地面光伏電站支架基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)

戴維斯，楊帆，牛延宏

（1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 引言

光伏支架基礎(chǔ)是將安裝光伏組件的支架結(jié)構(gòu)所承受的各種作用傳遞到地基上的結(jié)構(gòu)組成部分。與建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相比，光伏電站支架基礎(chǔ)所承受的荷載相對(duì)較小，設(shè)計(jì)、施工難度不大，但數(shù)量龐大，其安全性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)整個(gè)工程的影響很大。支架基礎(chǔ)的選型與設(shè)計(jì)需綜合考慮工程地質(zhì)條件、水文條件、上部支架結(jié)構(gòu)類型、荷載條件、施工工藝，并應(yīng)結(jié)合工期要求和地方經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。

2 支架基礎(chǔ)形式

根據(jù)不同的地質(zhì)條件，光伏支架基礎(chǔ)有多種形式。按荷載傳遞形式分，光伏支架基礎(chǔ)主要有擴(kuò)展式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和錨桿基礎(chǔ)等。支架基礎(chǔ)選型時(shí)，既要與支架形式相匹配，滿足其所承受的荷載條件和使用要求，又要考慮地質(zhì)情況、水文條件。由于光伏電站一般有并網(wǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求，建設(shè)工期較短，基礎(chǔ)選型還應(yīng)考慮施工工藝的快捷性與方便性，并兼顧經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)保要求。

2.1 擴(kuò)展式基礎(chǔ)

擴(kuò)展式基礎(chǔ)有獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)2種。擴(kuò)展式基礎(chǔ)一般采用現(xiàn)澆混凝土，如果現(xiàn)場(chǎng)澆筑不便，或冬季施工時(shí)，還可以考慮采用工廠預(yù)制的方式，減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)和養(yǎng)護(hù)。擴(kuò)展式基礎(chǔ)底面積大，基底壓力小，剛度大，整體性好，對(duì)地基沉降變形有較好的適應(yīng)性，適用于壓縮模量較小、承載力較低的軟弱土地區(qū)和采煤沉陷區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)、新近回填的欠固結(jié)土等特殊地質(zhì)條件。但是，擴(kuò)展式基礎(chǔ)需開挖土方，工程量大，造價(jià)較高；破壞地表植被和形貌，不利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)；在地下水位較高的地區(qū)施工困難。因此，在地面光伏電站中已較少采用。

2.2 樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)有混凝土灌注樁基礎(chǔ)、混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)、鋼樁基礎(chǔ)等，是目前應(yīng)用最廣泛的支架基礎(chǔ)形式。光伏支架采用樁基礎(chǔ)時(shí)，一般不設(shè)置承臺(tái)，支架立柱與基礎(chǔ)通過(guò)插接、焊接、預(yù)埋錨栓、法蘭盤等形式連接，或直接采用樁柱一體形式。

灌注樁基礎(chǔ)采用機(jī)械化成孔，施工方便，人工用量較少，對(duì)地表土破壞及擾動(dòng)小，可穿透堅(jiān)硬的土層。基礎(chǔ)頂面標(biāo)高可以調(diào)節(jié)，以適應(yīng)地形起伏變化。由于支架所采用的灌注樁基礎(chǔ)樁徑較小，一般采用干作業(yè)成孔，需滿足成孔過(guò)程中不塌孔的條件，不適用于軟弱土、松散砂土、碎石土和地下水位較高的場(chǎng)地。灌注樁需現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土，在冬季施工中養(yǎng)護(hù)困難，也不宜采用。

混凝土預(yù)制樁基礎(chǔ)可在工廠預(yù)制，批量生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須開挖，施工速度快，冬季施工無(wú)須養(yǎng)護(hù)，成樁質(zhì)量好，可根據(jù)地面起伏調(diào)整樁頂標(biāo)高。在工廠制作時(shí)可根據(jù)需要摻入防腐蝕的外加劑，耐久性好。適用于黏性土、粉土場(chǎng)地。如遇卵礫石地層時(shí)則沉樁困難，易偏心或斷樁，不宜采用。預(yù)制樁基礎(chǔ)還適用于近海灘涂、“漁光互補(bǔ)”等水上光伏電站。混凝土預(yù)制樁施工依賴打樁或壓樁機(jī)械，適用于較平整的場(chǎng)地，不適用于山地光伏電站。偏遠(yuǎn)地區(qū)還需考慮運(yùn)輸成本。

鋼樁基礎(chǔ)有型鋼樁基礎(chǔ)、螺旋鋼管樁基礎(chǔ)等類型。鋼樁基礎(chǔ)施工不受季節(jié)影響，無(wú)須土方開挖，無(wú)須預(yù)成孔，施工完成后無(wú)須養(yǎng)護(hù)，施工便捷。在光伏電站達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，場(chǎng)地恢復(fù)容易，綠色環(huán)保，廢舊的鋼樁可以回收利用，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。型鋼樁基礎(chǔ)還可以與支架立柱一體化設(shè)計(jì)，受力性能更優(yōu)。但鋼材易發(fā)生腐蝕，在地基土和地下水有較強(qiáng)的腐蝕性時(shí)，需采取有效措施對(duì)鋼樁進(jìn)行防護(hù)。

2.3 錨桿基礎(chǔ)

錨桿基礎(chǔ)是由設(shè)置在巖土中的錨桿和混凝土承臺(tái)或型鋼承壓板組成的基礎(chǔ)。巖石地基上的錨桿基礎(chǔ)有2種：一種是植筋錨桿基礎(chǔ)，在巖石中鉆小孔，采用植筋工藝，通過(guò)灌注黏結(jié)劑將錨桿錨固在巖石中；另一種是巖石錨桿基礎(chǔ)，采用鑿巖設(shè)備成孔，灌注砂漿或細(xì)石混凝土，將錨桿錨固。錨桿基礎(chǔ)適用于巖石埋深較淺或直接出露的場(chǎng)區(qū)，巖石風(fēng)化程度需為中等風(fēng)化～未風(fēng)化，完整程度為較完整～完整，有地下水時(shí)不宜采用[1]。

3 支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

支架基礎(chǔ)的選型、受力分析和設(shè)計(jì)與上部支撐光伏組件的支架形式密切相關(guān)。目前，應(yīng)用較多的支架形式有固定式、傾角可調(diào)式、平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式等。固定式支架可采用雙立柱和單立柱2種形式，其他幾種支架一般采用單立柱形式。作用在支架上的荷載主要為永久荷載、風(fēng)荷載和雪荷載，傳遞到基礎(chǔ)頂面時(shí)主要為豎向荷載、水平荷載和彎矩。支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：

1）各類型的基礎(chǔ)均需進(jìn)行豎向承載力計(jì)算。豎向荷載是作用在基礎(chǔ)上的主要荷載，決定了擴(kuò)展基礎(chǔ)的底面積、樁基礎(chǔ)的樁徑和樁長(zhǎng)、錨桿基礎(chǔ)的截面積和長(zhǎng)度，對(duì)工程量影響最大。

2）作用在基礎(chǔ)頂面的水平荷載主要是由風(fēng)荷載產(chǎn)生的。采用驅(qū)動(dòng)軸的跟蹤支架基礎(chǔ)，還需承受較大的水平推力。對(duì)樁基礎(chǔ)而言，其截面尺寸往往受水平承載力控制，可采用m法驗(yàn)算單樁水平承載力。在采用單立柱單樁基礎(chǔ)時(shí)，需將樁基礎(chǔ)視為壓彎構(gòu)件，按樁身最大彎矩驗(yàn)算其抗彎承載力。

3）為保護(hù)環(huán)境，減少土方工程量，光伏場(chǎng)區(qū)通常不做場(chǎng)平，因此，地形往往有起伏。對(duì)不具備高度可調(diào)節(jié)功能的上部支架，基礎(chǔ)頂標(biāo)高有較為嚴(yán)格的要求。此時(shí)，為保證支架順利安裝，基礎(chǔ)實(shí)際出地面高度會(huì)與按理想水平地面計(jì)算的高度發(fā)生變化，力的作用點(diǎn)也發(fā)生了變化。計(jì)算時(shí)需考慮上述因素進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)文件中注明基礎(chǔ)頂面允許變化的范圍。

4 典型光伏電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 山地光伏電站

某領(lǐng)跑者光伏電站場(chǎng)址位于太行山中部，地貌上屬剝蝕中山-黃土丘陵區(qū)。場(chǎng)地范圍內(nèi)地勢(shì)起伏，沖溝發(fā)育，地面標(biāo)高一般在1 130～1 300m。地基土主要由二迭系上統(tǒng)石千峰組砂巖夾薄層頁(yè)巖組成，多數(shù)場(chǎng)地局部或整體地段覆蓋第四系中、上更新統(tǒng)黃土（Q2+3），厚度一般為2.0 ～3.0 m，濕陷特征不顯著。地下水位埋深一般大于10m。

光伏組件布置有豎排2（排）×13（塊）和2（排）×16（塊）兩種形式，采用固定傾角36°，支架為固定式支架，前后排雙立柱布置。由于山地地形起伏，坡度不一，光伏子單列布置采用隨坡就勢(shì)，支架基礎(chǔ)需具備一定的標(biāo)高調(diào)節(jié)能力，才能使支架適應(yīng)地形變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)傾角。因此，本項(xiàng)目采用預(yù)埋鋼管灌注樁基礎(chǔ)。灌注樁直徑180mm，入土深度根據(jù)不同區(qū)域地層厚度變化通過(guò)計(jì)算確定，采用1～1.8 m不等，出地面0.1 m。混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。預(yù)埋鋼管外徑76mm，壁厚4.0 mm，總長(zhǎng)0.6 m，埋入灌注樁0.45 m，露出樁頂0.15 m[1]。鋼管頂部設(shè)1個(gè)對(duì)穿螺栓孔和4個(gè)鎖緊螺栓孔，底部焊接鋼筋籠。支架立柱外徑略小于預(yù)埋鋼管內(nèi)徑，安裝時(shí)，立柱插入鋼管后，選擇合適的排孔位置，安裝對(duì)穿螺栓，通過(guò)鎖緊螺栓緊固，安裝完成后刷防腐漆防腐。通過(guò)調(diào)節(jié)立柱埋入預(yù)埋鋼管中的深度，實(shí)現(xiàn)立柱高度的多級(jí)可調(diào)，從而適應(yīng)不同的地形起伏。

4.2 荒漠戈壁光伏電站

某領(lǐng)跑者光伏電站位于祁連山山系的宗務(wù)隆山脈南麓，總體地形開闊平坦，北高南低，地貌上屬高原荒漠戈壁灘。地面高程約為3 000～3 150m。地基土主要由第四系角礫（Q4al+pl）組成，厚度6.0 ～7.8 m。勘察場(chǎng)地未見地下水。

光伏組件布置采用固定式支架和平單軸跟蹤支架2種。固定式支架采用預(yù)埋鋼管灌注樁。平單軸跟蹤支架立柱間距較大，基礎(chǔ)所承受的荷載大于雙立柱固定支架基礎(chǔ)。靠近驅(qū)動(dòng)軸的立柱基礎(chǔ)還需承受較大的水平荷載。平單軸組件離地高度需滿足±45°傾角時(shí)不小于0.5 m，因此，樁基礎(chǔ)出土高度約在1m。綜合考慮地質(zhì)條件、支架結(jié)構(gòu)形式和施工條件，平單軸支架基礎(chǔ)采用干作業(yè)成孔灌注樁。樁徑300mm，入土深度2m，出地面1m。出地面部分樁基礎(chǔ)受力狀態(tài)接近壓彎構(gòu)件，樁縱筋配置根據(jù)樁身最大彎矩確定，并配置螺旋式箍筋抵抗樁身剪力。樁頂預(yù)埋鋼板，與支架立柱焊接。

4.3 水上光伏電站

某領(lǐng)跑者光伏電站位于江西省，光伏陣列所在區(qū)域全部為湖泊。光伏電站建設(shè)容量250MWp，防洪等級(jí)為Ⅱ級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為≥50 a一遇的高水位[2]。湖區(qū)水位受上游來(lái)水和外湖水位的雙重影響，勘察期間湖面標(biāo)高為14.5 m（1985國(guó)家高程，下同），湖水深度0.00 ～4.00 m，根據(jù)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算的50 a一遇洪水位為17.5 m。場(chǎng)地表層為湖水，下部為殘積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為白堊系泥質(zhì)砂巖。

光伏組件布置采用固定式支架、平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架和漂浮浮體式。因湖水較深，水域面積大，基礎(chǔ)施工需采用水上作業(yè)。根據(jù)上述特點(diǎn)，本工程支架基礎(chǔ)采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。樁頂標(biāo)高按組件最低點(diǎn)高于50 a一遇洪水位0.5 m確定。樁長(zhǎng)根據(jù)水下地形圖分區(qū)域計(jì)算，樁端持力層進(jìn)入粉質(zhì)黏土層不小于3.5 m。因樁基礎(chǔ)出土高度較高，受力狀態(tài)接近長(zhǎng)懸臂壓彎構(gòu)件，樁型選擇需根據(jù)樁身受彎承載力設(shè)計(jì)值和按標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的樁身抗裂彎矩雙重控制，保證樁處于彈性狀態(tài)。對(duì)斜單軸跟蹤支架，其前后立柱和樁端平面形成四面體，立柱相對(duì)樁基礎(chǔ)的剛度較小，對(duì)樁頂位移較為敏感。因此，在受水平力較大的2根后立柱樁頂增設(shè)了1根拉桿，使其對(duì)樁頂?shù)膫?cè)向力自平衡，增強(qiáng)了體系的穩(wěn)定性。

4.4 凍土地區(qū)光伏電站

某示范基地光伏電站位于壩上高原，受地表水面流的侵蝕作用，地形起伏不大。地面高程約為1 300～1 350m。地層主要由粉土、細(xì)砂、中粗砂、黏土、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖組成。場(chǎng)地內(nèi)存在的特殊性巖土主要為季節(jié)凍土及鹽漬土。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》及其附錄F“中國(guó)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”，該地區(qū)季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深為200 cm，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)和地層巖性，判斷地基土凍脹性類別為弱凍脹，凍脹等級(jí)為Ⅱ級(jí)。場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長(zhǎng)期浸水條件下具弱腐蝕性，在干濕交替條件下具強(qiáng)腐蝕性。場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。

光伏組件布置采用固定式支架、平單軸跟蹤支架和固定傾角可調(diào)支架。由于地下水在干濕交替條件下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性，根據(jù)GB/T 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，如采用灌注樁，在混凝土硬化過(guò)程中腐蝕性介質(zhì)會(huì)進(jìn)入樁身，因此，支架基礎(chǔ)可選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁。樁身混凝土摻入抗硫酸鹽外加劑、阻銹劑。確定樁的入土深度時(shí)，除驗(yàn)算單樁豎向承載力，還需按季節(jié)性凍土上的短樁基礎(chǔ)驗(yàn)算其抗凍拔穩(wěn)定性。在弱凍脹條件下，表層粉土的切向凍脹力達(dá)到30～60 kPa[3]，如果單純?cè)黾訕堕L(zhǎng)來(lái)抵抗凍拔力，所需樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性較差。為此，采取構(gòu)造措施，樁基施工前采用預(yù)鉆孔，孔徑略大于樁徑，沉樁完成后，在樁周圍回填密實(shí)的中粗砂，以消除凍脹力影響。

5 結(jié)語(yǔ)

在支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)上部支架結(jié)構(gòu)形式和地質(zhì)情況，結(jié)合施工條件進(jìn)行合理選型。并且還需要考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按支架基礎(chǔ)實(shí)際受力狀態(tài)確定計(jì)算模型，在保證安全的前提下進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。