xiàng)目上的工程造價(jià)分別為181.44和263.09萬元。由此可知，在支架及組件安裝項(xiàng)目上，與雙樁基礎(chǔ)方案相比，單樁基礎(chǔ)方案施工難度低、施工工期短、施工工程量和工程造價(jià)小，在各方面較具優(yōu)勢，但是雙樁基礎(chǔ)支架在安裝后整體穩(wěn)定性好，抗風(fēng)載能力強(qiáng)。

2.3.5 綜合分析

本光伏發(fā)電項(xiàng)目單、雙樁基礎(chǔ)工程量及造價(jià)對比如表2所示。由表2可知，兩種基礎(chǔ)方案在各項(xiàng)施工項(xiàng)目上的工程量、單價(jià)、總價(jià)都互有不同，單樁基礎(chǔ)方案的綜合造價(jià)較雙樁基礎(chǔ)方案高188.42萬元（16.94%）。根據(jù)前面對比分析。另外，考慮到場地地形地質(zhì)條件對交通運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)場的限制，地形較平緩（地形坡度不超過25°）、地質(zhì)條件較好的場地，交通運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)場方便，基礎(chǔ)造孔可以采用機(jī)械成孔的方式，采用單樁基礎(chǔ)方案更適合;反之，若地形起伏大（地形坡度超過25°）、地質(zhì)條件差，交通運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)場困難，需要人工采用小型機(jī)械鉆孔，則造孔孔徑更小的雙樁基礎(chǔ)方案更適宜。

綜上所述，在本次光伏發(fā)電項(xiàng)目中：場地地形較為平緩的東區(qū)（地形坡度不超過15°）采用單樁基礎(chǔ)方案，而地形起伏不斷的西區(qū)（地形坡度最大約30°）采用雙樁基礎(chǔ)方案。

3 結(jié)論

文章依托貴州省某山地光伏發(fā)電項(xiàng)目工程案例，首先根據(jù)項(xiàng)目選址場地地形地質(zhì)條件、基礎(chǔ)適應(yīng)性、施工難度、施工工期等因素，對4種常用的光伏支架基礎(chǔ)形式進(jìn)行對比，選擇微孔灌注樁基礎(chǔ)作為該項(xiàng)目支架基礎(chǔ)形式，然后對基于微孔灌注樁基礎(chǔ)形式的單、雙樁基礎(chǔ)方案進(jìn)行進(jìn)一步分析：

（1）單樁基礎(chǔ)方案雖然綜合造價(jià)成本略高，但是具備施工難度小、施工質(zhì)量易控制、施工工期短的優(yōu)勢，適用于地形較平緩（地形坡度不超過25°）、地質(zhì)條件較好、交通運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)場方便的場地。

（2）雙樁基礎(chǔ)方案雖然在施工難度、質(zhì)量控制、工期方面具有劣勢。

但是其綜合造價(jià)低、造孔孔徑小的特點(diǎn)使其適用于地形起伏大（地形坡度超過25°）、地質(zhì)條件差、因交通運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)場困難而需要人工采用小型機(jī)械鉆孔的場地。最后，確定本次光伏發(fā)電項(xiàng)目的場址東區(qū)采用微孔灌注樁單樁支架基礎(chǔ)方案，西區(qū)采用微孔灌注樁雙樁支架基礎(chǔ)方案。

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