山地光伏支架基礎創(chuàng)新研究及應用

何文俊，鄭少平，周于程

(中國電建集團湖北省電力勘測設計院，武漢 430000)

山地光伏支架基礎創(chuàng)新研究及應用

何文俊，鄭少平，周于程

(中國電建集團湖北省電力勘測設計院，武漢 430000)

針對山地光伏復雜地形和地質條件下光伏支架基礎工程量大、支架調整難度大、基礎工程造價高、施工周期長的難題，在傳統(tǒng)支架基礎上進行創(chuàng)新設計，提出了一種可適用于山地光伏的新型支架基礎型式，該型基礎力學性能好，工程造價低，施工效率高，能有效適應山地光伏應用環(huán)境，可在行業(yè)內大范圍推廣。

光伏支架基礎；山地光伏電站；創(chuàng)新設計

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.003

1　引言

太陽能作為一種資源豐富，分布廣泛且可永久利用的可再生能源，其在全球能源結構中的比重持續(xù)增大，具有極大的開發(fā)潛力[1]。截至2015年9月底，全國光伏發(fā)電裝機容量達到3795104kW，1～9月全國新增光伏發(fā)電裝機容量 990104kW，裝機規(guī)模位居世界首位。“十三五”我國將持續(xù)壯大太陽能光伏發(fā)電市場規(guī)模，初步規(guī)劃“十三五”光伏裝機規(guī)模目標將達1.5108kW，即每年新增約2000104kW，光伏發(fā)電容量占能源供應的比例進一步加大，市場前景極為廣闊[2，3]。

2　傳統(tǒng)光伏支架基礎

光伏支架基礎受項目場址建設條件及施工環(huán)境影響較大，量多面廣，施工周期長，是光伏電站建設過程中最為關鍵的內容和環(huán)節(jié)之一。目前，廣泛應用的光伏支架基礎型式主要有鋼制螺旋地錨基礎、微孔灌注樁基礎、預應力管樁基礎、鋼筋混凝土獨立基礎等[4～7]。

鋼制螺旋地錨基礎在鋼制地錨鋼管上以一定螺距、傾角焊接一定數(shù)量和直徑的葉片，形成螺旋型樁體，通過螺旋錨鉆井機將螺旋地錨基礎旋進地基砂土，多用于粉土、粉質黏土等表層土地區(qū)。因鋼制地錨鋼管直接與地基土接觸，需采用熱鍍鋅防腐工藝來延長螺旋樁使用壽命，基礎成本相對較高。

微孔灌注樁基礎為圓柱形鋼筋混凝土結構，樁身較長，基礎開挖土石方量較大。基礎施工工序包含采用專業(yè)機械設備鉆孔機進行成孔，綁扎制作鋼筋籠，鋼筋籠定位固定，樁身混凝土澆筑及振搗等，工序繁瑣且施工工藝較復雜。

預應力管樁基礎在混凝土澆筑前，采用先張法張拉鋼筋，產生預應力后再澆筑混凝土預制成樁。管樁需采用沉樁機壓樁施工，對施工作業(yè)面、機械化程度要求較高，適用于以人工填土、軟土、黏性土、粉土、粉砂、細砂、中砂為覆蓋層且密實耐打的地質條件，應用有限。

鋼筋混凝土獨立基礎多為階梯形現(xiàn)澆或預制鋼筋混凝土結構，基礎開挖土石方及回填工程量大。為避免產生較大的不均勻沉降，鋼筋混凝土獨立基礎多用于地基承載力高的場區(qū)，不易調整基礎高度。同時基礎施工需要進行基礎定位、基礎開挖、模板制作、鋼筋綁扎定位、混凝土澆筑、養(yǎng)護、拆模等工序，施工工期長。

上述傳統(tǒng)光伏支架基礎型式在山地光伏項目建設中應用受限，無法解決山地光伏地形和地質條件下基礎工程量大、基礎投入造價高、施工周期長、支架不易調整等的難題。本文根據(jù)山地光伏特點，對支架基礎進行創(chuàng)新設計，提出一種適用于山地光伏的新型支架基礎型式——機械成孔鋼管地錨基礎。

在“十一五”期間，沒有建立獨立兒童福利院的地級以上城市和部分人口多、孤殘兒童數(shù)量大的縣級市，紛紛新建獨立兒童福利機構；已經(jīng)建立兒童福利機構的地級以上城市，對現(xiàn)有兒童福利機構進行改建、擴建或重建；已經(jīng)建立社會福利院的縣（市、區(qū)），新建、改擴建相對獨立兒童部，旨在為孤殘兒童提供養(yǎng)護、教育、康復、娛樂于一體的多功能綜合性服務[3][4]。兒童愛心莊園結合自身實際，抓住契機，積極探索教、康、保三位一體整合服務模式。

3　機械成孔鋼管地錨基礎創(chuàng)新設計

3.1機械成孔鋼管地錨基礎結構型式

機械成孔鋼管地錨基礎樁身呈圓柱體，現(xiàn)澆素混凝土，直徑一般為130～150mm之間，樁身長度一般不超過2m，樁身全部埋入地表以下，如圖1和圖2所示。

圖1　基礎正面圖

圖2　基礎剖面大樣

基礎頂部預埋1根軸對稱直縫鍍鋅圓形鋼管，避免了角鋼、方鋼等截面不易旋轉調整的弊病，有效解決了山地條件下基礎施工定位不易、質量控制難度大的問題。支架立柱與基礎預埋鋼管采用承插式定位連接，支架立柱可以在基礎鋼管里自由伸縮調整高度，滿足了山地光伏支架角度的調整需求。立柱與基礎鋼管通過緊固螺栓和對穿螺栓進行固定，如圖3和圖4所示，其中緊固螺栓用于立柱高度和支架傾角調整前的臨時固定，對穿螺栓用于調整完成后的緊固連接。采用螺栓機械連接，質量穩(wěn)定可靠，操作方便，不需要焊接或現(xiàn)場電源，不受氣候條件影響，施工效率高。

圖3　螺栓連接正視圖

圖4　螺栓連接俯視圖

光伏組件及支架系統(tǒng)為朝南布置，主要荷載為南北向風壓及組件自重[8，9]。針對基礎荷載特點，基礎中預埋的鍍鋅鋼管沿其主受力方向（南北向）焊接2根帶肋鋼筋，并下引至樁身底部，見圖2。鋼筋長度根據(jù)基礎成孔深度及樁身長度靈活選取，鋼筋與預埋鋼管之間采用滿焊焊接，基礎鋼管和下引鋼筋采用場外集中批量加工方式，生產效率高，可有效提高支架基礎施工效率。

3.2機械成孔鋼管地錨基礎的優(yōu)勢

基礎鋼管沿其主受力方向焊接下引帶肋鋼筋，有效提高了基礎的抗拔性能，增加了基礎鋼管與混凝土的錨固長度，減小了基礎鋼管的長度。得益于機械成孔鋼管地錨基礎良好的力學性能，基礎所需成孔直徑和深度較小，有效降低了支架基礎的工程造價。

支架立柱鋼管可以在基礎鋼管里面自由伸縮調整高度，有效解決了山地光伏支架傾角調整要求高、立柱高度調節(jié)不易的問題，對地形變化適應力強，可廣泛應用于低山丘陵、地表障礙物（基巖）出露、局部坡度（高差）變化劇烈等復雜地形區(qū)域。

基礎施工采用履帶式液壓潛孔鉆機配合空壓機進行沉孔，穿透力強，可適應強風化砂礫巖、片巖等堅硬地質條件，可施工性強。履帶式鉆機抓地性能好，能適應山地起伏、坡度較大的施工作業(yè)面要求。采用機械化流水線沉孔作業(yè)，單機單日可沉孔100～200個，人工成本低，施工效率高。

3.3機械成孔鋼管地錨基礎的工程應用及效益分析

機械成孔鋼管地錨基礎已在某設計院的多個EPC總承包光伏并網(wǎng)發(fā)電項目工程中得到應用，項目建設區(qū)域覆蓋了云南、新疆、湖北等地，地形為山地、戈壁灘、丘陵，地形及地質條件復雜，如圖5所示。采用該型基礎有效節(jié)約了工程造價，工程應用效果顯著。

圖5　機械成孔鋼管地錨基礎的工程應用

云南施甸木瓜山30MWp光伏發(fā)電工程共2760個一級陣列，每個陣列14個基礎，較該項目可研階段原設計方案鋼筋混凝土地錨基礎，共計節(jié)約工程造價193.2萬元，如表1所示。

表1　云南施甸木瓜山30MWp光伏發(fā)電工程基礎造價對比

新疆陽光溫泉一期30MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程共2940個一級陣列，每個陣列16個基礎，較該項目初步設計階段提供的鋼筋混凝土微孔灌注樁基礎方案，共計節(jié)約工程造價141.12萬元，如表2所示。

表2　新疆陽光溫泉一期30MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程基礎造價對比

湖北隨州淅河100MWp光伏發(fā)電工程共18520個一級陣列，每個陣列8個基礎，較該項目可研階段原設計方案鋼筋混凝土地錨基礎，共計節(jié)約工程造價518.56萬元，如表3所示。

表3　湖北隨州淅河100MWp光伏發(fā)電工程基礎造價對比

4　結論

山地光伏發(fā)電項目市場前景廣闊，光伏支架基礎量多面廣，施工周期長，是光伏電站建設過程中最為關鍵的內容和環(huán)節(jié)之一。本文提出的機械成孔鋼管地錨基礎力學性能好，工程造價低，施工方式靈活，機械化施工效率高，能有效適應山地光伏復雜地形和地質條件，對于傳統(tǒng)光伏支架基礎有較大優(yōu)勢，在工程實際應用中有效節(jié)約工程造價，效果顯著，可在行業(yè)內大范圍推廣。

【1】喬俊強,李世民.全球光伏市場動態(tài)與展望[J].太陽能，2015(4)：12-16.

【2】國家能源局.2014年光伏發(fā)電統(tǒng)計信息[EB/OL].http://www.nea. gov.cn/2015-03/09/c_134049519.htm,2015-03-09.

【3】國家能源局.國家能源局關于下達2015年光伏發(fā)電建設實施方案的通知[EB/OL].http://zfxxgk.nea.gov.cn/auto87/201503/t20150318_ 1891.htm,2015-03-16.

【4】楊文,田富銀.泰國某光伏發(fā)電示范工程支架基礎選型設計探討[J].低碳世界，2014(22):105-106.

【5】閆健,劉健全.大型光伏電站擾動區(qū)支架基礎選型的探討[J].太陽能.2013(23):36-39.

【6】Umberto Desideri,Pietro Elia Campana.Analysis and comparison between a concentrating solar and a photovoltaic power plant[J]. Applied Energy.2014,113(8):422-433.

【7】Brandon Duquette,Todd Otanicar.Comparative Economic Analysis of Concentrating Solar Technologies[J].J.Sol.Energy Eng.2013,135(2): 145-150.

【8】GB 5007—2011建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

【9】GB 50797—2012光伏發(fā)電站設計規(guī)范[S].

Innovation Research and Application of Mountain PV Support Foundation

HE Wen-jun，ZHENG Shao-ping，ZHOU Yu-chen
(Power China Hubei Electric Power Survey&Design Institute,Wuhan 430000,China)

Considering the problems of PV foundation under complex terrain and geological conditions of mountain PV power plant, including large engineering quantity,difficulty of bracket adjustment,high cost and long construction period,anew PV foundation type was proposed innovatively as substitution for traditional PV foundations,which has characteristics of excellent mechanical properties,low cost, high efficiency,strong adaptability for mountain PV power plan,and large-scale promotion in PV industry.

PV foundation曰PV power plant曰innovative design

TU271.1

A

1007-9467（2016）05-0025-03

何文俊(1971～)，男，湖北武漢人，工程師，從事新能源工程設計研究，（電子信箱）33076374@qq.com。

2015-12-01