光伏電站支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

光伏電站支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)摘要：中國要想達(dá)到碳達(dá)峰碳上和，必須大力發(fā)展清潔可再生能源。隨著“平價(jià)上網(wǎng)”時(shí)代的到來，十四五期間，我國光伏項(xiàng)目將會(huì)有更大的發(fā)展機(jī)遇和市場(chǎng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光電支撐地基是最重要的一環(huán)，其選型和設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的造價(jià)。本文總結(jié)了當(dāng)前最常用的支持地基的基本類型，研究了其設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合工程案例闡述了一些典型光伏電站支撐基礎(chǔ)基本的選擇和設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：光伏電站；支架；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)引言光伏支撐基礎(chǔ)是把放置光伏組件的支撐構(gòu)件所承擔(dān)的各項(xiàng)功能傳送到地板上的結(jié)構(gòu)部件。與建筑構(gòu)件的基本比較，光伏電站支撐基本所承擔(dān)的施工負(fù)荷相對(duì)較小，雖然設(shè)計(jì)、施工困難度不大，但由于數(shù)量巨大，其安全、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)整體施工質(zhì)量的影響也較大。因此支撐基本的選型和設(shè)計(jì)須充分考慮工程地貌要求、地質(zhì)特征要求、上部支撐構(gòu)件形式、施工負(fù)荷要求、施工工藝等，并應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程工期特點(diǎn)和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)情況加以優(yōu)選與調(diào)配。1支架基礎(chǔ)形式針對(duì)不同的地質(zhì)要求，光伏支架基礎(chǔ)可以有很多種類型。1.1擴(kuò)展式基礎(chǔ)拓展型基石主要有獨(dú)立基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)二種。拓展型基石通常使用現(xiàn)澆混凝土，但若是在現(xiàn)場(chǎng)建筑施工較麻煩時(shí)，或冬季建筑施工時(shí)，還可選擇采取工廠制造的方法，以減輕現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)濕作業(yè)和維護(hù)。由于拓展型基底部體積較大，地基壓力小，強(qiáng)度大，穩(wěn)定性較好，且對(duì)地面沉降變化有較好的適應(yīng)性，用于在受壓后，具有較小的彈性模量和較低承載力的軟土區(qū)域，以及特殊的地質(zhì)條件，如采面塌陷收縮區(qū)、黃土濕陷區(qū)、新近回填的欠膠結(jié)地[1]。不過，由于擴(kuò)展型基需要大量建設(shè)土地，工作量大，且費(fèi)用也較高；對(duì)土壤表層植被和地貌的損害，也不利于生態(tài)；在地下水位較高的地區(qū)，施工難度較大。因此，目前在光伏電站基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用越來越少。1.2樁基礎(chǔ)樁基本類型有水泥灌注樁礎(chǔ)、水泥預(yù)先準(zhǔn)備樁基礎(chǔ)施工、鋼樁承臺(tái)等，是中國目前使用最普遍的支撐基本型式。光伏支架使用樁基礎(chǔ)時(shí)，通常并不設(shè)有支承臺(tái)，而支撐柱則與基座之間采取插接、焊接、預(yù)埋錨栓、法蘭盤等多種形式相連，或干脆采取與樁柱的一體型式。灌漿樁基本上是采用機(jī)械化打孔，其施工工藝簡(jiǎn)單，人力消耗少，對(duì)地面土的破壞和干擾很少，而且可以滲透到堅(jiān)硬的土層中。根據(jù)地形變化，可調(diào)節(jié)地基頂部的高度。由于采用的灌注樁基樁直徑較小，一般采用在干工作土壤中進(jìn)行鉆孔，以滿足鉆孔施工時(shí)不容易發(fā)生塌孔的需要。因此不宜使用在軟弱土壤、疏松砂土、破碎巖石以及地下水位差較大的場(chǎng)所。而且灌注樁還需要現(xiàn)場(chǎng)澆注水泥，在冬季工地中的維護(hù)比較困難，也不能使用。預(yù)準(zhǔn)備樁基礎(chǔ)可在工廠制造，小批量生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無需開挖，澆筑速度快，在冬季澆筑時(shí)無需維護(hù)，成樁后，樁身品質(zhì)優(yōu)良，可根據(jù)地基高低調(diào)整樁身高度。在生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)需要加入防銹的外加劑，具有更好的耐用性。適用于粘性土，粉土等。如果遇到砂質(zhì)土層，則很難進(jìn)行沉樁，而且易發(fā)生偏心或斷裂，故不宜采用。同時(shí)，在近海潮灘、漁光互補(bǔ)、農(nóng)光互補(bǔ)等水面光伏電站中也有應(yīng)用。而混凝土預(yù)制樁施工技術(shù)主要依靠打樁或壓樁機(jī)具，適合用在較平順的區(qū)域，但不宜作為山區(qū)光伏電站。在偏遠(yuǎn)地區(qū)則還須考慮運(yùn)輸成本。1.3錨桿基礎(chǔ)錨索礎(chǔ)，是由設(shè)置于巖石中的錨索與混凝土支承臺(tái)礎(chǔ)以及型鋼承壓板構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施。在巖石地面上的錨索礎(chǔ)主要有2種：一類為植筋錨索礎(chǔ)，在巖層中鉆小孔，然后進(jìn)行植筋，然后注入粘結(jié)劑，將其錨定在巖層中；另一種是巖錨柱，通過在掘進(jìn)機(jī)械的土壤中開一個(gè)洞，然后注入水泥或細(xì)石水泥，將其固定。對(duì)于埋藏較淺或地表暴露的場(chǎng)地，采用錨柱基法，其風(fēng)化程度要求為中度~無風(fēng)化，完好無損~結(jié)構(gòu)完整，且有地下水時(shí)不宜采用。2支架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)支架技術(shù)基礎(chǔ)的選擇、受力分析和設(shè)計(jì)都與上部支承光伏組件的支撐型式有關(guān)。目前，使用較多的支撐形式一般有水平穩(wěn)定式、傾角可調(diào)式、水平單軸跟隨式、傾斜單軸跟隨式等[2]。固定式支撐可選擇雙立柱和單立柱二種型式，而另外一些支撐則通常選擇單支柱型式。因?yàn)橄嗷プ饔糜谥紊系呢?fù)荷一般是永久荷載、風(fēng)荷載和雪負(fù)荷，在傳導(dǎo)到基本頂面時(shí)一般是豎向式負(fù)荷、水平負(fù)荷和彎矩。因此支撐的基本設(shè)計(jì)需注意以下幾點(diǎn)：1）各類別的基礎(chǔ)都要經(jīng)過豎向強(qiáng)度估算。豎向荷載是指相互作用于地基上的重要負(fù)荷，直接影響著擴(kuò)展基的底面積大小、樁基本的樁徑和樁長(zhǎng)、錨桿基的最大截面積和直徑等，對(duì)工期影響較大。2）相互作用于基石頂面的水平負(fù)荷大部分都是由風(fēng)荷載形成的。當(dāng)使用驅(qū)動(dòng)軸承的方式跟蹤支撐基石時(shí)，還需承擔(dān)很大的水平推動(dòng)力。對(duì)于樁承臺(tái)而言，其散射截面長(zhǎng)度通常受水準(zhǔn)強(qiáng)度限制，可通過m法驗(yàn)算單樁水準(zhǔn)強(qiáng)度。當(dāng)使用單柱單樁承臺(tái)時(shí)，需將樁承臺(tái)作為壓彎構(gòu)件，按樁體最大彎矩驗(yàn)算其抗彎強(qiáng)度承載力。3）為了環(huán)保，以及降低土地挖掘工作量，光伏場(chǎng)區(qū)一般不做高場(chǎng)平，所以，地勢(shì)也經(jīng)常有起伏。而對(duì)于不具有高度可調(diào)整功能的上部支架，基礎(chǔ)頂高度也有比較嚴(yán)格的規(guī)定。此時(shí)，為了確保支架的順利安放，基座實(shí)際出地高程會(huì)與按理想水平地基測(cè)量的實(shí)際高程變化，力的作用點(diǎn)也出現(xiàn)了改變。在測(cè)量時(shí)需充分考慮這些影響做好包絡(luò)設(shè)計(jì)，并在初步設(shè)計(jì)文檔中標(biāo)明基座頂面所允許改變的范圍。3典型光伏電站支架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3.1山地光伏電站光伏組件布置方式有豎列2（排）×13（塊）和2（排）×16（塊）二種型式，均采用固定傾斜度為36°，支架基礎(chǔ)為固定支撐，前后列雙支柱布局。但鑒于中國山區(qū)的地勢(shì)起伏，坡度不一，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)子單列布局則采用隨坡就勢(shì)，因此支撐基礎(chǔ)必須具有相應(yīng)的高度調(diào)整能力，才可以使支撐基礎(chǔ)順應(yīng)山勢(shì)而變形，從而達(dá)到設(shè)計(jì)傾角。為此，預(yù)埋式鋼管樁基礎(chǔ)是該項(xiàng)目的選型。灌注樁管徑為180mm，根據(jù)不同地區(qū)的土層厚度，用估計(jì)法測(cè)定入土深度，采用了1~1.8m深不等，出地面0.1m?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)C30。管壁厚4.0mm，總長(zhǎng)0.6m，共埋設(shè)灌注樁0.45m，露出樁頂0.15m。鋼管頂端設(shè)有一個(gè)對(duì)穿螺栓孔和四個(gè)鎖緊螺釘孔，在底部連接著鋼籠。在安裝時(shí)，支承柱的外徑比預(yù)埋管的內(nèi)徑稍小，將支柱接入管道后，選取正確的排孔部位，并裝配上對(duì)穿定位螺釘，再采用鎖緊螺釘固定，在完成安裝后涂一層防銹涂料。通過調(diào)節(jié)立柱在預(yù)埋管線中的深度，可以使立柱的高度在不同的地形條件下進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.2荒漠戈壁光伏電站其中一家太陽能發(fā)電站位于祁連山的務(wù)隆山脈西南方向，地勢(shì)平坦，地勢(shì)平坦，地勢(shì)平坦，是一片戈壁灘。地表海拔在3000-3150米左右。大多數(shù)基礎(chǔ)土是由6.0~7.8米厚的第四系角礫巖（Q4al+pl）組成。在勘探現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)現(xiàn)任何地下水。光伏組件結(jié)構(gòu)布置主要采取了固定支撐和單軸追蹤支撐二種。固定支撐用預(yù)埋鋼管灌注樁。平單軸追蹤支撐柱間隙很大，穩(wěn)定基礎(chǔ)所承擔(dān)的負(fù)荷超過了雙立柱穩(wěn)定支撐基礎(chǔ)。靠近驅(qū)動(dòng)軸線處的支柱基座，還須承擔(dān)很大的水平負(fù)荷。由于平單軸組件離地高需在達(dá)到±45°的傾角時(shí)不得低于0.5m，所以，樁承臺(tái)的出土高程大約在1m。綜合考慮了地質(zhì)條件、支撐構(gòu)件型式和施工要求，平單軸支撐基礎(chǔ)選用了干作業(yè)土中成孔灌注樁。樁直徑為300mm，入土水深為2m，出地面1m。出地面組成部分的鋼筋混凝土基本受力狀況類似于壓彎結(jié)構(gòu)，樁縱筋配置按照與