垃圾填埋場地光伏支架基礎設計研究

江賽雄，趙婷婷，嚴 旭

(1. 中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021；2. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

隨著城市建設的發(fā)展，全球垃圾年產量逐年增加，目前絕大多數的垃圾處理均采用填埋方式，但是垃圾填埋場會長時間占用大量土地，對環(huán)境污染嚴重，且填埋場維護成本高，不利于生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。近幾年，在垃圾填埋場上新建太陽能光伏發(fā)電站是國內外普遍的一個研究趨勢。在垃圾填埋場上新建光伏電站不僅可以提高土地利用率，還能增加垃圾的填埋量、產生電能、減少溫室氣體排放，具有明顯的經濟效益和社會效益。但是由于垃圾填埋場的特殊地質條件，垃圾成分的不確定性、復雜性、特異性，導致場地極易發(fā)生整體沉降或者不均勻沉降，不僅會對發(fā)電效率及發(fā)電量造成不利影響，也會損壞光伏支架結構及光伏支架基礎。目前，垃圾填埋場上新建光伏電站實際應用還相對較少，對其研究還停留在初步階段。文章結合相關實際工程經驗，介紹國內垃圾填埋場光伏電站研究及應用現狀，并對支架基礎設計優(yōu)化進行分析研究。

1 研究現狀及工程概況

1.1 研究現狀

近年來，國內專家學者、設計院、建設單位對垃圾填埋場及修建在其上的光伏發(fā)電站進行了一些研究和實踐[1-3]。

文獻[4]對重慶地區(qū)的城市垃圾填埋場進行了調查研究，推導出垃圾填埋物的本構關系，并在取得大量數據的基礎上，利用三維有限元數值方法模擬垃圾場的沉降變形過程，提出了對即將嚴重破壞場內設施和周邊建筑的變形區(qū)采取的相應治理措施和具體方案。文獻[5]對城市垃圾填埋場的沉降模型進行了分類，介紹了經驗模型和傳統(tǒng)理論的計算方法，分析出經驗模型和傳統(tǒng)理論模型的不足之處，指出垃圾填埋場沉降計算新的發(fā)展方向。文獻[6]對金口垃圾填埋場內垃圾土的壓縮特性、承載力特性及抗剪強度進行了研究，并對場地內新建建筑物的基礎進行了選型分析，提出了相關設計方案和施工措施，以保證工作人員及建筑物的安全。文獻[7]對比了兩種國外垃圾填埋場太陽能光伏電站系統(tǒng)形式，詳細介紹了該類項目在設計安裝時需要考慮的問題和解決辦法，最后提出了場地坡度設計、薄膜覆蓋方法、太陽能電池安裝、面積設計、填埋氣體收集等相關設計原則。

1.2 工程概況

某光伏發(fā)電站擬修建于海邊垃圾填埋場。該場地在1986年是一個采石場，在經過14 a開采后，被政府改造為垃圾填埋場，之后生活垃圾、市政垃圾、農業(yè)垃圾以及無污染工業(yè)廢物被填埋在該場地，廢物垃圾從2000年開始堆積至今，其中大部分是城市固體垃圾。原始場地未設基層襯砌系統(tǒng)、濾液收集系統(tǒng)以及垃圾廢棄收集排氣系統(tǒng)，垃圾層及以下石渣層沒有經過壓實，僅依靠推土機自然堆積。垃圾填埋場地實景如圖1所示。

圖1 垃圾填埋場地實景圖

經過對擬建場地的初步探查，光伏場地較為平整，但是場地下垃圾層厚度差異較大，垃圾厚度6～15 m不等，且垃圾成分差異較大。垃圾覆蓋層厚度示意圖如圖2所示，勘察探坑實景圖如圖3所示。

圖2 垃圾覆蓋層厚度分布示意圖

圖3 勘察探坑實景圖

該工程采用的單位光伏板設計尺寸為16.306 m×4.02 m， 由 32塊 高 效 單晶硅400 Wp組件組成，組件尺寸約為2 000 mm(長 )×991 mm(寬 )×35 mm(厚 )，組件自重每塊約26.9 kg。光伏組件離地最低高度不小于650 mm。光伏板傾角20°。該地區(qū)終年無雪，50 a設計基準期超越概率10%的地震加速度值約0.05g。觀測到空曠平坦地面上10 m高度處10 min平均風速約31.2 m/s。

2 基礎設計研究

2.1 場地處理及基礎選型

由于垃圾填埋場地地質條件差，承載力低、垃圾層厚度分布不均勻、且并未完全固結。在修建光伏電站前，為保證地基承載力達到設計要求、處理并收集垃圾沼氣、設置場地排水設施，需要對該垃圾填埋場進行預先地基處理。目前垃圾填埋場的封場處理措施比較成熟，先對垃圾層上的覆土進行碾壓，然后鋪設HDPE膜及土工布，將地下廢氣及廢水與上部隔絕，并在適當的地方設置排氣孔和濾水排水設施，最后在面層鋪設約600 mm厚的素土并壓實。垃圾填埋場地基處理典型剖面如圖4所示，項目地基處理實景如圖5所示。

圖4 垃圾填埋場地基處理典型剖面圖

圖5 垃圾填埋場地基處理實景圖

由于單軸跟蹤式光伏支架成本太高，經過業(yè)主確認選擇固定支架方案。本工程風荷載較大，經過方案比較后采用前后雙支柱結構形式，且雙支柱方案抵抗地基不均勻沉降能力也比單支柱強。橫向前后支柱柱距3 000 mm，柱頂設斜梁連接，縱向支架柱距3 150 mm，一個單位光伏板共設12個支柱，在后支柱平面內斜梁與支柱間設一道垂直支撐，斜梁上共設4根縱向檁條。鋼材均采用冷彎薄壁型鋼，鋼材強度為Q235B。

為保證地基處理效果，光伏支架基礎不能埋置于壓實后的表面覆土層以下，且任何基礎形式均不能穿破土層下方的土工膜。因此樁基礎在本工程不適用，只能選擇直接放置于隔離層以上的擴展基礎。基礎形式主要考慮獨立基礎、橫向條形基礎、縱向條形基礎和網狀基礎。

2.2 基礎計算及分析

2.2.1 受力分析

根據我國NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規(guī)程》[8]、GB 51101—2016《太陽能發(fā)電站支架基礎設計規(guī)范》[9]等規(guī)范相關要求，對于光伏支架擴展基礎應進行受壓承載力計算、抗拔承載力計算、抗滑移驗算、抗傾覆驗算。由于光伏支架及光伏板自重輕，所受恒荷載小，主要受力荷載為風荷載，風荷載在光伏板面上產生的雙向力可以分解為水平力Fx和豎向力Fy。光伏支架受力簡圖如圖6所示。取3.15 m×4.02 m為一個計算單元，光伏組件自重考慮0.25 kN/m2，鋼筋混凝土基礎容重考慮24 kN/m3。

圖6 光伏支架風荷載受力簡圖

2.2.2 基礎方案

根據《太陽能發(fā)電站支架基礎設計規(guī)范》要求，基礎埋深不小于500 mm，可以不考慮基礎抗滑移驗算。因此為節(jié)約鋼筋混凝土工程量、節(jié)省土建造價，部分基礎考慮埋入表面覆土中，支架基礎底面標高考慮為-0.5 m。圖7～圖10分別為獨立基礎方案、橫向條形基礎方案、縱向條形基礎方案、網狀基礎方案的平面布置圖及橫向剖面圖。

1)獨立基礎方案

獨立基礎方案每一根鋼支柱下分別設置一個混凝土基礎，由于受力特性差異，前支柱基礎較小，尺寸為0.7 m(長)×0.5 m(寬)×0.5 m(高)，后支柱基礎較大，尺寸為 0.7 m(長)×0.8 m(寬 )×0.5 m(高)，如圖7所示。

圖7 獨立基礎方案示意圖

2)橫向條形基礎方案

橫向條形基礎方案每一橫列前后支柱共用一個條形基礎，基礎尺寸為3.7 m(長 )×0.4 m(寬 )×0.5 m(高 )，兩支柱中間部分基礎寬度收縮為0.4 m，高度收縮為0.3 m，如圖8所示。

圖8 橫向條形基礎方案示意圖

3)縱向條形基礎方案

縱向條形基礎方案每一縱列前支柱共用一個條形基礎，每一縱列后支柱共用一個條形基礎。基礎尺寸為16.15 m(長)×0.3 m(寬)×0.3 m(高)，在鋼支柱柱腳處0.4 m寬度范圍內基礎高度加大為0.5 m，如圖9所示。

圖9 縱向條形基礎方案示意圖

4)網狀基礎方案

網狀基礎方案鋼支柱橫向及縱向均用條形基礎連接，基礎寬度及高度均為0.3 m，基礎高度均為0.3 m，在鋼支柱柱腳處0.3 m寬度范圍內基礎高度加大為0.5 m，如圖10所示。

圖10 網狀基礎方案示意圖

2.2.3 基礎計算結果及分析

分別計算光伏支架前支柱抗拔、后支柱抗拔、負壓工況后支柱抗傾覆、負壓工況前支柱抗傾覆、正壓工況后支柱抗傾覆、正壓工況前支柱抗傾覆。光伏支架基礎安全系數計算結果見表1所列。

根據相關規(guī)范要求，基礎穩(wěn)定性驗算結構安全系數不應小于1.60，從表1可見，各基礎設計方案安全系數均大于1.60，滿足相關規(guī)范規(guī)程穩(wěn)定性要求。獨立基礎最小安全系數為負壓后支柱抗傾覆系數，數值為1.74；橫向條形基礎最小安全系數為負壓后支柱抗傾覆系數，數值為1.60；縱向條形基礎最小安全系數為負壓后支柱抗傾覆系數，數值為1.88；網狀基礎最小安全系數為負壓后支柱抗傾覆系數，數值為2.47。由于光伏支架基礎斷面還需要滿足一定的結構構造以及安裝尺寸，因此并不能所有方案安全系數均按1.60設計，綜合考慮，以上基礎方案截面為最優(yōu)斷面。統(tǒng)計每個計算單元所需要的鋼筋混凝土工程量見表2所列。

表1 光伏支架基礎安全系數計算結果

表2 計算單元基礎鋼筋混凝土工程量統(tǒng)計表

經分析，可以得到如下三個結論：

1)獨立基礎方案鋼筋混凝土工程量最小，為2.73 m3，橫向條形基礎次之，為2.92 m3，網狀基礎鋼筋混凝土工程量最多，為4.51 m3，縱向條形基礎工程量位于橫向條基與網狀基礎之間，為3.195 m3。

2)獨立基礎由于基礎之間協調性差，其抵抗地基不均勻沉降能力最差；橫向條形基礎由于橫向鋼支柱都位于同一基礎上，其抵抗地基不均勻沉降能力強于獨立基礎方案；而縱向條形基礎整個光伏板前支柱在同一基礎上，后支柱也在同一基礎上，基礎長度更長，整體性更好，因此其抵抗地基不均勻沉降能力強于橫向條形基礎方案；網狀基礎則是整個光伏板所有支柱均置于同一基礎上，基礎協調性和整體性最好，極大減小了光伏支架由于沉降造成的鋼結構拉壞的風險，從抵抗地基不均勻沉降方面來說是本工程最優(yōu)的基礎設計方案。

3)需要注意的是，如果垃圾填埋場地并不是局部沉降，而是自身大面積整體沉降，無論哪種基礎設計方案，均不能完全解決沉降造成的光伏板角度改變的問題，有可能會造成光伏電站發(fā)電量損失，這部分風險需要在項目前期有所考慮。

綜上，在垃圾填埋場這類特殊軟弱場地上修建光伏電站項目，為盡量減輕場地自身沉降對光伏電站發(fā)電量的影響以及保證光伏支架的結構安全，勢必會造成光伏支架基礎工程量的增加。對于如何在安全性與經濟性之間找到一個平衡點，這需要專業(yè)的垃圾填埋場研究機構針對具體的項目場地進行安全性評估與風險評估。結合勘察資料與評估建議，設計人員再從各設計方案中選擇最適宜的工程設計方案，在保證結構安全的前提下，以求達到最佳經濟效益。

3 設計及應用建議

雖然垃圾填埋場場地條件有很多天然的劣勢和不足，但在垃圾填埋場地上新建太陽能光伏電站實現了土地資源的二次利用，其仍將是未來光伏項目發(fā)展的趨勢。由于目前國內相關工程實踐較少，相關研究、設計及工程建設仍存在一些問題。針對不足，提出如下一些設計及應用建議：

1)從結構專業(yè)角度出發(fā)，為盡量減小垃圾填埋場不均勻沉降對光伏支架安全以及發(fā)電量的影響，光伏陣列支架可以采用小陣列、多支架的設計方案。比如可以減小光伏板縱向長度，減小每一塊光伏板上布置的光伏組件數量，甚至可以選擇豎向單排的組件布置形式，這樣的布置可以使局部場地產生沉降對周邊相鄰光伏板的影響較小。但小陣列、多支架的布置方式可能會對項目總裝機容量造成一定影響，因此，采用此類布置需要和電氣或總圖專業(yè)密切配合。

2)通常垃圾填埋場地基處理由第三方專業(yè)地基處理公司完成。因此，在場地地基處理之前，雙方應密切配合，設計單位應根據設計方案，確定所需地基處理后地基承載力特征值、垃圾層上覆蓋土層厚度及壓實系數等相關設計參數提供給地基處理公司，其再根據設計需求進行場地處理設計。

3)目前國內設計規(guī)程和規(guī)范針對在垃圾填埋場上新建光伏電站項目的相關內容較少，應盡快完善規(guī)范體系和規(guī)范內容，為類似工程設計提供指導，對于不同光伏規(guī)范上存在的矛盾條款應進行修訂或者更改。

4)減輕垃圾填埋場地沉降對光伏支架破壞以及對光伏發(fā)電量影響的風險，勢必會導致土建工程費用增加，必要時專業(yè)技術人員應和業(yè)主方密切溝通，對工程造價、光伏支架安全性、發(fā)電量穩(wěn)定性、總裝機發(fā)電量之間的矛盾問題進行取舍與決策。達到最優(yōu)的經濟效益目標。

4 結語

本文介紹了國內垃圾填埋場相關研究現狀，并根據實際工程對不同的基礎設計方案進行了穩(wěn)定性驗算，對不同的基礎設計方案進行了土建工程量比較，分析了不同基礎設計方案的優(yōu)缺點，并指出了其在設計和應用中存在的一些問題，為垃圾填埋場光伏電站項目將來的建設與研究提供借鑒和參考。