近海灘涂光伏樁基施工工藝探討

宋政昌 王超 周成龍 魏玉平

摘要：作為近海灘涂光伏項目的關鍵組成部分，樁基施工方法的選取直接影響到光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率。深入分析了近海灘涂光伏樁基施工面臨的技術挑戰(zhàn)（地質(zhì)條件復雜、施工環(huán)境惡劣、環(huán)保要求高）、施工工藝、施工關鍵技術（樁位標定及樁基運輸、施工、安裝等）以及施工常見問題（樁身傾斜、斷裂及樁基承載力不足等），并針對性地提出了相應解決方案。研究成果可為未來近海灘涂光伏項目施工提供參考和技術支持。

關鍵詞：近海灘涂； 光伏系統(tǒng)； 樁基施工； 施工方法

中圖法分類號： TU744

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.032

0引 言

隨著全球氣候變化和環(huán)境問題的日益嚴重，太陽能開發(fā)和利用已成為全球能源轉型的重要方向。目前中國大型地面光伏項目分布較為分散，早期以具備優(yōu)秀資源條件的西北地區(qū)為主，經(jīng) 2017年大規(guī)模快速建設之后，大型地面項目由西北向東、中部轉移，特別是在靠近電力負荷中心的東南沿海建設光伏電站是當前熱點［1-2］。中國擁有1.8萬km海岸線，發(fā)展海上光伏不僅可以解決土地問題，還具有天然的環(huán)境優(yōu)勢，預計海上光伏裝機規(guī)模超過70 GW［3］。沿海灘涂資源豐富，總面積達151.23 萬hm2，其中95%以上分布在大陸岸線的潮間帶［4］。灘涂光伏電站建設有助于改善當?shù)啬茉唇Y構，緩解供電壓力，促進經(jīng)濟綠色健康發(fā)展［5］。

近海灘涂作為一種特殊的土地資源，主要指平均高潮線以下低潮線以上的沿海區(qū)域，即沿海大潮高潮位與低潮位之間的潮間地帶。所以，近海灘涂既屬于土地，又是沿海海域的組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯過渡地帶。近海灘涂具有光照充足、土地廣闊等優(yōu)勢，是太陽能光伏項目開發(fā)的理想場所。近海灘涂光伏開發(fā)不僅可以提高可再生能源的利用率，還可以促進地方經(jīng)濟發(fā)展，改善能源結構，具有重要意義。然而，與陸地光伏項目相比，近海灘涂光伏項目的樁基施工面臨著更為復雜的地質(zhì)環(huán)境、更高的技術要求以及更嚴格的環(huán)保標準。因此，如何選擇合適的樁基施工方法，確保施工質(zhì)量和安全，成為了近海灘涂光伏項目成功的關鍵?；诖耍疚纳钊敕治隽私┩抗夥鼧痘┕っ媾R的技術挑戰(zhàn)、施工工藝、施工關鍵技術、施工常見問題及相應的解決方案，以期為近海灘涂光伏項目施工提供參考。

1施工技術挑戰(zhàn)

1.1地質(zhì)條件復雜

近海灘涂地區(qū)地質(zhì)條件復雜多變，包括軟土、淤泥、砂土等多種土壤類型，與傳統(tǒng)光伏電站項目相比，海上灘涂光伏項目存在地基承載力較弱、土方施工困難、地下水位淺、腐蝕性較強等特點，給樁基施工帶來了很大的技術挑戰(zhàn)［6］。不同類型的土壤對樁基的承載力和變形性能有不同的要求，因此需要選擇合適的樁基類型和施工方法。

地質(zhì)環(huán)境對近海灘涂光伏樁基施工的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：① 灘涂施工區(qū)域雖然地勢起伏不大，各基礎點位高程也不一致，但常規(guī)施工方案要求光伏支架基礎頂部達到統(tǒng)一控制高潮水位，精確控制施工樁基的高程，造成灘涂光伏樁基施工難度和施工成本居高不下。② 灘涂地區(qū)表層一般為第四系沉積物，要么是松散—稍密的粉砂、粉土類為主的砂性土地基，要么是淤泥及淤泥質(zhì)為主的軟土地基，深部多為中密或高密鵝卵石，地質(zhì)條件較為復雜，采用常規(guī)打樁機進行基礎施工，施工難度大。③ 由于灘涂土質(zhì)松軟，樁基易發(fā)生不均勻沉降，樁基垂直度難以控制，容易導致后期光伏支架組件傾角偏移，引起光伏電池板傾斜角度偏移使發(fā)電量減少。④ 灘涂光伏施工裝備一般質(zhì)量較大，松軟的灘涂地上承載能力差，對施工裝備的移動和施工效率造成極大困擾［7］。

針對不同地區(qū)近海灘涂的地質(zhì)條件，需選擇合適的樁基施工方法和設備，確保樁基的穩(wěn)定性和承載力。同時，還需進行詳細的地質(zhì)勘探和試樁工作，以獲取準確的地質(zhì)參數(shù)和施工經(jīng)驗。

1.2施工環(huán)境惡劣

近海灘涂地區(qū)施工環(huán)境惡劣，常受到潮汐、風浪、水流等因素的影響，這些環(huán)境因素不僅增加了施工難度，還可能對樁基的穩(wěn)定性和安全性造成威脅。因此，需要采取一系列措施來應對惡劣的施工環(huán)境，確保施工質(zhì)量和安全。

灘涂地區(qū)受潮汐影響大，水位漲落可能導致施工設備、材料被淹沒或沖走，增加施工難度和成本。同時，潮汐也可能影響施工進度，需要施工單位合理安排施工時間，避開漲潮時段。灘涂光伏施工區(qū)域落潮期地貌見圖1，漲潮期間灘涂光伏施工現(xiàn)場見圖2。

強風和大浪可能對施工設備和人員造成直接沖擊，增加施工安全風險。同時，風浪還可能造成施工現(xiàn)場的臨時設施損壞，影響施工正常進行。

灘涂地區(qū)水流復雜，可能對施工設備、材料的運輸和安裝造成不便。水流也可能導致施工區(qū)域出現(xiàn)泥沙淤積，影響施工進度和質(zhì)量。

強風除了對施工設備和人員有影響外，還可能帶來沙塵、鹽霧等污染物，對光伏組件和電氣設備造成腐蝕和污染。同時，風況不穩(wěn)定也可能導致施工操作難以穩(wěn)定進行，增加施工難度。

針對惡劣的施工環(huán)境，應選擇合適的施工時間窗口，避免在潮汐變化較大或風浪較大的時段施工；同時加強施工現(xiàn)場的安全管理，確保施工人員的安全；并采用先進的施工設備和技術，提高施工效率和質(zhì)量。

1.3環(huán)保要求高

近海灘涂地區(qū)是生態(tài)環(huán)境脆弱的區(qū)域，樁基施工過程中對環(huán)保的要求十分嚴格，需要施工單位從規(guī)劃、施工、材料選擇、廢棄物處理等多個方面綜合考慮，確保施工過程和光伏電站的運營都符合環(huán)保要求，保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的穩(wěn)定與可持續(xù)發(fā)展。

在施工過程中，需要采取環(huán)保措施，減少對環(huán)境的影響。例如，施工過程中的噪音、粉塵、廢水等污染物的排放需要嚴格控制；選擇環(huán)保型施工材料和設備，減少施工噪音和廢氣排放；合理規(guī)劃施工區(qū)域和臨時設施，減少對灘涂植被的破壞等。

此外，施工單位還應加強施工過程中的環(huán)保宣傳教育，提高施工人員的環(huán)保意識。通過加強現(xiàn)場管理，確保各項環(huán)保措施得到有效執(zhí)行。同時，施工單位還應與當?shù)卣?、環(huán)保部門等密切合作，共同推動灘涂光伏施工的環(huán)保工作。

最后，施工完成后，施工單位還需要進行環(huán)保驗收和監(jiān)測工作，確保光伏電站的運營不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生負面影響。這包括做好施工廢棄物的處理和回收工作，同時對水質(zhì)、土壤、生物多樣性等進行長期監(jiān)測，以及時處理可能出現(xiàn)的環(huán)境問題。

2施工工藝流程

2.1施工準備

在施工前，需要進行詳細的現(xiàn)場勘查和地質(zhì)調(diào)查，了解近海灘涂地區(qū)的地質(zhì)條件、水文環(huán)境等信息。同時，制定施工方案和安全措施，明確施工任務和目標。

2.2樁基設計

樁基設計是一個復雜且關鍵的過程，需綜合考慮地質(zhì)條件、荷載要求、使用壽命等因素，它涉及到地質(zhì)勘測、材料選擇、布局規(guī)劃等多個方面。設計內(nèi)容包括樁型選擇、樁徑、樁長、樁間距等參數(shù)的確定。設計過程中需要充分考慮近海灘涂地區(qū)的特殊環(huán)境條件和長期運行的安全性。

為了延長樁基壽命，可以采用抗腐蝕材料，如鍍鋅鋼管樁或預應力混凝土樁。鋼管樁具有強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，適用于軟土、淤泥等地質(zhì)條件較差的地區(qū)；預應力混凝土樁則具有較高的承載力和耐久性，適用于地質(zhì)條件較好的地區(qū)。根據(jù)對已開工灘涂光伏項目的調(diào)查，目前灘涂光伏多采用預應力混凝土樁，型號多為PHC400和PHC600。

根據(jù)光伏組件的尺寸和布局，需要合理設置樁基的間距和排列方式，這有助于優(yōu)化光伏電站的發(fā)電效率，同時確保樁基之間的穩(wěn)定性。一般來說，樁基的橫向間距和縱向間距需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以滿足電站的支撐需求。

2.3施工工法及設備選擇

近海灘涂光伏樁基施工方法主要包括打入法、壓入法和鉆孔灌注樁法等［8］。不同的施工方法適用于不同的地質(zhì)條件和施工環(huán)境。

打入樁法是利用打樁機將預制好的樁體打入土壤中，通過樁與土壤之間的摩擦力或端承力來承受光伏系統(tǒng)的荷載。該方法具有施工速度快、成本低等優(yōu)點，適用于地質(zhì)條件較好的近海灘涂地區(qū)，對于軟土、淤泥等地質(zhì)條件較差的地區(qū)，打入樁法可能難以實施。

壓入樁法是通過靜力壓樁機將樁體壓入土壤中，利用樁身的自重和壓樁機的壓力將樁體壓入到設計深度。該方法適用于地質(zhì)條件較差、打入樁法難以實施的地區(qū)，具有施工噪音小、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點，但施工速度較慢，成本較高。

鉆孔灌注樁法是通過鉆孔機械在土壤中鉆孔，然后在孔內(nèi)澆筑混凝土并插入鋼筋籠，形成樁體。該方法適用于地質(zhì)條件復雜、對樁基承載力要求較高的近海灘涂地區(qū)，具有承載力高、適應性強等優(yōu)點，但施工周期較長，成本較高。

施工設備的選型需滿足施工效率、安全性和環(huán)保性的要求。目前根據(jù)不同區(qū)域近海灘涂的實際施工區(qū)域劃分，結合管樁運輸方式合理安排管樁施打順序。樁基施工前，根據(jù)地質(zhì)資料確定不同地塊、區(qū)域沉樁深度。正式施工前，應通過第三方檢測機構進行單樁豎向抗壓靜載、水平靜載、豎向抗拔等試驗［9-10］，采用低應變進行樁身完整性檢測。結合項目的特殊施工環(huán)境，研究形成了潮間帶灘涂施工環(huán)境沉樁施工技術，在有水和無水條件下，通過創(chuàng)新、改進施工設備，實現(xiàn)多方法混凝土管樁全天候沉樁施工。

灘涂區(qū)水深較淺，依現(xiàn)有規(guī)范建造的大型建造船舶很難在該水域進行建造作業(yè)，面對大量原材料運輸及施工需求，目前采用的是履帶運輸車、履帶挖掘機搭配浮筏、自制滑道等方式；施工則采用水路打樁機、改裝浮吊，同時搭建施工輔助平臺、漂浮式施工步道、臨時棧橋等輔助施工［11-12］。結合現(xiàn)有灘涂樁基施工經(jīng)驗進行總結，現(xiàn)有灘涂光伏施工設備主要有以下幾種。

（1） 打樁船沉樁 。

大潮位、遠岸灘涂區(qū)域，潮水滿足打樁船吃水需求時，使用打樁船進行預應力管樁沉樁施工。該類打樁船一般采用“浮箱船+樁機設備”形式，如圖3所示。施工時，運樁船緊靠打樁船。吊樁前，應在樁身以樁靴端部為零點，勘畫樁長刻度線，以便打樁時記錄，吊點位置需符合要求設計，立樁用“一點打”的工藝樁起吊，綁扎點距樁端 0.239 L處（L為單條管樁樁長），捆綁完成，打樁船機長開始操作起樁，慢速升吊樁主鉤，將樁起吊至一定高度，慢速提升導桿式打樁錘，打樁船船員利用繩索配合樁完整進入樁帽，然后吊樁主勾及導桿式打樁錘同步提升，將樁吊起。由樁機自身調(diào)整垂直度至符合要求后，才能對樁施工。開始錘擊時，宜先用低能量、低沖程或空錘錘擊，樁尖入土2 m 后，在確認樁身貫入方向無異常后，方可連續(xù)正常錘擊。

（2） 水陸兩用挖機式打樁機沉樁。

在低潮位無法滿足打裝船吃水需求時，使用水陸兩用挖機改造打樁機進行沉樁作業(yè)。沉樁前，由改裝水陸挖機或卷揚機協(xié)助運樁平臺將管樁運輸?shù)轿?，用另一臺水陸兩用挖機改造打樁機配合打樁作業(yè)。對于水陸兩用挖機改造打樁機（圖4），把挖機頭改裝成震動管樁夾具，在行走履帶兩側增加浮箱以增加承載力。該裝備只能在退潮期作業(yè)，且在灘涂上行走效率較低，設備打樁穩(wěn)定性較差，為保證樁基施工質(zhì)量，成本一直居高不下。尤其是具有半日潮特征的灘涂，漲退潮時間不定，對樁基施工工期較嚴格的近海灘涂光伏項目而言，采用此設備是一種巨大挑戰(zhàn)。

（3） 新型水陸兩棲沉樁設備。

樁基施工效率是決定項目整體工期的關鍵因素。如何克服漲落潮對近海灘涂光伏樁基施工的不利影響，成為提高樁基施工效率的關鍵。水陸兩棲沉樁設備是中國電建西北院自主研發(fā)的新型灘涂樁基施工設備（圖5），該設備可適應漲潮期水深4 m以內(nèi)的灘涂全時段施工作業(yè)。水陸兩棲沉樁設備采用灘涂和水面均適合行走的螺旋滾筒運動動力結構，同時設備配置定位樁結構增強沉樁施工作業(yè)時的穩(wěn)定性。

2.4施工流程規(guī)劃

施工流程規(guī)劃需確保施工過程的連續(xù)性和高效性。在整個樁基施工流程中，除了沉樁技術，如何提高管樁運輸效率，也是提高近海灘涂光伏樁基施工效率最關鍵因素之一。

管樁運輸面臨每日高、低潮水位落差大的難題。高潮水位時，水深滿足運輸需求，由幾十條裝駁船即可完成運輸任務，其載重和運距均較為可觀；低潮水位時，需開挖航道，保證現(xiàn)場具備一定的運輸能力，如圖6所示。

無潮水時，配備一定數(shù)量的水路挖機，結合運樁浮臺，運輸效率為船運的 1/2，如圖7所示。距離岸邊較近的位置，可使用卷揚機搭配運樁浮臺進行對拉牽引，完成管樁近距離運輸。通過技術創(chuàng)新，實現(xiàn)在無圍堰防護條件下灘涂地質(zhì)環(huán)境大規(guī)模成套混凝土管樁的運輸，從而滿足現(xiàn)場高強度的施工需求。

2.5質(zhì)量檢測與驗收

對施工完成的樁基進行質(zhì)量檢測，包括樁身完整性檢測、承載力測試等。檢測合格后，進行驗收并交付使用。質(zhì)量檢測與驗收是確保樁基施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，需要嚴格按照相關標準［8］和規(guī)范執(zhí)行，如表1所列。

3樁基施工要點

（1） 樁位標定。

樁位標定是確保樁基施工精度的關鍵步驟。在近海灘涂地區(qū)，由于地質(zhì)條件復雜多變，樁位標定難度較大。因此，需要采用先進的測量技術和設備，如全站儀、GPS等，進行精確的樁位標定。同時，還需要考慮潮汐、風浪等自然因素的影響，確保樁位標定的準確性和可靠性。

（2） 樁基施工技術。

根據(jù)選定的樁型和施工方案，選擇合適的施工設備和技術進行樁基施工。在施工過程中，應嚴格控制各項參數(shù)，如樁身的垂直度、水平度等。針對不同地質(zhì)條件，應采取不同的施工工法和技術措施，確保施工質(zhì)量。例如，在軟土、淤泥等地質(zhì)條件下，可采用靜壓法或振動法進行樁基施工；在巖石、硬土等地質(zhì)條件下，可采用鉆孔灌注樁或挖孔樁等施工方法進行樁基施工。

（3） 樁基運輸技術。

在近海灘涂區(qū)域，受地勢低洼、土地濕潤、地基不穩(wěn)定以及潮汐變化等不穩(wěn)定因素影響，樁基運輸效率成為制約樁基施工效率的重要因素。針對灘涂地區(qū)的地形、地質(zhì)和水文條件進行深入研究，制定合理的施工方案和運輸計劃，采用特殊的運輸設備和技術，利用好潮水特點合理安排工序，減少運輸過程中的等待時間和資源浪費，是確保實現(xiàn)近海灘涂高效樁基施工的重要保證。

（4） 樁體安裝與固定。

樁體安裝與固定是近海灘涂光伏樁基施工的核心技術之一。在安裝過程中，需嚴格控制樁體的垂直度、水平度等參數(shù)，確保樁體安裝的質(zhì)量。同時，還需要選擇合適的連接件和固定方式，確保樁體與光伏系統(tǒng)之間的連接牢固可靠。安裝完成后還需進行必要的檢測和調(diào)試，確保樁基的穩(wěn)定性和承載能力滿足設計要求。

4樁基施工常見問題及解決方案

4.1樁身傾斜

近海灘涂光伏樁基施工中易出現(xiàn)樁基傾斜的問題，這主要是由多種因素共同導致的，相應的解決方案也不盡相同。

4.1.1地質(zhì)條件影響

灘涂地區(qū)的地質(zhì)條件復雜多變，可能存在大塊硬障礙物、土體密度不勻等問題。這些因素在樁基施工過程中，可能導致樁身受到不均勻的力，從而產(chǎn)生傾斜。

解決方案為：① 加強地質(zhì)勘探，在施工前進行詳盡的地質(zhì)勘探，了解地下障礙物的分布和土體的密度情況，以便在施工中采取相應的措施；② 調(diào)整施工方法，遇到大塊硬障礙物時，應及時調(diào)整樁的垂直度，清理地下障礙物，或調(diào)整壓樁順序，確保樁基的垂直度。

4.1.2施工操作不當

施工過程中的操作不當，如定位插樁不準確、打樁力度不均勻等，也可能導致樁基傾斜。

解決方案為：① 加強施工管理，確保施工人員遵循正確的操作規(guī)程，嚴格控制定位插樁的精度，防止漏樁現(xiàn)象的發(fā)生；② 打樁完畢后，應進行一次全面的復核，確認無誤后方可撤離，確保每一根樁都符合設計要求。

4.1.3環(huán)境因素干擾

近海灘涂地區(qū)常受到風、浪、潮汐等自然因素的影響，這些因素可能在施工過程中對樁基產(chǎn)生干擾，導致傾斜。

解決方案為：① 合理安排施工時間，避開風力較大、潮汐影響明顯的時段進行施工，降低環(huán)境因素對樁基施工的影響；② 增強樁基穩(wěn)定性，選擇抗風浪、抗潮汐能力強的樁基材料和結構，提高樁基的穩(wěn)定性。

4.2樁身斷裂

樁基施工中出現(xiàn)的樁基斷裂問題也是多種因素綜合作用的結果，相應的解決方案各不相同。

4.2.1地質(zhì)條件復雜

灘涂地區(qū)地質(zhì)條件復雜多變，可能存在軟弱土層、地下障礙物等不利因素。這些因素可能導致樁基在施工過程中遇到不均勻的阻力，從而產(chǎn)生應力集中，最終導致樁基斷裂。

具體解決方案為：① 加強地質(zhì)勘探，在施工前進行詳盡的地質(zhì)勘探，了解地下土層的分布和特性，以及可能存在的障礙物，并根據(jù)勘探結果制定合適的樁基施工方案；② 地基處理，對于軟弱土層或地下障礙物，采用地基加固措施，如注漿加固、換填等，提高地基的承載力和穩(wěn)定性。

4.2.2施工操作不當

施工過程中的操作不當，如打樁力度過大、速度過快，或者樁身保護不當?shù)?，都可能導致樁基斷裂?/p>

具體解決方案為：① 規(guī)范施工操作，確保施工人員遵循正確的操作規(guī)程，嚴格控制打樁力度和速度，避免過度沖擊導致樁基斷裂；② 樁身保護，在樁基施工過程中，對樁身進行必要的保護，如設置防護層、避免碰撞等，防止樁身受損；③ 選擇合適的施工設備和方法；④ 在施工過程中加強對樁身的監(jiān)測和保護；⑤ 選擇合適的施工設備和方法；⑥ 嚴格控制施工過程中的各項參數(shù)，如打樁速度、打樁力度等。

4.2.3材料質(zhì)量問題

樁基材料的質(zhì)量問題，如強度不足、抗腐蝕性差等，也可能導致樁基在施工過程中或后期使用過程中發(fā)生斷裂。

具體解決方案為：① 選擇符合規(guī)范要求的優(yōu)質(zhì)樁基材料，確保其具有足夠的強度和抗腐蝕性；② 對進場的樁基材料進行嚴格的質(zhì)量檢測，確保材料質(zhì)量符合設計要求。

4.2.4環(huán)境因素干擾

近海灘涂地區(qū)常受到風、浪、潮汐等自然因素的影響，這些環(huán)境因素可能對樁基產(chǎn)生額外的應力，導致樁基斷裂。

具體解決方案為：① 合理安排施工時間，避開風力較大、潮汐影響明顯的時段進行施工，降低環(huán)境因素對樁基施工的影響；② 增強樁基抗環(huán)境能力，選擇具有較好抗風浪、抗潮汐能力的樁基類型和材料，提高樁基的穩(wěn)定性。

4.3承載力不足

承載力不足可能是由于樁基設計不合理、施工質(zhì)量不高等原因導致的。為此應優(yōu)化樁基設計，加強施工過程中的質(zhì)量控制，確保施工質(zhì)量符合設計要求，在必要時進行補樁或加固處理。

5結 語

樁基施工是近海灘涂光伏項目實施的關鍵環(huán)節(jié)，其施工方法的選取直接影響到光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率。本文深入探討了近海灘涂光伏樁基施工的技術挑戰(zhàn)、施工工藝、施工關鍵技術、樁基施工過程常見問題及可能的解決方案，旨在為未來的近海灘涂光伏項目提供施工參考和技術支持。在未來的發(fā)展中，應繼續(xù)加強技術研發(fā)和創(chuàng)新，提高近海灘涂光伏樁基施工的技術水平和環(huán)保性能，為推動全球能源結構的轉型和應對氣候變化作出更大貢獻。

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（編輯：胡旭東）