塔式光熱電站大規模定日鏡立柱快速施工技術

馮子恒，孟維凱，張鋒凌，劉 波，張鳳舉，鄒麗文，陳維虎

(中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

塔式光熱發電為清潔能源新技術，是一種集中式太陽能熱發電系統，采用數量龐大、可獨立追蹤太陽的定日鏡，將陽光反射至吸熱塔頂部的吸熱器上，通過加熱吸熱器中的熱工介質實現光能向熱能的轉化。鏡場定日鏡施工是塔式光熱發電系統施工的重點，其施工質量直接影響投運過程中定日鏡的運行效率，進而影響整個塔式光熱發電項目的發電效率。

100MW塔式光熱電站鏡場占地面積廣，一般包含數萬臺定日鏡。定日鏡由立柱支撐，點多面廣，立柱垂直度與方位角要求非常精確，施工精度要求高、工期緊。保證定日鏡反射率及反射精度的前提下，提高大規模立柱的施工速度和施工質量，是目前光熱產業快速發展面臨的問題之一。本文依托海外某950MW光熱光伏混合電站，研究沙漠腹地大規模定日鏡立柱快速施工技術，不僅可縮短光熱電站施工工期，保證施工質量，且對于光熱新型能源產業化發展具有重要借鑒意義。

1 工程概況

海外某950MW光熱光伏混合電站項目塔式鏡場定日鏡由立柱微型樁基礎與上部結構組成。立柱基礎是整個定日鏡的結構支撐，針對鏡場不同地質條件，分為長立柱基礎和短立柱基礎。長立柱長6 365mm，短立柱長5 165mm，分別埋深4 000， 2 800mm；設計樁孔直徑為350mm，采用C30自密實混凝土灌實，布置間距一般為6～8m，立柱為DN193.68鍍鋅鋼管。施工過程中須保證立柱位置及方位角的精確性，以保證后續定日鏡的安裝順利。

2 施工工藝

2.1 立柱安裝精度要求

立柱相對于坐標點偏心距≤40mm；垂直度誤差≤1°； 立柱標高誤差≤50mm；方位角誤差<3°。

2.2 點位確定

采用GPS測量儀進行立柱測量定位。鉆孔前先將自制定位十字架中心靠在定位鋼筋上確定立柱中心，然后拔出定位鋼筋，將鉆機鉆頭靠在十字架中心進行成孔。

2.3 鹽水護壁鉆孔

在土質松散的沙漠中，采用長螺旋鹽水護壁濕成孔工藝，鉆孔直徑為350mm，立柱直徑為190mm；根據地質情況，鉆孔深度為2.98，4.18m，較立柱底標高低180mm。為每臺長螺旋鉆機配置水箱，并在水箱中注入鹽水，鉆孔過程中向鉆頭內持續注水確保成孔孔壁濕潤，利用鹽水蒸發形成結晶鹽的固結效果，避免塌孔，實施效果好。

2.98m孔深注水量為松散沙土約450L，戈壁灘土質約250L。鉆孔前應檢查鉆頭垂直度，確保成孔豎直，成孔后應及時測量孔徑孔深，確保滿足施工質量要求。緩慢下鉆，不間斷注水，鉆至設計標高后，緩慢提升鉆頭，取出清理余土，清理前應用蓋板提前覆蓋孔口，避免余土落入。采用此方法成孔時間3～5min。

2.4 立柱安裝

2.4.1定位吊裝入孔

吊裝前在立柱頂端安裝差分GPS設備(見圖1)。該差分GPS設備由2個GPS、1個電子水平尺、通信傳輸系統及1套電源組成，將立柱編號、x，y，z坐標、垂直度、方位角、施工狀態等信息實時傳送至鏡場施工管理系統Beams，在手持端(多采用平板電腦)上安裝鏡場施工管理系統軟件，可同步顯示立柱施工信息，方便安裝時定位調整。

圖1 差分GPS設備

將立柱提前轉運至施工點位，采用改裝叉車吊裝，人工輔助放入孔中，利用BEAMS觀測立柱頂標高和坐標，調整坐標和標高至設計值。

2.4.2立柱固定與精調

為便于立柱固定、方位角調節和垂直度調整，自制三腳架裝置，如圖2所示。該裝置可重復利用，有效保證施工精度，大大提高精度調節施工效率。

圖2 三腳架裝置

1)坐標及標高調整 立柱入孔前，在地面固定3根垂直度調節螺桿，立柱入孔調節其坐標和標高至設計值后，用方位角調節夾具夾緊立柱。

2)方位角調整 根據Beams實時顯示的方位角數據，利用方位角調節夾具調整立柱方位角，當方位角滿足設計要求時，立柱指北孔為正北方向。

3)垂直度調整 通過調節每根固定垂直度調節螺桿的底部螺母來調節定日鏡立柱垂直度，水平尺輔助，直至達到要求。

混凝土澆筑前利用Beams對立柱標高、坐標、方位角進行復測。若復測結果數據偏差過大，則須按照上述過程重新進行立柱調整。

2.5 混凝土澆筑

立柱間距小，密度大，大型混凝土運輸罐車無法在場內靈活高效行駛，且重型機械會破壞場平面、固沙完成面，針對以上原因及立柱基礎鉆孔分散、混凝土用量小的特點，在傳統叉車壁中自制混凝土承槽，原叉車盡量選用小型鏟車。

由于立柱與樁孔間距僅78mm，為方便混凝土準確導流入孔，避免單一方向直接澆筑沖偏立柱，自制Y形混凝土導流、澆筑小推車(見圖3)，確保立柱兩側同時受力，且減少混凝土浪費，經濟環保。

圖3 自制Y形混凝土導流、澆筑小推車

采用自密實混凝土，混凝土頂標高距地面0.5m?；炷凉捃嚸看窝b載混凝土8m3，可澆筑32根立柱，罐車至現場后，配置多臺改造后的混凝土轉運叉車和小推車同時澆筑，每根立柱澆筑時間僅為3min，極大地提高了作業效率。

為防止成孔破壞坍塌，成孔后24h內應完成混凝土的澆筑。

2.6 基礎土方回填

混凝土澆筑24h后，拆除三腳架進行循環使用，同時在混凝土上表面與地面間50cm范圍內回填原沙，回填完成后單根立柱施工完成(見圖4)。

圖4 施工完成的立柱

2.7 施工記錄

在立柱安裝完成后，利用鏡場Beams將每根立柱的施工信息(坐標、方位角、標高)生成二維碼，并粘貼至立柱上，如圖5所示，實現施工過程可視化。

圖5 立柱二維碼

3 施工要點

1)在原始沙漠中進行立柱樁施工前，須進行場平固沙施工，創造施工條件，立柱樁施工時宜選取小型機動靈活機械，防止大型設備破壞固沙面層，同時可提高施工效率。

2)地面立柱中心點坐標確定后，需使用十字對中盤代替原位置的標記物，確保鉆桿中心軸與地面坐標點精確重合。

3)鉆孔過程中，需根據地質情況控制出水量，土質較硬時可適當減小出水量，當沙層以下為沙質土及粉質土時，需適當增加鉆頭出水量，但不可過大，否則易造成塌孔。

4)立柱吊裝改造機械須與三腳架配合使用，立柱吊入鉆孔后，調整標高和偏心距至設計值，將三腳架的方位角調整裝置與立柱鎖死，松開立柱，利用三腳架調節立柱方位角和垂直度。

5)澆筑混凝土前，使用GPS對立柱中心點坐標、高程、方位角及垂直度進行復核，確保立柱安裝精度符合要求。

6)立柱坐標、高程、方位角及垂直度復核無誤后，向樁孔中注入混凝土，灌注前應保證混凝土的配合比和整體質量滿足要求，同時保證混凝土灌注時間盡可能短，避免時間過長導致塌孔。保證混凝土灌注的連續性，不能出現分層。

4 結語

大規模定日鏡立柱快速施工技術在海外某950MW光熱光伏混合電站項目中實施效果好；單根立柱施工平均操作時長為11～15min，單日能完成300根立柱樁施工；過程中進行了多項發明和創新，不僅成本較低，且節材環保。

1)針對光熱新能源產業塔式鏡場的設計特點，需進行多項定制化機具設備改造和工具發明，如改裝定日鏡立柱轉運、吊裝機械、混凝土轉運、澆筑設備及工具，以此可靈活、機動地在復雜的沙漠和戈壁鏡場內快速完成立柱基礎施工。改造的設備工具也可用于同類基礎或工程量分散、點多面廣工程。

2)針對沙漠松散沙土地質，采用長螺旋濕成孔與鹽水護壁技術，且根據不同地質控制鉆頭出水量，能有效解決不良地質條件下的塌孔問題，保證成孔率和成孔質量，施工速度快，成本低。

3)固定立柱時，立柱吊裝機械配合三腳架使用，按標高、偏心距、方位角、垂直度的調整順序，優化立柱安裝的精度控制步驟，在保證精度的情況下，快速且高效。該立柱三腳架也可用于其他類似的微型樁施工和精度調節工程。

4)使用鏡場施工管理系統Beams與差分GPS信息化管理技術，能快速了解立柱安裝參數信息，極大提高安裝作業效率。立柱安裝完成后，還可利用該系統生成實體信息卡，實現施工過程可視化。此信息管理技術可用于規模大、構件多、精度要求高和管理難度大的工程。