光伏電站螺旋樁的應用及計算

特變電工新疆新能源股份有限公司 ■ 張 湉 黃 華 何銀濤

0 引言

隨著世界環境的惡化，對清潔能源的需求也越來越迫切，對清潔能源生產本身對環境的污染也有了更高的要求。太陽能光伏電站建設過程中，電池組件支架基礎部分與土壤直接接觸，對環境、植被等影響較大[1]。螺旋樁的應用不僅能節省項目建設費用，縮短建設周期，使電站早日投產發電，同時也節能環保、可再回收循環利用，具有良好的經濟效益和社會效益。

1 工程簡介

1.1 工程地址及氣象條件

本項目建設容量為20 MWp，地處青海省海西州烏蘭縣希里溝鎮，位于烏蘭縣城東南部東大灘上，距離希里溝鎮中心約20 km，距離北側的315國道約25 km。交通較為便利。

烏蘭縣具有明顯的高寒大陸性氣候，年平均氣溫3.2 ℃，年最高氣溫27.2 ℃；年平均降水量159 mm；主導風向為西北風，夏季主導風向為東南風；年最大風速36 m/s，全年大風時數約26天。

1.2 工程主要技術數據

1)基本風壓為0.8 kPa，基本雪壓為0.15 kPa；2)地震設防烈度為7度，基本地震加速度值為0.10 g；3)建筑場地類別為Ⅱ類；4)標準凍土層深度1.66 m；5)根據巖土工程勘查報告，可不考慮地下水的影響。

1.3 電站詳細地質條件

擬建生產區在勘探深度內揭露的地層(一層)為細砂(Q4eol)，其巖性特征描述為：

土黃、褐黃色，干燥－稍濕，稍密，砂質較純凈，顆粒較均勻；主要成分為石英、長石等，其中粒徑0.075～2 mm者約占88.3%～98.4%，粒徑小于0.075 mm者約占2.1%～6.0%；局部夾有零星礫石及礫砂薄層，呈透鏡體狀分布，不連續。揭露厚度7.4～15.4 m，場區均有分布。表1為項目現場巖土主要物理力學性質指標值。

表1 巖土主要物理力學性質指標值

2 螺旋樁力學分析

2.1 設計原則

本項目選用組件尺寸為1640×992×40，40塊組件為一個單元，每個單元支架上豎向雙排安裝2×20塊太陽電池組件，支架傾角35°。支架采用通用支架，每一單元支架前后布置兩排螺旋樁，共14根螺旋樁。支架單元平面布置圖如圖1所示。

圖1 支架單元平面布置圖

根據勘察報告提供的資料，本工程上部主要為松散狀態的砂壤土和較密狀態的角礫層，根據上述土層情況及以往工程經驗，選用雙葉片螺旋樁。螺旋樁鋼管直徑76 mm、壁厚4 mm，樁長2.0 m，安裝支架需露出地面長度按200 mm考慮，則實際旋入地下1.8 m。兩道葉片直徑均為176 mm、厚度4 mm，上道葉片距樁端720 mm，下道葉片距樁端100 mm。螺旋樁詳圖見圖2。

根據支架結構計算書提取數據，傳遞到單樁樁頂的荷載為支座反力：正風壓Fz(壓力)=12.17 kN；負風壓Fz(拔力)=9.6 kN。

2.2 受力計算

螺旋樁主要由中間的鋼管和焊接于鋼管上的螺旋葉片組成。當樁頂受力時，作用在樁頂的荷載部分由中間的鋼管與土體之間的側摩阻力承擔，部分由螺旋葉片所受的土體抗力承擔。當有2個及以上葉片時，部分荷載由葉片之間的土柱與周圍土體之間的側摩阻力承擔。根據現有樁基規范的相關規定，結合多年工作經驗，采用如圖3所示受力模式進行螺旋樁的承載力計算。

2.2.1 抗壓承載力計算

抗壓承載力計算式為[2]：

式中：Quk為單樁豎向抗壓極限承載力標準值；Qs1k為樁頂以下第一道葉片以上鋼管極限側摩阻力標準值，參考JGJ 94-2008建筑樁基技術規范5.3.6 條的規定[2]，第一道葉片以上 1倍的葉片直徑長度范圍不計側阻力；Qs2k為葉片之間土柱與周圍土體之間的極限側阻力標準值；Qpk為由葉片發揮的極限樁端阻力標準值；K為安全系數。

本工程上部松散狀態的砂壤土厚約1.0 m，考慮結構長期受風荷載作用的影響，以及螺旋樁施工時葉片對土體的切割作用，承載力計算時，不考慮上部松散狀態砂壤土的作用。根據相關規范[3]，第一層細砂樁側土體極限側阻力標準值取為50 Pa，極限端阻力標準值qpk取為200 kPa；λ為樁端閉塞效應系數，對閉口樁λ=1。

Nk=Fz(壓力)=12.17 kN＜Quk=30.14 kN，滿足抗壓承載力要求。

2.2.2 抗拔承載力計算

抗拔承載力計算式為[2]：

式中：Tuk為單樁豎向抗拔極限承載力標準值；Ts1k為樁頂以下第一道葉片以上由鋼管與周圍土體之間的摩擦產生的極限側摩阻力標準值，鋼管計算長度應扣除受葉片影響的范圍；Ts2k為葉片之間土柱及受葉片影響的破壞柱體與周圍土體之間的極限側阻力標準值。參考JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》5.4.6條的規定，受葉片影響的破壞柱體長度按4d考慮[2]；Ggp為螺旋樁自重、葉片之間土體自重及受葉片影響的破壞柱體自重之和；K為安全系數。

抗拔系數取為0.5，其余參數見表1，抗拔承載力計算如下：

Ts1k=πdΣλiqsikli=3.14×0.076×0.5×50×(1.8-0.72-0.1-2×0.076)=4.94 kN；

Ts2k=πDΣλiqsikli=3.14×0.176×0.5×50×(0.72+0.1+4×0.076)=15.53 kN；

Ggp可忽略不計；

Nk=Fz(拔力)=9.6 kN

2.3 結論

本工程場地主要為砂性土，適宜采用雙葉片的螺旋樁作為光伏組件固定支架的基礎。通過計算分析，選擇雙葉片螺旋樁，鋼管直徑為76 mm，樁長2 m，葉片直徑176 mm，下道葉片距樁尖100 mm，兩道葉片之間的距離為720 mm。螺旋樁的單樁抗壓承載力特征值為14.6 kN，大于抗壓荷載標準值12.17 kN，滿足抗壓承載力要求。螺旋樁單樁抗拔承載力特征值為10.23 kN，大于抗拔荷載標準值9.6 kN，滿足抗拔承載力要求。

3 結束語

本文參考《建筑樁基技術規范》，結合作者多年的工作經驗，闡述了螺旋樁在光伏電站中的設計原則，給出了螺旋樁抗壓承載力及抗拔承載力理論計算方法，可供從事此專業的人員參考。考慮到地質條件的復雜性，螺旋樁設計時，在滿足理論計算的同時，必須要在現場進行測試，確保理論與實際均符合要求。

[1] GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

[2] JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范[S].

[3] GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范[S].