環境條件對光伏支架基礎形式的影響及應對策略

文/劉敏華

太陽能是資源豐富、分布廣泛、開發潛力巨大但已開發比例最低的可再生能源。中國太陽能資源豐富，十分適合發展光伏發電。2013年我國能源局下發《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》，根據各地太陽能資源條件和建設成本，將全國分為三類太陽能資源區。Ⅰ類資源區主要集中在西北部，土地以未利用荒漠、戈壁、退化草場為主，土地成本相對較低，但電力負荷低存在限電可能性。Ⅲ類資源區主要在東南沿海經濟發達地區，電力消納能力強，但土地資源稀缺，可用于開發光伏電站的大面積土地少，土地成本高。中部廣闊地帶為Ⅱ類資源區，其土地成本與電力消納能力均有相應優勢，是大規模光伏發電項目的優選之地。

雖然Ⅱ類資源區分布區域最廣，經緯度跨度較大，但其大部分區域主要位于我國北緯35o之北，具有獨特的氣候環境和地質條件。鑒于光伏陣列支架基礎是光伏發電項目最基本的，也是數量最多的土建構件，在這樣的條件下如何選擇合理的設計方案，是影響項目造價的重大因素。本文擬結合陜西榆林小壕兔200MWp并網光伏發電項目的工程實踐，從環境影響、地基土性質、工程造價等各方面進行了分析，對北緯35o以北之典型Ⅱ類資源地區光伏陣列支架基礎形式的合理選擇進行探討。

表1 地基土承載力特征值建議值

1.項目地環境、氣象、地質特點

1．1 概況

榆林市位于陜西省最北部，地處北緯38o地區。小壕兔200MWp并網光伏發電項目地的環境、氣象、地質特點，正反映了我國Ⅱ類資源區分布區域的主要特征。

榆林地區地貌大體以長城為界，北部為風沙草灘區，南部為黃土丘陵溝壑區。地面標高在1300m～1315m之間。氣候屬暖溫帶和溫帶半干旱大陸性季風氣候。多年最高溫度區間為38.6℃～-32.7℃；屬于季節性凍土區域，多年最大凍土深度為128cm，年最多凍融次數73次；多年平均風速1.9m/s；多年平均沙塵暴和雷暴日數分別為33日和29.2日。

擬建場地地形開闊，多為半固定沙丘，沙丘呈波狀起伏。場地及周邊無沖溝、滑坡、泥石流、地下洞穴等不良地質作用。擬建場地適宜性較好。

1．2 地質條件

根據實地鉆探揭露并結合室內土工試驗，主要土性為第四系風積、沖洪積、湖積的砂類土、一般粘性土等。按其時代成因、工程地質特征，自上而下共分為四個單元土層∶

第①層，粉細砂(Q4eol )：棕黃色、黃白色;稍濕;松散;主要為粉細砂，該層厚0.20m～3.50m。

第②層，細砂(Q4eol)：棕黃色、灰棕色；包氣帶過渡至飽水帶；松散，連續分布；顆粒較為均勻，級配不良；含泥量20%，局部夾灰色粉土質砂，靠近水位線位置局部含泥質或中砂。該層厚1.00m～4.10m。

第③層，細砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色、黃色；稍密～中密，連續分布；水位線以下砂質較純凈，顆粒較為均勻，級配不良；含泥量10%～20%，局部見少量中砂。該層厚0.4m～2.10m。

第④層，細砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色；密實，連續分布；分選性好，顆粒較均勻，含泥量10%。在最深孔15.00m范圍內未鉆穿該層。

1．3 水文地質條件

在勘探深度范圍內，場區地下水類型為松散層孔隙潛水，主要賦存于第四系全新統砂中，穩定地下水位0.80m～3.00m，年水位漲降幅度在0.80m左右。地下水補充主要以大氣降水為主，排泄以蒸發和地下徑流為主。

場地淺層地下水和地基土對混凝土結構、對混凝土結構中的鋼筋及對鋼結構具有微腐蝕性。

2.場地環境對光伏陣列基礎形式的影響

2．1最大風速影響分析

本工程地處荒地，場址平坦四周無遮擋。場址區多年平均風速為1.9m/s，太陽能電池組件迎風面積較大，組件支架及其基礎設計必須考慮風荷載的影響，并以抗風能力在23m/s風速下不損壞為基本原則。另外，在有風的天氣環境下有利于光伏組件板散熱，從而有利于發電量的提高。基本風壓0.40KN/m2。

2．2積雪影響分析

太陽能電池板最低點距地面距離H的選取主要考慮以下因素：一是高于當地最大積雪深度；二是防止動物破壞； 三是防止泥和沙濺上太陽能電池板；本次設計H可取為0.5m。故場址區最大積雪對太陽能電池板的安全性沒有影響，但在雪后晴天應及時清理組件板上的積雪。由于雪對光的反散較好，因此，場地周圍如有積雪有利于發電量的提高。基本雪壓0.25KN/m2。

2．3沙塵暴影響分析

場址區年平均沙塵暴天數為33天/年。沙塵暴天氣時空氣混濁，大氣透明度大幅降低，輻射量也相應降低，會直接影響太陽能電池組件的工作，對光伏電站的發電量有一定影響，故本工程實施時需要考慮采取防風沙措施，在項目運行期間應及時對太陽能電池組件進行清洗。但對基礎形式并無影響。

2．4地基土凍脹性影響分析

該區域屬于季節性凍土，多年最大凍土深度為128cm，年最多凍融次數73次。反復的凍融和凍脹會對凍土層地基產生擾動，位于淺層的建（構）筑物基礎會出現不穩定，使光伏陣列支架產生位移，影響太陽能輻射的接收。故基礎設計時需要考慮采取防凍融和凍脹措施。在冬季施工時，不得使基坑土受凍，除按冬季施工規定施工外，要做到隨挖隨填，不得自凍土填料。

2．5地基土性質的影響分析

從表1來看，即使考慮最大風荷載與雪荷載，淺層土的地基承載力也能滿足上部構件的荷重。該場地內無濕陷性土。巖土中易溶鹽含量小于0.3%，故該場地土為非鹽漬土。但由于場地內都為砂土地層，土層干燥、含水少、結構松散，粘結性和穩定性較差，當基坑開挖后坑壁穩定性能大大降低，在雨水滲入或人為擾動、堆載等情況下容易造成塌方，從而影響人身安全、施工進度和工程質量。

地層結構較為簡單，除第一層粉細砂和第二層細砂為松散狀外，其下地層為稍密至密實狀，無地質作用，無特殊性巖土。15m深度內不存在大粒徑的礫石，對沉樁無影響。

2．6地表、地下水的影響

場區地下水類型主要為松散層孔隙潛水。淺層地下水和地基土對混凝土結構的腐蝕等級為微腐蝕，對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕等級為微腐蝕，對鋼結構腐蝕性等級為微腐蝕。施工筑路時，需在路基兩側內底部設置排水溝，排除由降雨降水引起的地表水，減少路基土含水率，做到防凍土危害的目的。

2．7地震液化的影響

場地地基土類型為中軟場地土，建筑場地類別為Ⅱ類。該場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，設計特征周期為0.35s。一般情況下可不進行液化判別和地基處理。

從以上分析可知，該場地環境對光伏陣列基礎形式的影響主要應考慮地基土的性質及其凍脹性因素，據此提出合理的設計方案。

3.光伏陣列不同基礎形式的比較

光伏陣列基礎主要形式有：條形基礎、鉆孔灌注樁基礎、預制樁及螺旋鋼樁。

3．1條形基礎

光伏陣列支架前后支腿距離為1.8m，左右支架間距為3.036m，如采用條形基礎，根據上部結構傳遞的荷載計算其面積，單側條基尺寸400 mm*600 mm*2800mm。采用C30混凝土澆筑，基礎墊層為100mm厚C20素混凝土。每套光伏電池組件基礎混凝土澆筑量為1.344m3。基礎上需做鋼結構支架，材質選用Q235C。

優點：適用于地形起伏不大的場地，土方開挖量適中。基礎平面定位及基礎頂高程容易控制，基礎埋深自然地面下-0.2m，持力層為②層土，地基能很好地承受豎向荷載。

缺點：在設計支架基礎時需要考慮其抗凍穩定性，一般需設置沙礫墊層換掉部分凍脹土。施工需盡可能避開雨季，以免雨水或施工用水浸入基坑。對場地平整度要求較高，有一定的土方開挖量，當基坑開挖后坑壁穩定性能大大降低。擾動自然地表，破壞綠化植被。上部結構的水平荷載、上拔力要靠基礎自重承受，鋼結構支架與基礎要另行聯結。

3．2混凝土預制樁

優點：預制樁樁身質量容易控制，現場施工速度快。預制樁基本沒有開挖量，對地表破壞少。樁身摩阻力可很好地承受豎向荷載、水平荷載、上拔力。

缺點：按構造要求，預制樁身用鋼量比鉆孔灌注樁大。施工時，需有吊機將樁體運輸定位，設備對場地的平整度要求較高，故預制樁造價相對較高。此外，按照《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）3.4.3條規定“為減少和消除凍脹或膨脹對樁基的作用，宜采用鉆（挖）孔灌注樁”，主要靠土體擠密提供側阻力的預制樁在凍土地區的適用有局限性。

3．3混凝土鉆孔灌注樁

優點：設計不同的樁長可起到防凍土危害的目的，適用于地形起伏較大的場地，用鋼量較少，造價較低。

缺點：樁身質量不易控制，現場施工速度慢。現場泥漿污染和施工用水的問題不易解決。鉆孔時有土方開挖地表破壞現象。需另外考慮防地下水腐蝕措施。

3．4 螺旋鋼樁

優點：由工廠預加工，防銹防腐一次完成。現場施工速度快。設計不同的樁長可起到防凍土危害的目的。鋼結構支架與基礎可直接聯結。造價相對較低。

缺點：適用性受地層巖性影響大，如大粒徑的礫石層可能就無法鉆入。在腐蝕性地基中應用需考慮防腐。

4.光伏陣列基礎形式的比較確定

光伏陣列由多晶硅光伏板和支架構成，自重并不大，因此在初步設計時曾建議采用天然條基。這一方案施工方便造價較低，但卻忽視了對場地地表土的破壞和凍土性質的影響。反復的凍融凍脹會在地面造成沉降或隆起，對其上的光伏陣列產生不穩定性。因此設計擬改用4m長250*250的預制鋼筋混凝土方樁的基礎方案。

在造價咨詢過程中提出：改用方樁基礎方案雖然解決了凍土影響的問題，但其承載力大大超出了上部多晶硅光伏板荷載的需要。不但造價高，且方樁需在現場預制，工期也將延長。故建議采用1.8mΦ76*4鋼管螺旋樁：從地質資料來看，地表以下各土層均為粉細砂或細砂層，鋼管螺旋樁的承載力完全可滿足上部荷載要求；《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）第3.4.3條第1款規定“樁端進入凍深線以下的深度，應滿足抗拔穩定性驗算要求，且不得小于4倍樁徑，最小深度應大于1.5m”，1.8m鋼管螺旋樁方案也能完全滿足此要求，何況光伏陣列支架為輕型構筑物，安全重要性級別可適當降低。

表2 四種方案造價情況

各種方案的造價分析見表2。

光伏陣列的基礎形式最終按鋼管螺旋樁方案執行。除了確保工期外，采用鋼管螺旋樁每根樁節約584-112=472元，光伏陣列基礎共計189900根樁，共節約成本472元/根*189900根≈8963萬元。

5.結束語

經過多年實踐，中國已經完全掌握了太陽能發電技術。但要準備對外輸出技術，還需進一步降低成本，做到比其他國家效益更高。從已經完成的項目來看，光伏發電項目的投資占比與常規建筑項目不同，其設備部分占總投資的一半以上但主要由市場采購，而土建部分主要為支架、變壓站、架空鐵塔等。支架基礎雖然簡單，但由于數量龐大，此項投資會占土建投資的大部分。從全過程造價咨詢的理念著手，應考慮的問題除了土建安裝施工中常規的重點外，更應重視環境、地質等因素對支架基礎的設計方案的影響，以創造出良好的經濟效益和社會效益。