采煤沉陷區(qū)建造光伏電站關(guān)鍵技術(shù)分析

白淑娟，陳華鋒，李林林

（中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

煤礦行業(yè)發(fā)展的同時(shí)給當(dāng)?shù)刭Y源、環(huán)境均造成較為嚴(yán)重的影響，為推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解環(huán)境資源壓力，圍繞光伏發(fā)電“領(lǐng)跑者”計(jì)劃的新能源建造項(xiàng)目越來越多，光伏電站建造便是其中之一。但是采煤沉陷區(qū)地基結(jié)構(gòu)較差，安全穩(wěn)定性不高，因此，在建造光伏電站時(shí)要把握關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)建造綜合效益。

1 采煤沉陷區(qū)相關(guān)概述及基于該區(qū)域建造光伏電站的意義和難點(diǎn)

1.1 采煤沉陷區(qū)相關(guān)概述

采煤沉陷區(qū)也被稱為采煤塌陷區(qū)，是采煤后下陷的區(qū)域。一般情況下，沉陷區(qū)所在城市均具有較大礦產(chǎn)資源存儲(chǔ)量，過去的生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重影響，具體體現(xiàn)為地表形態(tài)被破壞、土壤養(yǎng)分加速流失、土地肥力下降等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境惡化。采煤沉陷區(qū)沉陷的嚴(yán)重情況與當(dāng)?shù)氐叵滤疃染哂兄苯雨P(guān)系，若是地下水位較低，那么沉陷區(qū)為陸地地形，整體結(jié)構(gòu)較為簡單；若是地下水位較高，那么采煤沉陷區(qū)的出現(xiàn)將會(huì)導(dǎo)致地下水回灌，對(duì)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源造成嚴(yán)重?fù)p害，不利于生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)作[1]。

1.2 建造光伏電站的意義

從采煤沉陷區(qū)治理現(xiàn)狀來看，無論是非充填治理還是開采復(fù)墾同步治理方式等，均存在土地利用單一化的不足，且整體經(jīng)濟(jì)效益也不夠理想。但是通過在采煤沉陷區(qū)建造光伏電站，利用太陽能這一具有清潔性、長壽性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)特征的可再生能源治理采煤沉陷區(qū)，能夠優(yōu)化當(dāng)?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。除此之外，由于采煤沉陷區(qū)地表植被條件較差，通過建造光伏電站能夠?yàn)榱止饣パa(bǔ)一體設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)提供支持，進(jìn)而通過科學(xué)規(guī)劃和全局統(tǒng)籌為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)創(chuàng)造投資環(huán)境，推動(dòng)資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1.3 建造光伏電站的難點(diǎn)

采煤沉陷區(qū)極易出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象，根據(jù)當(dāng)前形成的靜態(tài)地表沉陷情況，可以將其劃分為3 個(gè)區(qū)域，分別是：沉陷盆地中間區(qū)域位于盆地中央部分、沉陷盆地內(nèi)邊緣區(qū)域位于采空區(qū)邊界附近到最大下沉點(diǎn)之間、沉陷盆地外邊緣區(qū)域位于邊界到盆地的邊界之間。前兩種地表一般不出現(xiàn)明顯裂縫，但第三種水平拉伸變形較為嚴(yán)重，一旦超過一定數(shù)值就會(huì)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而對(duì)上方建筑物、構(gòu)筑物造成嚴(yán)重影響。雖然采煤沉陷區(qū)在長期沉降中整體穩(wěn)定性有所提高，但是仍有部分區(qū)域處于相對(duì)活躍的沉降變形階段，影響土體整體結(jié)構(gòu)，最終造成地表不均勻沉降、塌陷或裂縫等不良現(xiàn)象。若是直接建造光伏電站，將會(huì)直接給構(gòu)筑物帶來安全隱患，因此，采煤沉陷區(qū)光伏電站的主要難點(diǎn)就是地基穩(wěn)定性。因此，要做好該區(qū)域各個(gè)區(qū)塊的勘察工作，并對(duì)其進(jìn)行劃分，以大同市為例，當(dāng)?shù)夭擅撼料輩^(qū)在建設(shè)光伏電站時(shí)，將其劃分為建設(shè)適宜性中等和好區(qū)域，從而初步保證地基相對(duì)穩(wěn)妥性。圖1 為光伏電站地塊建設(shè)適宜性分區(qū)。

圖1 光伏電站地塊建設(shè)適宜性分區(qū)

2 分析采煤沉陷區(qū)建造光伏電站的關(guān)鍵技術(shù)

由于采煤沉陷區(qū)極大地破壞了當(dāng)?shù)氐耐恋厣鷳B(tài)環(huán)境，因此光伏電站的建造不僅要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)展開，還要收集《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估》等報(bào)告，掌握光伏電站建造關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，以此確保新建建筑和構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定性。

2.1 光伏電站構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

首先，科學(xué)選用光伏支架。相關(guān)技術(shù)人員要規(guī)范計(jì)算常規(guī)地基承載力和基礎(chǔ)抗風(fēng)性，尤其是抗傾覆、滑移和上拔等計(jì)算內(nèi)容。以大同市為例，為保證光伏電站整體安裝性，主要選用樁基礎(chǔ)或聯(lián)合條形技術(shù)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁并選擇靜力沉樁等施工技術(shù)。其中，聯(lián)合條形基礎(chǔ)形式主要應(yīng)用于較為活躍的沉陷區(qū)，這是因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠抵抗地基不均勻沉降對(duì)支架的危害。其次，設(shè)計(jì)常規(guī)光伏支架結(jié)構(gòu)。盡可能縮短光伏支架單元長度，例如，可以選用2×11 m 豎排組串光伏支架，總長度和樁基礎(chǔ)間距分別控制在11 m和3.2 m，為進(jìn)一步避免不均勻沉降時(shí)光伏支架樁基礎(chǔ)受到的拉裂變形，可以將光伏支架樁基數(shù)量控制在8 根，并盡可能縮短支架，減少樁基礎(chǔ)數(shù)量。為增強(qiáng)樁基與上部支架連接之間的調(diào)節(jié)性能，可以落實(shí)鋼套管式高低調(diào)節(jié)措施。最后，逆變器和箱變基礎(chǔ)。使用磚砌等形式進(jìn)行地下坑池結(jié)構(gòu)施工，但是要區(qū)別常規(guī)的墻下條形基礎(chǔ)，為協(xié)調(diào)采煤沉陷區(qū)地基變形、逆變和箱變基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)[2]。

2.2 承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

由于采煤沉陷區(qū)光伏電站要保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，但是該區(qū)域中淺水、灘涂和深水區(qū)交錯(cuò)分布情況較為復(fù)雜，光伏電站中光伏組件承載形式和錨固形式需要建立在綜合考慮區(qū)域平均水深和工程效益等方面的基礎(chǔ)上。

（1）長樁或短樁與固定支架或跟蹤支架組合技術(shù)。對(duì)于采煤沉陷區(qū)而言，砂石土層、粉質(zhì)黏土層是陸地土質(zhì)的主要構(gòu)成，為保證光伏電站建造工作的有序展開，同時(shí)將施工效率和施工成本控制在理想水平，該區(qū)域的陸地地形光伏組件承載結(jié)構(gòu)形式可以采用短樁加固定支架或跟蹤支架的技術(shù)方式。而針對(duì)該區(qū)域的灘涂地形，若是水深在2 m 以下，則采用長樁加固定支架或跟蹤支架技術(shù)。

（2）浮筒加恒應(yīng)力系統(tǒng)錨固技術(shù)。針對(duì)2~4 m 的深水地形應(yīng)采用浮筒漂浮式光伏電站組件承載結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閰^(qū)域沉陷狀況仍不穩(wěn)定，比較容易出現(xiàn)大幅變形情況。若是該區(qū)域水位上升，那么錨塊或者水下樁基將與浮筒之間產(chǎn)生拉力，最終影響到錨固效果；若是該區(qū)域水位下降，將會(huì)增加光伏方陣漂移幅度，因此，相較于其他施工設(shè)計(jì)和技術(shù)，浮筒加恒應(yīng)力系統(tǒng)錨固技術(shù)能夠更為理想地應(yīng)對(duì)深水地形。在該技術(shù)和設(shè)計(jì)組件實(shí)際落實(shí)過程中，主要采用頂部滑輪組件和管樁構(gòu)成恒應(yīng)力系統(tǒng)錨固裝置，同時(shí)，錨塊和滑輪組件之間、漂浮陣列和滑輪組件之間前后限位塊。

（3）浮筒加水下樁基錨固技術(shù)。為進(jìn)一步保證后續(xù)施工作業(yè)安全、有序展開，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的地勘資料控制水深在4 m 的區(qū)域。一般情況下，該區(qū)域沉陷較為穩(wěn)定，基本上不會(huì)出現(xiàn)明顯或者大幅度的變形，出于對(duì)工程整體效益的考慮，使用水下錨固技術(shù)形式。值得注意的是，若是采煤沉陷區(qū)水底具有較大起伏地形，不可選擇錨塊加鋼絲繩技術(shù)形式，這是因?yàn)闊o法對(duì)鋼絲繩長度進(jìn)行確定。在浮筒加水下樁基錨固技術(shù)實(shí)施過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)保證水下樁基施工至同一標(biāo)高[3]。

2.3 具體錨固技術(shù)要點(diǎn)

在實(shí)施具體水下樁基錨固與浮筒這一組合技術(shù)時(shí)，應(yīng)把握以下技術(shù)要點(diǎn)。

（1）水面上的樁基礎(chǔ)施工要點(diǎn)。對(duì)于采煤沉陷區(qū)光伏電站建設(shè)而言，該技術(shù)形式下的樁基主要由打樁船開展施工作業(yè)，樁錘、船體是構(gòu)成打樁船的主要部分。其中，樁架前部平行的豎直導(dǎo)桿之間是樁錘，由提升吊鉤吊升；而樁架要選擇鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)的塔架，后部進(jìn)行卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)置，以此支撐起吊樁和樁錘的運(yùn)用。在實(shí)際施工過程中，根據(jù)施工設(shè)計(jì)使用卷揚(yáng)機(jī)將樁錘和管樁提升至合理高度，之后讓樁錘自由落下，在重力和自重的作用下，其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，從而完成打樁施工。

（2）安裝錨固件。完成管樁施工作業(yè)后，一般會(huì)進(jìn)行錨固件安裝作業(yè)，但是這一施工流程不適用于水下樁基錨固型式，水下作業(yè)不僅效率較低，施工質(zhì)量也無法得到有效保證，甚至在施工過程中還可能引發(fā)安全事故。因此，相關(guān)施工人員應(yīng)采用水下錨固件安裝工藝技術(shù)，當(dāng)管樁還在水面以上時(shí)就在管樁上安裝錨固件，將該施工工序前移。完成錨固件安裝作業(yè)后，將浮漂系在錨繩的另一端，以此減少后續(xù)施工的錨固時(shí)間，省去尋找錨繩的時(shí)間。值得注意的是，相關(guān)施工人員要做好水下管樁位置的標(biāo)記工作，進(jìn)一步提高施工效率，降低施工難度。

（3）水面下的樁基施工要點(diǎn)。為進(jìn)一步保證光伏電站建設(shè)施工效率，施工人員可以提前將部分管樁施工至水面以上，并規(guī)范落實(shí)錨固件安裝和送樁器安裝作業(yè)。其中，在選擇送樁器時(shí)，要綜合考慮該區(qū)域水深和頂樁高度，并在施工前做好樁器與樁機(jī)之間的固定作業(yè)，固定完畢后將其壓至樁頭上，一次將已施工至水面以上位置的管樁施工至水下設(shè)計(jì)要求深度。值得注意的是，于送樁器上標(biāo)出刻度，可以為后續(xù)打樁深度的控制提供便利。

（4）管樁垂直度檢測(cè)。在使用浮筒加水下樁基錨固組合技術(shù)時(shí)，為保證整體施工質(zhì)量，所使用的送樁器最好為水下預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土（PHC）管樁施工用送樁器，但是在實(shí)際施工過程中，技術(shù)人員要明確掌握水下PHC 管樁垂直度對(duì)光伏電站整體穩(wěn)定性的影響，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展質(zhì)量檢測(cè)工作。在檢測(cè)過程中，技術(shù)人員要結(jié)合采煤沉陷區(qū)實(shí)際地形特征，同時(shí)參考陸上樁基檢測(cè)技術(shù)方法，保證水下PHC 管樁樁身垂直度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。在條件允許下，技術(shù)人員可以結(jié)合水上PHC 管樁垂直度檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)水下PHC 管樁樁身垂直度檢測(cè)裝置（圖2）。

圖2 水下PHC 管樁樁身垂直度檢測(cè)裝置

該裝置由操作把手、刻度盤、尺身主體和伸縮桿構(gòu)成，使用卡槽將管樁樁身鎖住，在此類裝置的使用下，能夠?qū)敳靠潭缺P數(shù)值進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身垂直度的有效檢測(cè)。雖然該裝置無法測(cè)量水下不清晰的樁基，其余情況下均可幫助技術(shù)掌握樁基樁身垂直度[4]。

2.4 水上安裝關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于采煤沉陷區(qū)光伏電站建設(shè)工程，由于地層結(jié)構(gòu)相對(duì)脆弱，光伏電站整體穩(wěn)定性成為施工要點(diǎn)，而光伏組件及其支架的安裝質(zhì)量，直接關(guān)系到該電站運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)。以往傳統(tǒng)的水上安裝方法雖然能完成施工任務(wù)，但是整體安全性較差，且效率也不高，整體效果不夠理想。因此，為增強(qiáng)采煤沉陷區(qū)光伏電站水面施工的整體穩(wěn)定性，并便于各項(xiàng)高處安裝作業(yè)的開展，可以使用水上機(jī)械化施工平臺(tái)開展工作，主要依托于管樁兩側(cè)雙平臺(tái)和管樁共同固定方式，在該情況下，作業(yè)面穩(wěn)定性得到有效保證。而且，在當(dāng)前時(shí)代背景下，自動(dòng)化、智能化技術(shù)的應(yīng)用越發(fā)廣泛，因此，還可以將液壓升降系統(tǒng)與水上機(jī)械化施工平臺(tái)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)施工設(shè)備和工作人員的自動(dòng)升降，保證施工安全的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了光伏電站水上機(jī)械化安裝。

該平臺(tái)組成部分主要是底部平臺(tái)、頂部平臺(tái)、浮筒模塊、液壓升降系統(tǒng)等，平臺(tái)浮力主要依托于浮筒模塊，具體模塊使用數(shù)量要參考其承載力規(guī)模。在搭建該平臺(tái)時(shí)，浮筒模塊上方為底部平臺(tái)，為給高處施工提供方便，將液壓升降系統(tǒng)安裝于平臺(tái)上，同時(shí)滿足高低處施工需要。液壓升降系統(tǒng)由油缸構(gòu)成，油缸同步，數(shù)量為4 個(gè)，為不同高度的安裝作業(yè)的平穩(wěn)高效完成提供技術(shù)支持。

3 結(jié)語

綜上所述，光伏電站建設(shè)在采煤沉陷區(qū)能夠有效改善當(dāng)?shù)丨h(huán)境、資源問題，帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。但是在實(shí)際建設(shè)過程中，應(yīng)綜合勘查區(qū)域內(nèi)具體情況，做好構(gòu)筑物設(shè)計(jì)、浮筒與水下樁基錨固施工作業(yè)等，以此保證建設(shè)安全質(zhì)量。