采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的錨固系統結構分析

劉喆，樊森輝，路大衛，趙偉通

摘 要：在采煤塌陷區水域建設水面漂浮式光伏電站，可有效利用閑置廢棄的水域，解決了在電力缺口較大且土地資源緊張的地區建設傳統地面光伏電站的難題。水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣在風荷載、波浪荷載和水流力的作用下，會產生較大的水平荷載，其錨固系統的設計成為難點，同時也是漂浮系統能否可靠工作的關鍵點。以某采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站為例，對比分析了其錨固方案分別采用預應力高強度混凝土（PHC）管樁和普通重力式混凝土錨固塊時的構造設計及經濟性，并分析了與兩種錨固方案配套使用的鋼絲繩構造，最終選出最具經濟性的錨固方案。分析結果表明：1）通過計算，錨固方案采用PHC管樁時，錨固設計主要由水平承載力控制；2）為適應光伏方陣在水位變化時產生的位移，錨固方案采用PHC管樁時，其樁頭可采用“抱樁器+上下限位”的構造設計；錨固方案采用普通重力式混凝土錨固塊時，需要在鋼絲繩下增加一段彈力繩；3）在錨固點數量相同的情況下，在平均水深約為5 m的淺水區域，錨固方案采用PHC管樁可以提供更強的錨固力，且經濟性較好。

關鍵詞：采煤塌陷區；水面漂浮式光伏電站；錨固計算；預應力高強度混凝土管樁；構造設計；經濟性分析

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

對人口及商業密集、電力缺口較大的中國中東部地區，有限的土地資源為大規模開發地面光伏電站帶來難度，而水面漂浮式光伏電站不會占用土地資源，越來越受到行業內的重視并成為熱門方向[1-2]。中國于2016年開始逐步推廣采煤塌陷區水上光伏發電項目，與日本、美國等國家相比，起步相對較晚但發展迅速。

煤炭作為中國最重要的能源，其大規模的利用和開采對礦區地表產生了一定的破壞，造成地表移動與變形。隨著礦區的煤炭資源逐漸匱乏，利用采煤塌陷區水域開發水上光伏電站，不僅可以將已閑置的水面資源進行高效利用，不占用耕地、林地和草地等土地資源，同時光伏發電具有清潔、太陽能供應源源不斷、安全等顯著優勢，可以提高當地的清潔能源利用水平，有助于節約煤炭資源和降低溫室氣體排放，對改善采煤塌陷區生態環境具有積極促進作用。在采煤塌陷區的水域開發水面漂浮式光伏電站，可有效利用塌陷區閑置廢棄的水域，改善水域生態環境，避免占用寶貴的土地資源，實現綜合效益最大化[3]。水體對光伏組件有冷卻作用，且光伏組件下方無遮擋，東西方向通風良好，開闊的水域面積還可以提高太陽光利用率；另外，光伏組件覆蓋在水面上可抑制藻類繁殖，有助于減少水體蒸發和保護水資源，具有獨特的優勢。在國家相關政策的引導下，在采煤塌陷區的水域開發水面漂浮式光伏電站具有廣闊的應用和開發前景[4]。部分采煤塌陷區水上光伏發電項目的規劃已通過水電水利規劃設計總院組織的評審，并上報國家能源局等待批復。

水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣在風荷載、波浪荷載和水流力的作用下，會產生較大的水平荷載，導致其錨固系統的設計成為難點，同時也是漂浮系統能否可靠工作的關鍵點。基于此，本文以某采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站為例，對其錨固方案分別采用預應力高強度混凝土（PHC）管樁和普通重力式混凝土錨固塊時的構造設計及經濟性進行對比分析，并對兩種錨固方案配套使用的鋼絲繩構造進行分析，最終選出最具經濟性的錨固方案。

1? 荷載計算

本文算例所選的采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站場址區域的原始地貌類型為沖洪積、湖積平原，由于地下煤炭開采，在采空區上方塌陷成盆地，后來積水成湖。地下煤層于2015年前后停止開采，現地面沉降基本達到穩沉，采煤塌陷區水域的平均水深約為5 m，局部最深處約為8 m。

水面漂浮式光伏電站的漂浮系統主要由主浮筒、過道浮筒、支撐縱梁、光伏支架立柱、連接螺栓等構成。本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站中，單塊光伏組件的尺寸（寬×高）為2278 mm×1134 mm，重量為27.5 kg；光伏組件采用單排橫向布置，光伏組件安裝傾角為15°（向北側傾斜）。1個光伏方陣的東西向總長度約為260 m，南北向總長度約為125 m，共布置7072塊光伏組件。單塊光伏組件在漂浮系統上的布置示意圖如圖1所示。

單個光伏方陣中，光伏組件按照“26列+52列+26列”劃分為3個分區，每個分區之間設置1列主浮筒，方便布置逆變器并兼做電纜通道。在光伏方陣南北向最外側各設置兩行主浮筒，東西向最外側各設置1列過道浮筒，且在每兩行光伏組件之間設置1行主浮筒。主浮筒的長度大于過道浮筒的長度，但二者的寬度與厚度相同。單個光伏方陣共布置4264個主浮筒，414個過道浮筒。

由于水面漂浮式光伏發電系統的設計使用年限為25年，本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站所在地的25年重現期風壓為0.3 kN/m2，25年重現期雪壓為0.2 kN/m2，設計采用的水流速度為1 m/s。通過統計浮筒、光伏組件、支撐縱梁和電氣設備這4個部分的自身重量，以及每個主浮筒和過道浮筒所能提供的浮力，可計算得到光伏方陣所在浮體的吃水深度為0.2 m。

依據T/CPIA 0017—2019《水上光伏發電系統設計規范》中附錄A給出的計算方法，對作用在光伏方陣漂浮系統的風荷載、波浪荷載和水流力進行計算。風荷載、波浪荷載和水流力均會給光伏組件造成水平荷載。由于光伏方陣上的光伏組件為朝向南側布置，南北向為主要受風方向，因此計算風荷載時，需要分別計算作用在光伏方陣上的南側來風和北側來風，風荷載體型系數分別取0.80（南側來風）和0.95（北側來風）[5]。作用在光伏方陣上的水平荷載的計算結果如表1所示。

從表1可以看出：光伏方陣的北側在北側來風作用下受到的水平風荷載大于光伏方陣的南側在南側來風作用下受到的水平風荷載，因此錨固方案設計計算時，光伏方陣的北側為主受力方向。

2? 錨固方案采用錨固樁時的設計

2.1? 工程地質

本案例采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站場區的水文地質屬于沖洪積、湖積平原孔隙水區，因煤炭采空塌陷，長年積水成湖，地表水豐富。區域內地下水依靠大氣降水、地表水、河水補給，排泄方式為側向滲流和蒸發，屬于垂直補給側向滲流循環類型。通過確定對水面漂浮式光伏電站場區存在影響的采煤工作面邊界范圍，主要依據采空區類型、開采條件、開采方法及頂板管理方式、終采時間、地表移動與變形特征、頂板巖性等因素，采用開采條件判別法、地表移動變形判別法等方法，對工程場地現狀進行穩定性分析評估，評估結論是場地穩定性等級為“基本穩定～穩定”。

2.2? 地層結構及特征

對擬建采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的場地進行地質勘察。根據NB/T 10100—2018《光伏發電工程地質勘察規范》[6]，依據擬建工程場地的復雜程度，判定場地等級為1級；依據場地地基的復雜程度，判定地基等級為2級。因此，綜合判定本工程勘察等級為甲級。勘察鉆孔采用網格狀布置，單孔設計鉆孔深度為6～20 m。

根據地質勘察報告，擬建水面漂浮式光伏電站場區勘探深度范圍內揭露的湖底地層為第四系全新統沖洪積沉積物、第四系上更新統沖洪積沉積物及人工填土等，其中，人工填土僅在很小區域分布，且基巖面埋深較大。根據工程場地所揭露地層的成因、年代、巖性特征及物理力學性質，將其劃分為3個工程地質層、9個工程地質亞層。

當本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的錨固方案采用錨固樁時，根據各土層的物理力學性質指標，并結合JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》的推薦來確定錨固樁的參數。工程場地所揭露地層中各土層（由上至下）的巖性特征及對應的錨固樁參數如表2所示。

2.3? PHC管樁的承載力計算

在水面漂浮式光伏電站中，通過錨固樁確保光伏方陣在風荷載、波浪荷載和水流力作用下產生的位移值在一個合理的范圍內。錨固樁在使用時主要承受上拔荷載和水平荷載作用，且在長期浸水環境中，水質對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有弱腐蝕性。綜合考慮上述因素的影響，本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的錨固樁選用AB型PHC管樁。

由于計算樁基水平承載力時，地基土水平抗力系數的比例系數的計算深度為2（d+1）（其中d為樁的外徑），因此樁長對樁基水平承載力計算沒有影響，可不考慮增加樁長。根據施工經驗，在PHC管樁沉樁施工時，需保證管樁立起后樁頂高出水面，以方便定位和糾正樁身垂直度。綜合上述因素影響，PHC管樁的樁長為10 m，施工完成后樁身整體埋沒于水中，其中埋在土中的部分長度為7.5 m，土層外露部分長度為2.5 m；由于①-1人工填土層在所有勘探點中僅1處揭露，因此在計算時不考慮本土層的影響。PHC管樁與土層的關系簡圖如圖2所示。

選擇3種PHC管樁進行分析，樁型分別為PHC 300 AB 70（外徑為300 mm）、PHC 400 AB 95（外徑為400 mm）、PHC 500 AB 100（外徑為500 mm）。分別計算不同樁型的PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力，計算結果如表3所示。其中，計算水平承載力時，按地面處位移10 mm進行控制；計算豎向抗拔承載力時，抗拔極限承載力標準值按照JGJ 94—2008中非整體破壞的條件、單樁自重取其浮重度進行控制。

2.4? PHC管樁樁頭的設計

水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣的位置會隨著水位變化而產生變化。因此，本錨固方案中，在湖底以上外露在土層外2.5 m的樁長范圍（即樁頭）內，在PHC管樁上樁頭處設置可沿著樁頭上下移動的抱樁器，以適應水位變化；樁頭上下兩頭各設置1個抱箍，用來限制抱樁器在樁頭上的移動范圍，抱樁器通過自身設置的4組滑輪在PHC管樁樁頭上豎向滑動。PHC管樁樁頭的示意圖如圖3所示。

本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣按照當地50年一遇洪水位進行設防，考慮洪水位與常水位的水位變化幅度為1 m。PHC管樁樁頭采用“抱樁器+上下限位”的構造，首先，抱樁器的豎向移動行程滿足水位變化的要求，在常水位時，抱樁器處于下抱箍處，此時錨固鋼絲繩為放松狀態，漂浮平臺在風荷載、波浪荷載和水流力等水平荷載作用下產生側向移動；若移動已使鋼絲繩達到繃緊狀態時，漂浮平臺的移動受

到限制，此時荷載作用點距離PHC管樁的嵌固位置較近，由水平荷載產生的彎矩較小。其次，在洪水位時，由于水位升高，光伏方陣主浮筒拉動抱樁器使其沿著PHC管樁從下抱箍處向上移動，在極端荷載組合作用下，主浮筒不受由于鋼絲繩繃緊而產生的附加豎向分力，因此不會導致主浮筒的吃水深度加大而淹沒光伏組件。最后，在光伏方陣正常運行過程中，鋼絲繩為放松狀態，抱樁器可防止鋼絲繩在PHC管樁樁頭處和相鄰錨固點的鋼絲繩在水流力作用下發生相互纏繞[7-9]。

2.5? 不同錨固點布置方案對比

在錨固點間距變化的情況下，對比分析不同錨固點布置方案中采用不同外徑PHC管樁時的受力情況。本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣的北側在北側來風作用下受到的風荷載較大，在洪水位時，PHC管樁樁頭上的抱樁器移動至上抱箍處，此時鋼絲繩為繃緊狀態，調整PHC管樁與光伏方陣主浮筒之間的水平距離，使鋼絲繩與水平方向的夾角成為25°。由表1可知：光伏方陣的北側受到的風荷載（北側來風）、波浪荷載和水流力按照標準組合，光伏方陣水平方向的整體拉力為879.2 kN。考慮鋼絲繩與水平方向的夾角為25°，則豎直方向的整體拉力為410.0 kN。

PHC管樁需要通過鋼絲繩與光伏方陣最外側的主浮筒或過道浮筒上的U型縱梁相連接。若錨固點按照在最外側浮筒“隔一布一”的方式布置（即布置方案1），則需要在光伏方陣北側共布置56根PHC管樁，樁中心標準間距為4.8 m。每根PHC管樁需要承受的水平荷載Fx為15.7 kN，豎向上拔荷載為Fy為7.3 kN。對表3計算得到的不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力進行對比，然后計算采用錨固點布置方案1時不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力安全系數，計算結果如表4所示。

若錨固點按照在最外側浮筒“隔二布一”的方式布置（即布置方案2），則需要在光伏方陣北側共布置28根PHC管樁，樁中心標準間距為9.6 m。每根PHC管樁需要承受的水平荷載為31.4 kN，豎向上拔荷載為14.6 kN。計算采用錨固點布置方案2時不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力安全系數，計算結果如表5所示。

在洪水位時，PHC管樁上的抱樁器移動至上抱箍處時，抱樁器中心點距離湖底淤泥層頂面的距離為2.0 m，按照PHC管樁的嵌固端與湖底淤泥層頂面的距離為0.8 m計算，則抱樁器中心點與PHC管樁嵌固端的距離為2.8 m。按照標準荷載組合，計算錨固點布置分別采用布置方案1

和布置方案2時水平荷載產生的彎矩，并與各樁型PHC管樁的抗裂彎矩極限值進行對比（抗裂彎矩極限值根據文獻[10]進行取值），計算結果如表6所示。

對表4～表6的計算結果進行分析：

1）由表4、表5可知：錨固點布置無論采用布置方案1還是布置方案2，不同樁型PHC管樁的豎向抗拔承載力均有較大的安全余量，因此光伏方陣的錨固設計主要由PHC管樁的水平承載力控制。考慮光伏方陣中各樁的受力不均勻性，安全系數取1.5，則采用布置方案1時不適宜選取外徑為300 mm的PHC管樁，采用布置方案2時不適宜選取外徑為400 mm及以下的PHC管樁。

2）由表6可知：采用錨固點布置方案1時，外徑為300 mm的PHC管樁出現了按標準荷載組合計算的水平荷載產生的彎矩不滿足抗裂彎矩要求的情況；采用錨固點布置方案2時，外徑為300、400 mm的PHC管樁均出現了按標準荷載組合計算的水平荷載產生的彎矩不滿足抗裂彎矩要求的情況。若按照布置方案2的設計進行錨固點布置，單個錨固點的鋼絲繩拉力為按照布置方案1的設計進行布置時的2倍。由于PHC管樁需要通過鋼絲繩與光伏方陣主浮筒上的縱梁進行連接，因此需要將縱梁和連接件進行加固，以滿足強度要求，PHC管樁與浮筒縱梁的連接示意圖如圖4所示。

綜合考慮上述因素，本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的錨固點布置方案選取布置方案1，錨固樁的樁型選用PHC 400 AB 95。

3? 錨固方案采用錨固塊時的設計

3.1? 錨固塊的連接構造

除錨固樁外，普通重力式混凝土錨固塊由于具有構造簡單、施工難度低、可預制的特點，也較多的應用于水面漂浮式光伏電站的錨固設計中。與采用錨固樁的錨固方案不同，錨固樁可借助其樁頭“抱樁器+上下限位”的構造應對光伏方陣在水位變化時產生的移動，而采用錨固塊的錨固方案則需要依靠錨固塊自身重量，同時需要在鋼絲繩下設置一段彈力繩，以適應光伏方陣在荷載和水位變化時產生的位移。錨固塊的連接構造示意圖如圖5所示。

3.2? 錨固塊的重量計算

與上文錨固方案采用PHC管樁時的錨固點布置方案1的布置形式相同，在光伏方陣北側共布置56個普通重力式混凝土錨固塊，鋼絲繩與水平方向的夾角同樣為25°，每個錨固塊需要承受的水平荷載為15.7 kN，豎向上拔荷載為7.3 kN。由于普通重力式混凝土錨固塊內配置的鋼筋數量較少，自重取值按24 kN/m3計算。為增大普通重力式混凝土錨固塊與湖底的摩擦力，沉錨施工前需要清除錨固塊范圍內的湖底淤泥，同時計入錨固塊的浮力。

在受到錨繩拉力作用下，普通重力式混凝土錨固塊在水平方向的受力平衡方程可表示為：

Fx=（G–Fy–FF）?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：G為普通重力式混凝土錨固塊的重力，kN；FF為普通重力式混凝土錨固塊的浮力，kN；μ為摩擦系數。

若摩擦系數取0.6，通過式（1）計算得到普通重力式混凝土錨固塊的重力為57.4 kN，根據安全系數取1.5，可計算得到最終單個普通重力式混凝土錨固塊的重力為86.1 kN，體積約為3.6 m3。為避免在錨繩拉力作用下產生傾覆，需要盡量增大錨固塊的底面積并降低其高度，因此，根據計算得到的普通重力式混凝土錨固塊體積進行換算，最終錨固方案采用的普通重力式混凝土錨固塊的尺寸（長×寬×高）為1.9 m×1.9 m×1.0 m，混凝土強度等級為C30。

4? 經濟性對比

通過對受北側來風的風荷載較大的光伏方陣北側進行計算分析，得到了分別采用PHC 400 AB 95管樁和普通重力式混凝土錨固塊的兩種錨固方案，單個錨固點需采用10 m長的PHC管樁或體積為3.6 m3的普通重力式混凝土錨固塊。依據國家、相關部門及項目當地現行的有關規定、光伏發電工程概算定額、費率標準等，錨固方案材料可以在當地采購，價格按2021年第2季度的價格水平并計入運雜費計算，人工預算單價按照NB/T 32027—2016《光伏發電工程設計概算編制規定及費用標準》執行。對本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站分別采用兩種錨固方案時單個錨固點的成本進行計算，計算結果如表7所示。

雖然普通重力式混凝土錨固塊構造簡單，但需要較大的體積才能有足夠的重量，才能為光伏方陣提供足夠的錨固力。因此，根據表7，再結合表3的計算結果可知：在錨固點數量相同的情況下，PHC管樁可以提供更強的錨固力，且其經濟性要優于采用普通重力式混凝土錨固塊時的經濟性。綜上所述，本采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站的錨固方案采用PHC管樁的成本較低。

5? 結論

本文以某采煤塌陷區水面漂浮式光伏電站為例，對其分別采用PHC管樁和普通重力式混凝土錨固塊兩種錨固方案時的設計及經濟性進行了對比分析，得出以下結論：

1） 錨固方案采用PHC管樁時，錨固設計主要由PHC管樁的水平承載力控制，樁長設計除需要滿足水平承載力和豎向抗拔承載力外，還需要綜合考慮施工時的樁基定位和樁位偏差檢測要求，應保證打樁時PHC管樁外露長度滿足施工要求。

2） 為適應光伏方陣在水位變化時產生的位移，錨固方案采用PHC管樁時，其樁頭可采用“抱樁器+上下限位”的構造設計；錨固方案采用普通重力式混凝土錨固塊時，需要在鋼絲繩下增加一段彈力繩。

3） 通過對比，在錨固點數量相同的情況下，在平均水深約為5 m的淺水區域，采用PHC管樁可以提供更強的錨固力，且經濟性較好。

需要注意的是，現階段針對光伏方陣內部的錨固設計缺少相關規范要求，可在下一步的工程中繼續總結經驗和研究。

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ANALYSIS OF ANCHOR SYSTEM STRUCTURE FOR FLOATING PV POWER STATION ON WATER SURFACE IN COAL MINING SUBSIDENCE AREA

Liu Zhe1，Fan Senhui2，Lu Dawei1，Zhao Weitong1

（1. PowerChina Nuclear Engineering Company Limited，Jinan 250102，China；2. Datang Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Heze 274000，China）

Abstract：The construction of floating PV power station on water surface in coal mining subsidence areas can effectively utilize idle and abandoned water areas，solving the problem of building traditional ground PV power stations in the region with a large power shortage and limited land resources. In floating PV power station on water surface，the PV array generates significant horizontal loads under the action of wind load，wave load，and water flow force. The design of its anchoring system has become a challenge，and it is also a key point for the reliable operation of the floating system. This paper takes a floating PV power station on water surface in a coal mining subsidence area as an example to compare and analyze the structural design and economy of its anchoring schemes using prestressed high-strength concrete （PHC） pipe piles and ordinary gravity concrete anchoring blocks，and analyzes the steel wire rope structure used in conjunction with the two anchoring schemes. Finally，the most economical anchoring scheme is selected. The analysis results show that：1） through calculation，when the anchoring scheme adopts PHC pipe piles，the anchoring design is mainly controlled by the horizontal bearing capacity. 2） To adapt to the displacement generated by the PV array when water level changes，when PHC pipe piles are used as anchoring schemes，the pile head can be designed with a structure of "pile gripper + upper and lower limit positions" can be adopted；When using ordinary gravity concrete anchoring blocks as the anchoring scheme，an elastic rope needs to be added under the steel wire rope. 3） When the number of anchor points is the same，in shallow water areas with an average water depth of about 5 m，the anchoring scheme using PHC pipe piles can provide stronger anchoring force and better economic efficiency.

Keywords：coal mining subsidence area；floating PV power station on water surface；anchor calculation；PHC pipe piles；structural design；economic analysis