淺談條形基礎(chǔ)在光伏電站工程中的應(yīng)用

中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司 ■ 李建標(biāo) 高旭英

一 引言

煤炭、石油等化石燃料，由于資源儲(chǔ)備和環(huán)境污染問題，將難以滿足人類社會(huì)發(fā)展對(duì)能源的持續(xù)增長(zhǎng)性需要，新的清潔綠色能源發(fā)電將逐步取代傳統(tǒng)能源。太陽(yáng)能是一次能源，又是清潔的、可再生的，對(duì)環(huán)境沒有污染。人類利用太陽(yáng)能的歷史非常久遠(yuǎn)，目前光熱發(fā)電和光伏發(fā)電已經(jīng)成為太陽(yáng)能的主要利用方式。中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，理論儲(chǔ)量每年達(dá)1.7×1012t標(biāo)準(zhǔn)煤，擁有巨大的開發(fā)潛能。近年來(lái)，在我國(guó)政府出臺(tái)政策大力扶持下，光伏技術(shù)有了飛躍性的進(jìn)步，光伏組件及其他輔助設(shè)備價(jià)格大幅下降，我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)獲得了非常好的發(fā)展空間。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電站是以光伏發(fā)電系統(tǒng)為主，包含各類建(構(gòu))筑物及檢修、維護(hù)、生活等輔助設(shè)施在內(nèi)的發(fā)電站。光伏組件是光伏發(fā)電站的基本組成部分。在光伏電站工程中，光伏組件支架基礎(chǔ)作為光伏電站基礎(chǔ)設(shè)施中的主要工程內(nèi)容，由于其數(shù)量龐大、所占成本比例大，如何優(yōu)化光伏組件支架基礎(chǔ)、提高支架基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)性和施工速度，已成為控制土建工程的關(guān)鍵問題。

二 設(shè)計(jì)注意問題

1 指導(dǎo)規(guī)范

光伏支架屬輕鋼結(jié)構(gòu)，光伏支架基礎(chǔ)主要有受風(fēng)荷載和自重荷載等，由于其受力較小，荷載作用較簡(jiǎn)單。一直以來(lái)，光伏組件基礎(chǔ)設(shè)計(jì)沒有得到行業(yè)的重視。隨著近年來(lái)我國(guó)光伏發(fā)電場(chǎng)的大力建設(shè)，我國(guó)于2012年發(fā)布了GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》，這也是我國(guó)光伏發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要指導(dǎo)規(guī)范。

2 設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)

目前，光伏支架基礎(chǔ)常見的有獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、預(yù)制樁基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)、鋼螺旋狀基礎(chǔ)。獨(dú)立基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)的控制標(biāo)準(zhǔn)主要是基礎(chǔ)底面脫開面積比、地基承載力、基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定及基礎(chǔ)抗滑移；樁基礎(chǔ)的控制標(biāo)準(zhǔn)主要是單樁豎向承載力、抗拔力、及樁基水平力承載力。由于支架豎向力很小，地基承載力和單樁豎向承載力一般影響不大。

3 場(chǎng)地條件

光伏發(fā)電站比普通工業(yè)建筑占地面積大，建設(shè)廠區(qū)大部分處于戈壁、草原、灘涂等荒漠人煙稀少之地，地勢(shì)的起伏、地層巖性、凍土深度、地基土的腐蝕性評(píng)價(jià)等直接影響光伏支架基礎(chǔ)方案的確定，進(jìn)而影響土建成本造價(jià)。

新疆地區(qū)位于我國(guó)西北邊陲，由于其特定的地理位置和自然條件，太陽(yáng)能資源非常豐富，很適合建設(shè)大規(guī)模光伏電站。本文結(jié)合新疆石城子光伏發(fā)電站工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過工程實(shí)例，探討了構(gòu)造式條形基礎(chǔ)在光伏電站支架基礎(chǔ)中的應(yīng)用。

三 設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

1 場(chǎng)地基本資料

(1)場(chǎng)地地質(zhì)條件

光伏場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件是光伏支架設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。本工程場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，根據(jù)勘探揭露，場(chǎng)地為第四系沖洪積形成的角礫層，中密－密實(shí)，充填物主要為中粗砂及粉土，級(jí)配良好，厚度穩(wěn)定。巖土層物理力學(xué)指標(biāo)為：角礫：fak=250kPa、γ=20kN/m3、工程建設(shè)場(chǎng)地地形平緩開闊，場(chǎng)區(qū)及周邊無(wú)滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、采空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)液化地層。綜合評(píng)價(jià)：本工程建程場(chǎng)地、地基穩(wěn)定性良好，適宜工程建設(shè)。

場(chǎng)地存在季節(jié)性凍土，最大凍土深度為127 c m。

(2)地下水及腐蝕性

場(chǎng)區(qū)地下水屬富水程度弱的松散巖類孔隙含水巖組，屬地下水荒無(wú)區(qū)，潛水埋藏深度大于80m，可不考慮地下水對(duì)支架基礎(chǔ)的影響。

本項(xiàng)目的場(chǎng)地環(huán)境類別是Ⅲ類，根據(jù)試驗(yàn)綜合評(píng)定，地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)呈中等腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋也呈中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

(3)場(chǎng)地地震效應(yīng)

依據(jù)中國(guó)地震局1∶400萬(wàn)《中國(guó)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》、《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》、GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，場(chǎng)址設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，地震基本烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。中硬土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

2 光伏組件陣列布置

本工程采用單片為245Wp的多晶硅電池組件，40塊組件組成一個(gè)陣列，橫向有20列，豎向?yàn)?行。支架傾角，采用橫梁、斜梁、立柱、斜撐組成，跨度為2700mm，前后立柱之間間距為1900mm。如圖1、2所示。

四 支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程地基土具有中等腐蝕性，螺旋鋼管樁除應(yīng)滿足基礎(chǔ)強(qiáng)度要求外，還需滿足腐蝕性要求，不適合本工程；若采用樁基礎(chǔ)，場(chǎng)地土質(zhì)較硬，需投入大量專用機(jī)械設(shè)備，以及后續(xù)還存在成孔問題。故本工程為了減少大量開挖土方，加快施工進(jìn)度，選用條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。由于基礎(chǔ)土質(zhì)較好，場(chǎng)地土為不凍脹土，基礎(chǔ)放置于地面上。

條形基礎(chǔ)承受支架傳來(lái)的力，支架結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過對(duì)支架進(jìn)行各種工況下的荷載組合計(jì)算，影響支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制組合見表1，條形基礎(chǔ)常規(guī)設(shè)計(jì)即對(duì)稱布置(方案一)受力圖如圖3所示。

1 設(shè)計(jì)控制指標(biāo)及影響因素

表1 荷載控制組合標(biāo)準(zhǔn)值

對(duì)條形基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度、變形、抗傾覆、抗滑移驗(yàn)算，影響基礎(chǔ)截面的控制指標(biāo)主要為基礎(chǔ)脫開面積比、傾覆穩(wěn)定值、滑移穩(wěn)定值，見表2。

表2 地基基礎(chǔ)計(jì)算的控制指標(biāo)

為了得到合理的條基方案，優(yōu)化混凝土用量。通過計(jì)算分析條形基礎(chǔ)不同寬度、高度、長(zhǎng)度變化對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響。圖4為高度、長(zhǎng)度相同，不同寬度的條形基礎(chǔ)在荷載控制組合作用下的影響曲線；圖5為寬度、長(zhǎng)度相同，不同高度的條形基礎(chǔ)在荷載控制組合作用下的影響曲線；圖6為寬度、高度相同，不同長(zhǎng)度的條形基礎(chǔ)在荷載控制組合作用下的影響曲線。由圖可看出，此控制荷載組合作用下，同時(shí)滿足3個(gè)指標(biāo)基礎(chǔ)截面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素為滑移計(jì)算。

通過計(jì)算分析，由圖4～6可看出滑移指標(biāo)與條基體積成正比，如果不改變條基形式，這一指標(biāo)直接決定了條形基礎(chǔ)混凝土用量。

2 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

本工程通過改造條基形式，利用支架基礎(chǔ)前后立柱受力不均使條形基礎(chǔ)偏心布置，并增加防滑鍵來(lái)抵抗基礎(chǔ)滑移，從而達(dá)到減少混凝土用量的目的。圖7為改造后的條形基礎(chǔ)形式受力示意圖，改造后的條形基礎(chǔ)稱之為構(gòu)造式條型基礎(chǔ)(方案二)。采用上面的荷載控制組合對(duì)方案二進(jìn)行受力分析，圖6 b為同一截面下，不同長(zhǎng)度的構(gòu)造式條形基礎(chǔ)在控制荷載組合作用下的影響曲線。對(duì)比方案一(圖6 a)可看出，采用構(gòu)造式條基基礎(chǔ)體積明顯減低。

3 支架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案比較

通過工程計(jì)算，控制指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求下采用兩種基礎(chǔ)方案計(jì)算比較，見下表3

表3 條形基礎(chǔ)方案比選表

五 結(jié)語(yǔ)

本文通過工程分析實(shí)例，簡(jiǎn)單敘述了條形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)過程，并根據(jù)實(shí)際支架荷載作用，選擇不利荷載工況下的控制指標(biāo)，對(duì)條形基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)改造，提出構(gòu)造式條形基礎(chǔ)方案。在滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范要求的情況下，達(dá)到優(yōu)化工程量、控制成本的目的。希望對(duì)光伏支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的探討研究具有一定參考價(jià)值。

[1] 史冬云，劉勁松，白曉威.光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀、存在問題及對(duì)策[J].吉林電力，2011, 39(6)：24－26.

[2] GB5007-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB5007-2012, 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB50011-2010, 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].