垃圾填埋場(chǎng)地光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

江賽雄，趙婷婷，嚴(yán) 旭

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021；2. 中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，全球垃圾年產(chǎn)量逐年增加，目前絕大多數(shù)的垃圾處理均采用填埋方式，但是垃圾填埋場(chǎng)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用大量土地，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，且填埋場(chǎng)維護(hù)成本高，不利于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。近幾年，在垃圾填埋場(chǎng)上新建太陽(yáng)能光伏發(fā)電站是國(guó)內(nèi)外普遍的一個(gè)研究趨勢(shì)。在垃圾填埋場(chǎng)上新建光伏電站不僅可以提高土地利用率，還能增加垃圾的填埋量、產(chǎn)生電能、減少溫室氣體排放，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是由于垃圾填埋場(chǎng)的特殊地質(zhì)條件，垃圾成分的不確定性、復(fù)雜性、特異性，導(dǎo)致場(chǎng)地極易發(fā)生整體沉降或者不均勻沉降，不僅會(huì)對(duì)發(fā)電效率及發(fā)電量造成不利影響，也會(huì)損壞光伏支架結(jié)構(gòu)及光伏支架基礎(chǔ)。目前，垃圾填埋場(chǎng)上新建光伏電站實(shí)際應(yīng)用還相對(duì)較少，對(duì)其研究還停留在初步階段。文章結(jié)合相關(guān)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，介紹國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)光伏電站研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行分析研究。

1 研究現(xiàn)狀及工程概況

1.1 研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者、設(shè)計(jì)院、建設(shè)單位對(duì)垃圾填埋場(chǎng)及修建在其上的光伏發(fā)電站進(jìn)行了一些研究和實(shí)踐[1-3]。

文獻(xiàn)[4]對(duì)重慶地區(qū)的城市垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)查研究，推導(dǎo)出垃圾填埋物的本構(gòu)關(guān)系，并在取得大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用三維有限元數(shù)值方法模擬垃圾場(chǎng)的沉降變形過(guò)程，提出了對(duì)即將嚴(yán)重破壞場(chǎng)內(nèi)設(shè)施和周邊建筑的變形區(qū)采取的相應(yīng)治理措施和具體方案。文獻(xiàn)[5]對(duì)城市垃圾填埋場(chǎng)的沉降模型進(jìn)行了分類(lèi)，介紹了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛡鹘y(tǒng)理論的計(jì)算方法，分析出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛡鹘y(tǒng)理論模型的不足之處，指出垃圾填埋場(chǎng)沉降計(jì)算新的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[6]對(duì)金口垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)垃圾土的壓縮特性、承載力特性及抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并對(duì)場(chǎng)地內(nèi)新建建筑物的基礎(chǔ)進(jìn)行了選型分析，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方案和施工措施，以保證工作人員及建筑物的安全。文獻(xiàn)[7]對(duì)比了兩種國(guó)外垃圾填埋場(chǎng)太陽(yáng)能光伏電站系統(tǒng)形式，詳細(xì)介紹了該類(lèi)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)安裝時(shí)需要考慮的問(wèn)題和解決辦法，最后提出了場(chǎng)地坡度設(shè)計(jì)、薄膜覆蓋方法、太陽(yáng)能電池安裝、面積設(shè)計(jì)、填埋氣體收集等相關(guān)設(shè)計(jì)原則。

1.2 工程概況

某光伏發(fā)電站擬修建于海邊垃圾填埋場(chǎng)。該場(chǎng)地在1986年是一個(gè)采石場(chǎng)，在經(jīng)過(guò)14 a開(kāi)采后，被政府改造為垃圾填埋場(chǎng)，之后生活垃圾、市政垃圾、農(nóng)業(yè)垃圾以及無(wú)污染工業(yè)廢物被填埋在該場(chǎng)地，廢物垃圾從2000年開(kāi)始堆積至今，其中大部分是城市固體垃圾。原始場(chǎng)地未設(shè)基層襯砌系統(tǒng)、濾液收集系統(tǒng)以及垃圾廢棄收集排氣系統(tǒng)，垃圾層及以下石渣層沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓實(shí)，僅依靠推土機(jī)自然堆積。垃圾填埋場(chǎng)地實(shí)景如圖1所示。

圖1 垃圾填埋場(chǎng)地實(shí)景圖

經(jīng)過(guò)對(duì)擬建場(chǎng)地的初步探查，光伏場(chǎng)地較為平整，但是場(chǎng)地下垃圾層厚度差異較大，垃圾厚度6～15 m不等，且垃圾成分差異較大。垃圾覆蓋層厚度示意圖如圖2所示，勘察探坑實(shí)景圖如圖3所示。

圖2 垃圾覆蓋層厚度分布示意圖

圖3 勘察探坑實(shí)景圖

該工程采用的單位光伏板設(shè)計(jì)尺寸為16.306 m×4.02 m， 由 32塊 高 效 單晶硅400 Wp組件組成，組件尺寸約為2 000 mm(長(zhǎng) )×991 mm(寬 )×35 mm(厚 )，組件自重每塊約26.9 kg。光伏組件離地最低高度不小于650 mm。光伏板傾角20°。該地區(qū)終年無(wú)雪，50 a設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率10%的地震加速度值約0.05g。觀測(cè)到空曠平坦地面上10 m高度處10 min平均風(fēng)速約31.2 m/s。

2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

2.1 場(chǎng)地處理及基礎(chǔ)選型

由于垃圾填埋場(chǎng)地地質(zhì)條件差，承載力低、垃圾層厚度分布不均勻、且并未完全固結(jié)。在修建光伏電站前，為保證地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求、處理并收集垃圾沼氣、設(shè)置場(chǎng)地排水設(shè)施，需要對(duì)該垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行預(yù)先地基處理。目前垃圾填埋場(chǎng)的封場(chǎng)處理措施比較成熟，先對(duì)垃圾層上的覆土進(jìn)行碾壓，然后鋪設(shè)HDPE膜及土工布，將地下廢氣及廢水與上部隔絕，并在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置排氣孔和濾水排水設(shè)施，最后在面層鋪設(shè)約600 mm厚的素土并壓實(shí)。垃圾填埋場(chǎng)地基處理典型剖面如圖4所示，項(xiàng)目地基處理實(shí)景如圖5所示。

圖4 垃圾填埋場(chǎng)地基處理典型剖面圖

圖5 垃圾填埋場(chǎng)地基處理實(shí)景圖

由于單軸跟蹤式光伏支架成本太高，經(jīng)過(guò)業(yè)主確認(rèn)選擇固定支架方案。本工程風(fēng)荷載較大，經(jīng)過(guò)方案比較后采用前后雙支柱結(jié)構(gòu)形式，且雙支柱方案抵抗地基不均勻沉降能力也比單支柱強(qiáng)。橫向前后支柱柱距3 000 mm，柱頂設(shè)斜梁連接，縱向支架柱距3 150 mm，一個(gè)單位光伏板共設(shè)12個(gè)支柱，在后支柱平面內(nèi)斜梁與支柱間設(shè)一道垂直支撐，斜梁上共設(shè)4根縱向檁條。鋼材均采用冷彎薄壁型鋼，鋼材強(qiáng)度為Q235B。

為保證地基處理效果，光伏支架基礎(chǔ)不能埋置于壓實(shí)后的表面覆土層以下，且任何基礎(chǔ)形式均不能穿破土層下方的土工膜。因此樁基礎(chǔ)在本工程不適用，只能選擇直接放置于隔離層以上的擴(kuò)展基礎(chǔ)?；A(chǔ)形式主要考慮獨(dú)立基礎(chǔ)、橫向條形基礎(chǔ)、縱向條形基礎(chǔ)和網(wǎng)狀基礎(chǔ)。

2.2 基礎(chǔ)計(jì)算及分析

2.2.1 受力分析

根據(jù)我國(guó)NB/T 10115—2018《光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[8]、GB 51101—2016《太陽(yáng)能發(fā)電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]等規(guī)范相關(guān)要求，對(duì)于光伏支架擴(kuò)展基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行受壓承載力計(jì)算、抗拔承載力計(jì)算、抗滑移驗(yàn)算、抗傾覆驗(yàn)算。由于光伏支架及光伏板自重輕，所受恒荷載小，主要受力荷載為風(fēng)荷載，風(fēng)荷載在光伏板面上產(chǎn)生的雙向力可以分解為水平力Fx和豎向力Fy。光伏支架受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。取3.15 m×4.02 m為一個(gè)計(jì)算單元，光伏組件自重考慮0.25 kN/m2，鋼筋混凝土基礎(chǔ)容重考慮24 kN/m3。

圖6 光伏支架風(fēng)荷載受力簡(jiǎn)圖

2.2.2 基礎(chǔ)方案

根據(jù)《太陽(yáng)能發(fā)電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，基礎(chǔ)埋深不小于500 mm，可以不考慮基礎(chǔ)抗滑移驗(yàn)算。因此為節(jié)約鋼筋混凝土工程量、節(jié)省土建造價(jià)，部分基礎(chǔ)考慮埋入表面覆土中，支架基礎(chǔ)底面標(biāo)高考慮為-0.5 m。圖7～圖10分別為獨(dú)立基礎(chǔ)方案、橫向條形基礎(chǔ)方案、縱向條形基礎(chǔ)方案、網(wǎng)狀基礎(chǔ)方案的平面布置圖及橫向剖面圖。

1)獨(dú)立基礎(chǔ)方案

獨(dú)立基礎(chǔ)方案每一根鋼支柱下分別設(shè)置一個(gè)混凝土基礎(chǔ)，由于受力特性差異，前支柱基礎(chǔ)較小，尺寸為0.7 m(長(zhǎng))×0.5 m(寬)×0.5 m(高)，后支柱基礎(chǔ)較大，尺寸為 0.7 m(長(zhǎng))×0.8 m(寬 )×0.5 m(高)，如圖7所示。

圖7 獨(dú)立基礎(chǔ)方案示意圖

2)橫向條形基礎(chǔ)方案

橫向條形基礎(chǔ)方案每一橫列前后支柱共用一個(gè)條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為3.7 m(長(zhǎng) )×0.4 m(寬 )×0.5 m(高 )，兩支柱中間部分基礎(chǔ)寬度收縮為0.4 m，高度收縮為0.3 m，如圖8所示。

圖8 橫向條形基礎(chǔ)方案示意圖

3)縱向條形基礎(chǔ)方案

縱向條形基礎(chǔ)方案每一縱列前支柱共用一個(gè)條形基礎(chǔ)，每一縱列后支柱共用一個(gè)條形基礎(chǔ)?；A(chǔ)尺寸為16.15 m(長(zhǎng))×0.3 m(寬)×0.3 m(高)，在鋼支柱柱腳處0.4 m寬度范圍內(nèi)基礎(chǔ)高度加大為0.5 m，如圖9所示。

圖9 縱向條形基礎(chǔ)方案示意圖

4)網(wǎng)狀基礎(chǔ)方案

網(wǎng)狀基礎(chǔ)方案鋼支柱橫向及縱向均用條形基礎(chǔ)連接，基礎(chǔ)寬度及高度均為0.3 m，基礎(chǔ)高度均為0.3 m，在鋼支柱柱腳處0.3 m寬度范圍內(nèi)基礎(chǔ)高度加大為0.5 m，如圖10所示。

圖10 網(wǎng)狀基礎(chǔ)方案示意圖

2.2.3 基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)果及分析

分別計(jì)算光伏支架前支柱抗拔、后支柱抗拔、負(fù)壓工況后支柱抗傾覆、負(fù)壓工況前支柱抗傾覆、正壓工況后支柱抗傾覆、正壓工況前支柱抗傾覆。光伏支架基礎(chǔ)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不應(yīng)小于1.60，從表1可見(jiàn)，各基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案安全系數(shù)均大于1.60，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范規(guī)程穩(wěn)定性要求。獨(dú)立基礎(chǔ)最小安全系數(shù)為負(fù)壓后支柱抗傾覆系數(shù)，數(shù)值為1.74；橫向條形基礎(chǔ)最小安全系數(shù)為負(fù)壓后支柱抗傾覆系數(shù)，數(shù)值為1.60；縱向條形基礎(chǔ)最小安全系數(shù)為負(fù)壓后支柱抗傾覆系數(shù)，數(shù)值為1.88；網(wǎng)狀基礎(chǔ)最小安全系數(shù)為負(fù)壓后支柱抗傾覆系數(shù)，數(shù)值為2.47。由于光伏支架基礎(chǔ)斷面還需要滿(mǎn)足一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及安裝尺寸，因此并不能所有方案安全系數(shù)均按1.60設(shè)計(jì)，綜合考慮，以上基礎(chǔ)方案截面為最優(yōu)斷面。統(tǒng)計(jì)每個(gè)計(jì)算單元所需要的鋼筋混凝土工程量見(jiàn)表2所列。

表1 光伏支架基礎(chǔ)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 計(jì)算單元基礎(chǔ)鋼筋混凝土工程量統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)分析，可以得到如下三個(gè)結(jié)論：

1)獨(dú)立基礎(chǔ)方案鋼筋混凝土工程量最小，為2.73 m3，橫向條形基礎(chǔ)次之，為2.92 m3，網(wǎng)狀基礎(chǔ)鋼筋混凝土工程量最多，為4.51 m3，縱向條形基礎(chǔ)工程量位于橫向條基與網(wǎng)狀基礎(chǔ)之間，為3.195 m3。

2)獨(dú)立基礎(chǔ)由于基礎(chǔ)之間協(xié)調(diào)性差，其抵抗地基不均勻沉降能力最差；橫向條形基礎(chǔ)由于橫向鋼支柱都位于同一基礎(chǔ)上，其抵抗地基不均勻沉降能力強(qiáng)于獨(dú)立基礎(chǔ)方案；而縱向條形基礎(chǔ)整個(gè)光伏板前支柱在同一基礎(chǔ)上，后支柱也在同一基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)長(zhǎng)度更長(zhǎng)，整體性更好，因此其抵抗地基不均勻沉降能力強(qiáng)于橫向條形基礎(chǔ)方案；網(wǎng)狀基礎(chǔ)則是整個(gè)光伏板所有支柱均置于同一基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)性和整體性最好，極大減小了光伏支架由于沉降造成的鋼結(jié)構(gòu)拉壞的風(fēng)險(xiǎn)，從抵抗地基不均勻沉降方面來(lái)說(shuō)是本工程最優(yōu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

3)需要注意的是，如果垃圾填埋場(chǎng)地并不是局部沉降，而是自身大面積整體沉降，無(wú)論哪種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，均不能完全解決沉降造成的光伏板角度改變的問(wèn)題，有可能會(huì)造成光伏電站發(fā)電量損失，這部分風(fēng)險(xiǎn)需要在項(xiàng)目前期有所考慮。

綜上，在垃圾填埋場(chǎng)這類(lèi)特殊軟弱場(chǎng)地上修建光伏電站項(xiàng)目，為盡量減輕場(chǎng)地自身沉降對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響以及保證光伏支架的結(jié)構(gòu)安全，勢(shì)必會(huì)造成光伏支架基礎(chǔ)工程量的增加。對(duì)于如何在安全性與經(jīng)濟(jì)性之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，這需要專(zhuān)業(yè)的垃圾填埋場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)具體的項(xiàng)目場(chǎng)地進(jìn)行安全性評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)合勘察資料與評(píng)估建議，設(shè)計(jì)人員再?gòu)母髟O(shè)計(jì)方案中選擇最適宜的工程設(shè)計(jì)方案，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，以求達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

3 設(shè)計(jì)及應(yīng)用建議

雖然垃圾填埋場(chǎng)場(chǎng)地條件有很多天然的劣勢(shì)和不足，但在垃圾填埋場(chǎng)地上新建太陽(yáng)能光伏電站實(shí)現(xiàn)了土地資源的二次利用，其仍將是未來(lái)光伏項(xiàng)目發(fā)展的趨勢(shì)。由于目前國(guó)內(nèi)相關(guān)工程實(shí)踐較少，相關(guān)研究、設(shè)計(jì)及工程建設(shè)仍存在一些問(wèn)題。針對(duì)不足，提出如下一些設(shè)計(jì)及應(yīng)用建議：

1)從結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)角度出發(fā)，為盡量減小垃圾填埋場(chǎng)不均勻沉降對(duì)光伏支架安全以及發(fā)電量的影響，光伏陣列支架可以采用小陣列、多支架的設(shè)計(jì)方案。比如可以減小光伏板縱向長(zhǎng)度，減小每一塊光伏板上布置的光伏組件數(shù)量，甚至可以選擇豎向單排的組件布置形式，這樣的布置可以使局部場(chǎng)地產(chǎn)生沉降對(duì)周邊相鄰光伏板的影響較小。但小陣列、多支架的布置方式可能會(huì)對(duì)項(xiàng)目總裝機(jī)容量造成一定影響，因此，采用此類(lèi)布置需要和電氣或總圖專(zhuān)業(yè)密切配合。

2)通常垃圾填埋場(chǎng)地基處理由第三方專(zhuān)業(yè)地基處理公司完成。因此，在場(chǎng)地地基處理之前，雙方應(yīng)密切配合，設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定所需地基處理后地基承載力特征值、垃圾層上覆蓋土層厚度及壓實(shí)系數(shù)等相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提供給地基處理公司，其再根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行場(chǎng)地處理設(shè)計(jì)。

3)目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)程和規(guī)范針對(duì)在垃圾填埋場(chǎng)上新建光伏電站項(xiàng)目的相關(guān)內(nèi)容較少，應(yīng)盡快完善規(guī)范體系和規(guī)范內(nèi)容，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，對(duì)于不同光伏規(guī)范上存在的矛盾條款應(yīng)進(jìn)行修訂或者更改。

4)減輕垃圾填埋場(chǎng)地沉降對(duì)光伏支架破壞以及對(duì)光伏發(fā)電量影響的風(fēng)險(xiǎn)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致土建工程費(fèi)用增加，必要時(shí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員應(yīng)和業(yè)主方密切溝通，對(duì)工程造價(jià)、光伏支架安全性、發(fā)電量穩(wěn)定性、總裝機(jī)發(fā)電量之間的矛盾問(wèn)題進(jìn)行取舍與決策。達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)相關(guān)研究現(xiàn)狀，并根據(jù)實(shí)際工程對(duì)不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)不同的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了土建工程量比較，分析了不同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出了其在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，為垃圾填埋場(chǎng)光伏電站項(xiàng)目將來(lái)的建設(shè)與研究提供借鑒和參考。