采煤沉陷區光伏場穩定性研究

陳 源

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

采煤沉陷區光伏場穩定性研究

陳 源

(上海電力設計院有限公司，上海 200025)

建設在采煤沉陷區的光伏電站，由于其兼具經濟效益和社會效益的優勢，已成為我國光伏產業發展的重要趨勢之一。從光伏電站的工程特點出發，總結了其穩定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進行比較分析，討論了評價沉陷區光伏場建設適宜性的分區標準和光伏場對地基穩定性的影響，建議了光伏場設計中的抗采動措施，以期為采煤沉陷區光伏場的穩定性評價和抗采動設計提供相應的參考依據。

采煤沉陷區；光伏場；地基穩定性；抗采動變形

近年來，我國光伏產業的蓬勃發展，年度新增裝機容量已躍居全球第一位。隨著市場的日益壯大，光伏發展的形勢也發生了一些新的轉變。傳統的地面荒漠電站雖然建設條件較好，但由于存在遠離負荷中心、遭遇限電等問題，開始逐漸被投資商冷落。而建設在采煤沉陷區的光伏電站，由于通常距礦區周邊城市較近，且能利用不適宜建設其他建筑物的廢棄土地，具有良好的經濟效益和社會效益。尤其是在山西大同采煤沉陷區國家先進技術光伏示范基地等重點項目的帶動下，已成為光伏產業發展的重要趨勢之一。

在采煤沉陷區上新建光伏電站的穩定性問題是論證其可行性的重要依據。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱“三下采煤規程”)給出了建筑物壓煤的合理開采與煤柱留設等問題的設計原則[1]。國內外專家學者對采空區沉陷機理、地面穩定性評價、建筑物變形及防護等問題進行了大量的研究工作，取得了一系列豐碩的成果[2-7]。然而光伏項目由于其自身建設內容的特殊性，往往具有構筑物體量小、自重輕、形式簡單等特點，其穩定性問題與傳統房屋建筑工程不盡相同，亟待對此進行專項研究。

本文從光伏電站的工程特點出發，總結了其穩定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進行比較分析，討論了評價沉陷區光伏場建設適宜性的分區標準和光伏場對地基穩定性的影響，建議了光伏場設計中的抗采動措施，以期為采煤沉陷區光伏場的穩定性評價和抗采動設計提供相應的參考依據。

1 光伏場工程特點

光伏電站通常由光伏發電場和升壓站或開關站兩部分組成。升壓站或開關站內的建設內容主要為各生產、生活建(構)筑物，其結構形式、重要性程度等均與普通建筑類似。對其進行穩定性評價可參考相關規范和已有的研究成果。然而，光伏場內主要構筑物——光伏支架及基礎、逆變器基礎和箱變基礎等，則與之不同，其工程特點可歸納為以下幾點：

(1)體量小

與普通建筑動輒百米以上長寬的體量相比，光伏場主要構筑物的體量都相對較小。光伏組件通常以一串或兩串組件為一個單列，其支架南北向寬度很小，約為2～3 m，東西向寬度相對較長，但也不會超過30 m。逆變器、箱變基礎則更小，常規的逆變器和箱變的尺寸約為3 m×5 m，且電氣設備還有趨于尺寸更小的態勢，與建筑物相比，體量差距很大。

表1 磚混結構建筑物損壞等級

由于光伏場構筑物較小的體量，使得在構筑物范圍內由于沉陷引起的不均勻沉降、水平位移、曲率等都相對較小。因此，采空區沉陷對其正常運行的影響也相對較輕。

(2)自重輕

光伏場構筑物的自重通常較輕。單塊普通光伏組件的重量不超過30 kg，光伏支架則多采用薄壁冷彎型鋼制作，鋼結構的重量也較輕，經計算光伏組件及支架折算到基底的附加應力約為20 kPa。逆變器和箱變等電氣設備的重量也不大，分別不超過2 t和6 t，加上基礎后折算的基底附加應力分別為50、80 kPa。較輕的自重使其對采空區沉陷的影響也相應較小。

(3)容許變形能力強

光伏場構筑物能容許的地面變形也較一般建筑物大。光伏支架通常為靜定或一次超靜定的鋼結構，構件節點則為鉸接或允許部分轉動的連接形式。當地面發生有限的沉降或水平位移時，光伏支架能隨之小幅變形，但仍維持正常工作。即使由于地表急劇變形，導致光伏陣列發生支架倒塌、電纜斷裂等不可逆破壞，也不易造成重大的人員傷害或財產損失。

逆變器、箱變等電氣設備及基礎的容許變形能力低于光伏陣列，但仍優于一般建筑。由于地表沉陷導致基礎少量開裂時，通常也不會影響電氣設備正常運行。

2 光伏場建設適宜性

為評估光伏場建設的適宜性，需對擬建場地受已有采空區狀態影響的地表(殘余)移動與變形進行計算與建筑物采動影響分析。“三下采煤規程”推薦采用概率積分法預估地表的移動與變形，經實踐證明精度基本可靠。

2.1 普通建筑變形限值

“三下采煤規程”中給了一般建(構)筑物的允許和極限變形值。當地表變形值小于或等于該允許變形值時，壓煤開采一般可不采取專門的加固措施或開采技術措施。而預估地表變形值小于該允許變形值時，則可認為建設相應建筑物是適宜的。長度或變形縫區段內長度小于20 m 的磚混結構建(構)筑物損壞等級劃分標準，其它結構類型的建(構)筑物參照表1的規定執行。

2.2 光伏場變形限值

由于光伏場內構筑物具有體量小、自重輕、容許變形能力強等特點，如按普通構筑物的變形限值要求光伏場構筑物，則將大幅縮小光伏場的適建范圍，無法發揮沉陷區光伏電站利用廢棄土地的優勢，造成國土資源的浪費。

表3 逆變器、箱變建設適宜性分區標準

綜合考慮光伏場構筑物的結構特點和使用功能，參考建筑物的允許變形值規定，建議光伏組件及支架和逆變器、箱變建設適宜性的分區標準及相應的處理原則如表2、表3所示[8]。

表2 光伏組件及支架建設適宜性分區標準

3 光伏場對地基穩定性的影響

當地表半年累計下沉量小于30 mm，此時地表已趨于穩定狀態。當在此采空區地表不進行大規模工程建設時，地表會一直保持這種穩定狀態。但若在此采空區上地表新建建(構)筑物，由于新建建(構)筑物的荷載向地下有一定影響深度，當這個深度與地下采空區的垮落帶、斷裂帶相交疊時，就會破壞垮落斷裂帶業已平衡狀態，引起采空區活化，而使覆巖重新發生移動變形。

3.1 沉陷區地基穩定性

地下開采引起的上覆巖層移動和破壞，改變了上覆巖土層的工程地質性質，形成了采空區地基工程地質條件。根據礦山開采沉陷理論，煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶[9]。如圖1所示。

圖1 采空區上覆巖層破壞分帶

在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產生斷裂、離層、裂縫，巖體內部結構遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結構破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果新建建(構)筑物荷載傳遞到這兩帶(合稱垮落斷裂帶)，在附加荷載作用下會進一步引起沉降和變形，甚至造成建(構)筑物的破壞，影響其使用。

因此，評估新建光伏場對地基穩定性的影響需要分別計算擬建場址的垮落斷裂帶發育高度和光伏場主要構筑物的附加荷載影響深度。前者可通過規范推薦的經驗公式進行計算，后者的估算則將在下文詳細論述。

3.2 光伏場附加荷載影響深度

建(構)筑物的建造使地基土中原有的應力狀態發生變化，建(構)筑物荷載的影響深度隨荷重的增加而增大。一般情況當地基中建筑荷載產生的附加應力等于相應位置處地的自重應力的20%時，即可以認為附加應力對該深度處地基產生的影響可忽略不計。但當其下方有高壓縮性土或別的不穩定性因素，如采空區垮落、斷裂帶時，則應計算附加應力直至地基自重應力的10%處，方可認為附加應力對該深度處的地基不產生多大影響。該深度即為建(構)筑物荷載影響深度。

根據常規光伏場的基本情況，可估算出其主要構筑物的附加荷載影響深度如表4所示。

表4 光伏場主要構筑物的附加荷載影響深度

由表4可以看出，光伏場主要構筑物的最大附加荷載影響深度為13 m小于一般建筑的附加荷載影響深度(約30 m)。因此，可以推斷新建光伏場對沉陷區地基穩定性的影響遠小于常規建筑物。通過將表4所列出的附加荷載影響深度與擬建場址的垮落斷裂帶發育高度進行比較，則可判斷新建光伏場會否破壞沉陷區的穩定性以及地表再次發生較大不均勻沉降的可能性。

4 光伏場抗采動變形設計

擬建場地經沉陷穩定性評價合格后，可以開展光伏項目的建設工作。但仍建議對光伏場內構筑物進行抗采動變形設計，進一步確保光伏場的安全運營。光伏場抗采動變形設計依照“調”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均勻沉陷的影響。

4.1 調

根據擬建場地的適宜性分區結果，合理進行光伏場布置。A區場地的穩定性較好，優先布置逆變器、箱變等相對重要的構筑物。B區場地的穩定性中等，適宜布置光伏陣列，如受客觀條件制約也可作為逆變器、箱變的建設用地。推薦采用組串式逆變器取代集中式逆變器，以提高光伏系統的可靠度。

逆變器和箱變距離較近，其間有低壓交流

電纜相連。如兩者間發生較大沉降差，則存在損壞電纜、影響整個光伏方陣出力的風險。因此建議優化設計逆變器和箱變的基礎，盡可能保證兩者基底附加應力一致。其基礎底部還可設置碎石褥墊層，降低基礎范圍內不均勻沉降的影響。

4.2 抗

逆變器和箱變基礎應采用整體性較好的現澆鋼筋混凝土箱形基礎或條形基礎，并配置適量的抗裂鋼筋，以抵抗不均勻沉陷引起的裂縫，確保基礎的整體性，降低對上部電氣設備的影響。不建議電氣設備基礎采用砌體結構。

4.3 放

光伏支架和基礎則主要按照“放”的原則設計。光伏支架采用靜定結構，能隨有限的地表沉陷而發生相應變形，并仍保持穩定，避免不均勻沉降引起的內部附加應力。盡可能使用短單列或在長單列中設置沉降縫，允許單列間位移，避免沉陷損壞組件。支架基礎采用螺旋鋼管樁或鉆孔灌注樁，與地表變形保持一致。光伏系統各部分電纜均留有適當裕度，且能在小范圍內滑動，避免不均勻沉陷損傷電纜。

除此以外，還應在光伏場及周邊設置地表和建筑物沉降觀測點，定期觀測，獲取地表沉陷的變化規律和發展趨勢，如遇異常沉降等突發情況，及時采取安全措施。

5 結語

本文從光伏電站的工程特點出發，總結了其穩定性問題的特殊性。通過與房屋建筑工程進行比較，討論了評價沉陷區光伏場建設適宜性的分區標準和光伏場對地基穩定性的影響，建議了光伏場設計中的抗采動措施，得到了以下有意義的結論。

(1)光伏場內主要構筑物具有體量小、自重輕、容許變形能力強等特點，，其穩定性問題與傳統房屋建筑工程不盡相同，需要對此進行專項研究。

(2)綜合考慮光伏場構筑物的結構特點和使用功能，參考建筑物的允許變形值規定，建議了光伏組件及支架和逆變器、箱變建設適宜性的分區標準及相應的處理原則。

(3)光伏場主要構筑物的最大附加荷載影響深度為13m小于一般建筑的附加荷載影響深度。新建光伏場對沉陷區地基穩定性的影響遠小于常規建筑物。

(4)光伏場抗采動變形設計應依照“調”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均勻沉陷的影響，進一步確保光伏場的安全運營。

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(本文編輯：嚴 加)

電力簡訊

IEC“分布式電源與電網互聯”國際標準完成編制并獲批通過

2009年以來，國家電網公司代表中國主導成立4個IEC新技術委員會，其中3個承擔秘書處，1個擔任主席職位；主導成立系統評估組1個；主導制定并發布IEC白皮書3項；在IEC立項國際標準28項，占同期中國在IEC立項標準的23%，主導完成編制IEC標準12項，占同期中國在IEC主導完成編制的19%；在IEEE立項國際標準8項，完成編制并發布6項；在CIGRE立項工作組11個，完成報告編制并發布1項。

2016年，國家電網公司主導制定并完成IEC《全球能源互聯網》白皮書，新發起并立項IEC標準2項，主導制定并發布IEC標準6項，主導完成待出版IEC標準1項，主導制定并發布電氣與電子工程師學會(IEEE)標準1項，主導成立國際大電網委員會(CIGRE)新工作組4個。

2016年由國家電網公司牽頭編制的國際電工委員會(IEC)標準“分布式電源與電網互聯” 獲得批準。該標準于2012年2月由公司代表中國向IECTC8(電能供應系統技術委員會)發起立項，中國、德國、意大利、法國、丹麥、加拿大、澳大利亞、日本等國家的專家參與了標準的編制工作。

“分布式電源與電網互聯”標準作為分布式電源連接到配電網的技術規范，力求滿足分布式電源與電網互聯的規劃、設計、并網、運行等需求，內容涵蓋了總體要求、并網方案、開關選擇、正常運行范圍、抗擾動能力、有功無功響應、電能質量、接口保護、檢測控制和通信等各個方面。

標準經過四年多的編制，“分布式電源與電網互聯”填補了IEC分布式電源并網標準的空白，增強了公司在IEC并網技術領域的影響力，將為引導世界范圍內分布式電源與電網優化互動技術應用、助力中國“互聯網+”智慧能源行動計劃發揮重要作用。

(本刊訊)

PV Station Stability in Coal-Mining Subsidence Area

CHEN Yuan

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

The PV station built in coal-mining subsidence area, which has the advantage in both economic benefit and social influence, has become one of the most important mode of PV industry development in China. In this paper, the difference of stability problem between PV station and other projects was summarized based on the characteristic of PV station. After comparing with other ordinary building projects, the evaluation criterion of construction suitability was discussed. In order to provide useful guidance to resist mining deformation, some available measures in PV station design were proposed.

coal-mining subsidence area; PV station; foundation stability; mining deformation resisting.

10.11973/dlyny201606023

陳 源(1988)，男，碩士，工程師，從事新能源發電工程結構設計工作。

TM615

B

2095-1256(2016)06-0771-05

2016-10-13