地面光伏電站不同陣列基礎類型對水土流失的影響

曹 亮，吳永忠，王世峰

(水利部 牧區(qū)水利科學研究所，內蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，為了改善大氣環(huán)境，減少對礦物燃料的過度使用，清潔能源得到了飛速發(fā)展。光伏發(fā)電作為目前具有較好經(jīng)濟價值的重要清潔能源同樣得到了快速發(fā)展，僅2013年全國就新增裝機容量約10.5 GW[1]。光伏電站主要以地面電站的形式，建在土地資源和太陽能資源豐富的西北地區(qū)，如內蒙古、甘肅、新疆、青海等地。預計到2020年，我國光伏發(fā)電裝機規(guī)模將達到60 GW[1]。

雖然光伏發(fā)電是清潔能源，很少產(chǎn)生污染，對環(huán)境破壞較小，但由于光伏發(fā)電項目占地規(guī)模較大，對水土流失的影響也較大[2]。這些光伏電站多建設在我國的西北地區(qū)，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤和植被受到擾動后極難恢復[3]，而光伏電站的建設會不可避免地對當?shù)氐乃亮魇Мa(chǎn)生影響，尤其是在光伏陣列基礎施工過程中，基礎的開挖、回填等活動會對區(qū)域水土流失產(chǎn)生較大的影響[4]。基礎類型不同，對水土流失的影響有著明顯的差異。地面光伏電站的陣列基礎可以分為螺旋鋼樁基礎、混凝土灌注樁基礎、鋼筋混凝土基礎3種，在這里筆者就不同基礎類型對水土流失的影響進行分析。

1 螺旋鋼樁基礎

螺旋鋼樁基礎是最近幾年才發(fā)展起來的基礎類型。其施工原理是利用機械將事先加工好的螺旋鋼樁直接擠壓進地下，光伏板的布置方式、荷載要求、地質條件不同，其樁徑和長度也有所不同。該類基礎具有施工速度快、工期短、不需要水電、施工人員少、施工費用低、不需要進行場平(可以調整鋼樁的長度以消除場地不平整對光伏板布置方式的影響)，沒有土方開挖、回填，施工費用低等優(yōu)點，缺點是對地質條件、地下水的腐蝕性有一定要求。

施工工藝為樁機安裝→樁機移動就位→吊樁→插樁→錘擊下沉→接樁→擊至設計深度→內切鋼管樁→割樁頭修坡口→焊樁蓋。由螺旋鋼樁的施工工藝及現(xiàn)場調查可以看出，施工時樁機來回移動會碾壓地表植被，破壞表土資源，造成土壤疏松及理化性質改變，產(chǎn)生嚴重風蝕，其余環(huán)節(jié)均不會對光伏電站場地產(chǎn)生嚴重水土流失影響。

內蒙古某40 MWp光伏發(fā)電項目光伏陣列支架基礎為螺旋鋼樁基礎，每個支架方陣單元由2排共20個光伏板組成，設有16個螺旋鋼樁基礎，每個光伏方陣長10.37 m、寬3.33 m。該項目共有8 820個支架方陣，141 120個螺旋鋼樁基礎。根據(jù)螺旋鋼樁施工工藝，結合現(xiàn)場調查，螺旋鋼樁施工時因樁機來回移動對鋼樁外側寬0.75 m范圍內的土地產(chǎn)生較嚴重擾動，破壞了表土資源，造成土壤理化性質下降，易產(chǎn)生嚴重的水土流失，其余區(qū)域只會產(chǎn)生輕微擾動。如圖1所示。該項目占地119.24 hm2，其中施工嚴重擾動區(qū)占地13.72 hm2，約為總占地面積的11.5%，其余大部分區(qū)域土壤、植被基本未受嚴重影響。在后期進行水土流失防治措施布設時，嚴重擾動區(qū)域需實施土地整治等措施[3]，其余輕微擾動區(qū)域若采取土地整治措施反而會破壞土壤植被，只要撒播草種即可[3]。由以上分析可以看出，采用螺旋鋼樁基礎只對項目區(qū)極小部分區(qū)域產(chǎn)生非常嚴重的水土流失影響，大部分區(qū)域的土壤、植被未受到嚴重的破壞。

圖1 螺旋鋼樁基礎施工擾動現(xiàn)場

2 混凝土灌注樁基礎

在西北地區(qū)，混凝土灌注樁的前樁一般比后樁短，前樁埋深一般為1.2～2.7 m，后樁埋深一般為1.5～3.0 m，依最大凍土深及光伏陣列的穩(wěn)定性要求確定。其施工原理是利用樁機直接在樁位上就地成孔，然后在孔內澆筑混凝土或安放鋼筋籠再澆筑混凝土成樁。具有施工噪聲和震動小、適用地基范圍較廣等優(yōu)點，缺點是施工質量的好壞對樁的承載力影響很大、質量較難控制等。

施工工藝為場地平整→樁位放線→開挖漿池、漿溝→護筒埋設→鉆機就位、孔位校正→成孔、泥漿循環(huán)、清除廢漿、泥渣→清孔換漿→終孔驗收→下鋼筋籠和鋼導管→澆筑混凝土→成樁。在沖孔時應隨時測定和控制泥漿密度，如遇較好土層可采取自成泥漿護壁。灌注樁的質量檢驗應較其他類樁嚴格，因此對現(xiàn)場施工的監(jiān)測手段要先落實。灌注樁的沉渣厚度應在鋼筋籠放入后、混凝土澆注前測定，成孔后，放鋼筋籠、混凝土導管都會造成土體跌落，增加沉渣厚度。施工過程中，待混凝土強度達到28 d齡期以上方可進行安裝。

內蒙古某地30 MWp光伏電站光伏陣列支架基礎為鋼筋混凝土灌注樁基礎，灌注樁樁徑300 mm，前樁長1.5 m、埋深1.2 m，后樁長1.8 m、埋深1.5 m。每個支架方陣單元設16個支架基礎，該項目共有65 600個混凝土灌注樁。

根據(jù)施工工藝及現(xiàn)場調查，混凝土灌注鉆機在施工移動時，會對樁基周圍0.49 m2范圍內的土壤植被造成較嚴重破壞，其余部分只產(chǎn)生輕微擾動，并未破壞表土資源、土壤植被，如圖2所示。該項目區(qū)占地85.18 hm2，其中施工嚴重擾動區(qū)3.2 hm2，約為總占地面積的3.8%，其余部分土壤、植被未受大的影響。因此，采用該方法進行施工時，對土地的擾動較小，對地表植被的破壞和造成的水土流失也輕。在后期進行水土流失防治時，只需在施工擾動嚴重區(qū)域進行土地整治后撒播草種即可，在其他區(qū)域由于施工只產(chǎn)生輕微擾動，并未破壞表土、地表植被、土壤理化性質，因此直接撒播草種即可[3]。

圖2 混凝土灌注樁施工擾動現(xiàn)場

3 鋼筋混凝土基礎

鋼筋混凝土基礎是最傳統(tǒng)的一種基礎形式，其安全性較高。在地下水位較高、地表石頭較多的地方，一般都用鋼筋混凝土基礎。相比之下，其施工工期較長、費用高，需進行大量的土方開挖、回填，對土地擾動大，產(chǎn)生的水土流失也較嚴重。

內蒙古某10 MWp光伏發(fā)電項目由于項目區(qū)最大凍土深度達到2.4 m，淺層地表主要為石頭，且地下水位較高，因此，采用鋼筋混凝土獨立基礎。考慮到地基土承載能力、凍脹性和建筑物抗傾斜要求，基礎埋深為1.0 m，基礎尺寸為1.2、0.6、1.0 m。根據(jù)當?shù)赝寥李愋停娱_挖邊坡比為1 ∶0.75。因此，一個單位方陣基礎開挖的面積為34.02 m2，單位方陣基礎土方開挖量為13.23 m3，堆土區(qū)、施工機械嚴重擾動區(qū)面積約11.6 m2。該項目總占地30.61 hm2，鋼筋混凝土基礎施工所產(chǎn)生嚴重擾動區(qū)域面積17.34 hm2，約為總占地面積的56.6%。由此可見，鋼筋混凝土基礎施工時對土地嚴重擾動范圍較大且對地表植被、土壤理化性質破壞嚴重，造成土壤抗蝕性下降，產(chǎn)生的水土流失面積很大。施工現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土基礎施工現(xiàn)場

4 結 語

由以上分析及現(xiàn)場施工圖可以看出，在水土流失影響、工期、施工成本方面，螺旋鋼樁基礎、混凝土灌注樁基礎都優(yōu)于鋼筋混凝土基礎，但是前兩者對土質、地下水位有一定要求，其適用范圍有一定的局限性。在滿足要求的前提下，從水土流失影響角度考慮應優(yōu)先采用螺旋鋼樁、混凝土灌注樁。但由于太陽能發(fā)電是最近10年才興起的，因此螺旋鋼樁、混凝土灌注樁的使用時間也都只有10年左右，遠未達到光伏電站設計年限(25年)的要求，其耐久性、穩(wěn)定性仍然有待觀察。

[參考文獻]

[1] 殷帥，賴明，劉伊生.我國光伏發(fā)電項目規(guī)模化發(fā)展研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[2] 李智廣.中國水土流失現(xiàn)狀與動態(tài)變化[J].中國水利，2009(7)：8-13.

[3] 劉國彬，李敏，上官周平,等.西北黃土區(qū)水土流失現(xiàn)狀與綜合治理對策[J].中國水土保持科學，2008(6)：16-21.

[4] 周英，田園，王勇.云南省太陽能光伏發(fā)電項目水土流失特點和防治對策[J].中國水土保持，2013(5):34-35.