錨桿灌注樁基礎在山地光伏電站光伏支架基礎中的應用研究

明小燕，奚 泉，周 毅

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，昆明 650051)

0 引言

云南省的太陽能資源僅次于西藏自治區(qū)、內蒙古自治區(qū)、青海省等省區(qū)，為我國太陽能資源最豐富的省份之一。云南省內大部分地區(qū)的地勢較高，山地、高原占全省總面積的94%，地形條件復雜，平地資源有限，因此可進行太陽能資源開發(fā)的土地多為山地。

光伏支架基礎作為光伏發(fā)電項目極其重要的組成部分，其形式多樣，數量龐大。而如何為復雜多變的山地地形選擇安全、經濟、適用的光伏支架基礎，已成為山地光伏電站土建設計的重點。

本文以云南省楚雄州雙柏縣某山地光伏電站工程的實際情況為例，結合該光伏電站所在地地形多為坡陡、沖溝的特點，進行光伏支架基礎選型研究，針對大型鉆孔設備無法到達的區(qū)域，提出了一種安全、經濟、適用于山地光伏電站的新型光伏支架基礎形式—— 錨桿灌注樁基礎，并對其進行了拉拔試驗。

1 光伏支架基礎的受力分析

本山地光伏電站采用310 Wp單晶硅光伏組件，單塊光伏組件的尺寸為1635 mm×992 mm×35 mm，重量為19.5 kg；電站采用固定式光伏支架，支架的傾角為27°；20塊光伏組件串聯成1串光伏組串，以“10列×2行”的形式布置在1個光伏支架上。單個光伏支架的示意圖如圖1所示。

圖1 光伏支架示意圖Fig. 1 Schematic diagram of PV bracket

根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》，按50年一遇的風荷載進行取值，本山地光伏電站的風荷載取0.35 kN/m2[1]。根據GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》[2]中第6.8.7條的要求，對光伏支架的荷載效應進行組合，所有光伏支架受到的荷載主要為以下4種荷載組合：

1) 1.2×自重荷載+1.4×1.0×正風荷載；

2) 1.2×自重荷載+1.3×水平地震力+1.4×0.6×正風荷載；

3) 1.0×自重荷載+1.4×1.0×逆風荷載；

4) 1.0×自重荷載+1.3×水平地震力+1.4×0.6×逆風荷載。

本山地光伏電站中光伏支架基礎受力采用同濟大學空間鋼結構系統(tǒng)CAD軟件系列中的3D3S軟件進行計算[3]。通過建立光伏支架模型，計算得到光伏支架基礎在各荷載組合下的承載力。通過計算可知，正風荷載作用工況是光伏支架基礎承載力最大的工況；單根光伏支架基礎承受最大上部荷載為6.4 kN。逆風荷載作用工況為光伏支架基礎抗拔最不利工況，經計算，保證光伏支架穩(wěn)定所需的光伏支架基礎抗拔力極限值為9.6 kN。

2 本光伏電站中光伏支架基礎的選型

2.1常見的光伏支架基礎形式

目前常見的光伏支架基礎形式主要有混凝土獨立基礎、混凝土條形基礎、螺旋樁基礎、微孔灌注樁基礎及預制樁基礎[4]。各種光伏支架基礎形式的設計控制荷載、施工工藝及其所適用的地形、地質條件等信息如表1所示。

表1 不同光伏支架基礎形式的特點及適用條件對比表Table 1 Comparison of characteristics and applicable conditions of different PV bracket foundation forms

2.2 本山地光伏電站的地質條件

本山地光伏電站場址的海拔在1460～1560 m之間；場址位于數個小山坡上，坡地總體為南向坡；場地總體平緩開闊，局部為坡陡，坡度可達到30°，同時場區(qū)位于沖溝發(fā)育地區(qū)。

本山地光伏電站的地基承載力受巖(土)體性質影響較大，根據該山地光伏電站場區(qū)的地質特性，將地基巖土分為4層，地層特征自上而下描述如下：

1)第1層為粉土夾碎石：呈灰褐色、褐黃色，碎石成分為紫紅色砂巖，呈松散-稍密狀，地層厚度一般為0.2～0.5 m，具有一定的承載力，可作為淺基礎的持力層。

2)第2層為全～強風化泥巖：呈紫紅、灰紫色，地層厚度一般為15～20 m，可作為光伏支架基礎的持力層。

3)第3層為全～強風化砂巖：主要為石英砂巖、泥質粉砂巖，呈灰紫、灰綠色，地層厚度一般為15～20 m，可作為光伏支架基礎的持力層。

第4層為弱風化砂巖：主要為石英砂巖、泥質粉砂巖，呈紫紅色，弱風化，具有較高的承載力，可作為光伏支架基礎的持力層。

本山地光伏電站場區(qū)內的巖土力學參數如表2所示。

表2 山地光伏電站場區(qū)內的巖土力學參數Table 2 Geotechnical parameters of mountain PV power station

2.3 錨桿灌注樁基礎的設計

該山地光伏電站場區(qū)內整體上無制約工程建設的滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地質現象發(fā)生，自然山坡穩(wěn)定；雖然場區(qū)內有布置光伏陣列的地形、地質條件，但施工條件較差。

考慮到本山地光伏電站的實際情況，費時、費水、難于調平的混凝土獨立基礎和混凝土條形基礎，以及對地質條件要求高、施工難度大的螺旋樁基礎并不適合；同時，由于地層較硬，預制樁基礎容易出現無法壓樁的情況，因此該基礎形式也不適用于本光伏電站。結合項目實際的地質情況，初步考慮本山地光伏電站的光伏支架基礎采用微孔灌注樁基礎。由于微孔灌注樁基礎需采用專用的大型鉆孔設備進行施工，雖然該山地光伏電站中絕大部分場區(qū)可采用此種大型鉆孔設備，但對于少數坡陡和沖溝大的區(qū)域，此種大型鉆孔設備無法到達，導致微孔灌注樁基礎在這些區(qū)域也就無法使用。因此，需要專門設計可應用于此種區(qū)域的光伏支架基礎形式。

通過現場地勘發(fā)現，無法應用微孔灌注樁基礎的區(qū)域的表層土較淺，下伏基巖為全～ 強風化、弱風化的泥巖、砂巖，承載力及側摩阻力較高，而本山地光伏電站的光伏支架主要承受風壓荷載，對光伏支架基礎的承載力及抗拔力要求不高，因此本山地光伏電站參照巖石錨桿的工程使用經驗，設計了一種新型的光伏支架基礎形式——錨桿灌注樁基礎作為大型鉆孔設備無法到達區(qū)域的光伏支架基礎。此種基礎鉆孔時可采用體積較小的空壓手風鉆進行成孔，施工方便、快捷、經濟性較好，能有效保證施工的質量及進度。

圖2 錨桿灌注樁基礎的平面圖(單位：mm)Fig. 2 Floor plan of anchor rod cast-in-place pile foundation(Unit: mm)

本項目采用的錨桿灌注樁基礎的平面圖如圖2所示。其中，該基礎擬定樁長1.2 m，樁身穿過第1層粉土夾碎石層，樁端置于第2層全～強風化泥巖層；樁基鉆孔直徑為70 mm，鉆孔深度為1.0 m，錨桿采用Φ25 mm的三級帶肋鋼，鉆孔空隙灌入M25水泥砂漿。錨桿樁身伸出地面0.2 m，采用直徑0.3 m的C25素混凝土圓柱體將露出地面部分的錨桿樁身進行包裹，以增加錨桿與預埋鋼板的接觸面積，從而增加錨桿灌注樁基礎的抗彎性能。

錨桿灌注樁骨架的實物圖、錨桿灌注樁基礎的實物圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 錨桿灌注樁骨架的實物圖Fig. 3 Photo of skeleton of anchor rod cast-in-place pile

圖4 錨桿灌注樁基礎的實物圖Fig. 4 Photo of anchor rod cast-in-place pile foundation

3 錨桿灌注樁基礎的拉拔試驗

由于該山地光伏電站場區(qū)的地質條件復雜，根據GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》[5]的要求，在光伏電站內進行錨桿灌注樁基礎施工前，需在不同地質片區(qū)內布置試驗樁，在試驗樁灌注28天達到設計強度后，對試驗樁進行拉拔試驗，試驗樁拉拔試驗合格后方可進行光伏支架基礎的施工。錨桿灌注樁基礎試驗樁的拉拔試驗如圖5所示。

圖5 錨桿灌注樁基礎試驗樁的拉拔試驗現場圖Fig. 5 On-site photo of pull-out test of test pile of anchor rod cast-in-place pile foundation

根據本山地光伏電站中錨桿灌注樁基礎使用區(qū)域的地質情況，在2個片區(qū)各布置3個錨桿灌注樁基礎作為試驗樁。其中，片區(qū)1表層的雜草較多，粉土夾碎石覆蓋層較厚，約為0.3～0.5m；試驗樁編號為①～③。片區(qū)2為全～強風化泥巖裸露區(qū)域，試驗樁編號為④～⑥。錨桿灌注樁基礎試驗樁的拉拔試驗結果如表3所示。

表3 錨桿灌注樁基礎試驗樁的拉拔試驗結果Table 3 Pull-out test results of test piles of anchor rod cast-in-place pile foundation

由表3中的試驗結果可知，本工程所采用的錨桿灌注樁基礎滿足設計要求。

4 結論

本文結合各種光伏支架基礎形式的特點，針對云南省某山地光伏電站的實際情況進行了光伏支架基礎選型研究，提出了適用于該山地光伏電站的安全、經濟、適用的光伏支架基礎形式。同時，針對該光伏電站中部分區(qū)域坡陡、沖溝多，導致大型鉆孔設備無法到達的情況，結合巖石錨桿的工程使用經驗，提出了一種新型的光伏支架基礎形式—— 錨桿灌注樁基礎，有效地解決了施工難題，且在滿足經濟性的情況下保證了工程的質量及進度，為復雜多變的山地光伏電站中光伏支架基礎選型提供了新的思路。