淺談大同采煤沉陷區(qū)正泰光伏電站支撐結(jié)構(gòu)的選型

鄒福來 張?zhí)煳?郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000）

淺談大同采煤沉陷區(qū)正泰光伏電站支撐結(jié)構(gòu)的選型

鄒福來 張?zhí)煳?郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000）

筆者在負責(zé)大同采煤地質(zhì)沉陷區(qū)的光伏電站工程建設(shè)過程中，就光伏發(fā)電支撐結(jié)構(gòu)選型總結(jié)了一些思路，與同行共勉，共同提高。

支撐結(jié)構(gòu)；沉陷區(qū)；設(shè)計

筆者近期在負責(zé)一個采煤地質(zhì)沉陷區(qū)的光伏電站工程建設(shè)，剛接到項目的時候大家都認為有風(fēng)險，甚至風(fēng)險很大不可控，但真正深入工程設(shè)計和施工的時候，發(fā)現(xiàn)其實并非那么可怕，還是有章可循的，在本文就淺談一下作者自己的一些設(shè)計思路，與同行共勉，共同提高。

1.工程概況

大同市太陽能資源豐富，年均太陽能輻射總量5432.8MJ/m2，非常適宜建設(shè)并網(wǎng)發(fā)電電站。為了整合采煤沉陷區(qū)光照、土地、電網(wǎng)等發(fā)展要素，將不利因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩兀卣巩a(chǎn)業(yè)發(fā)展空間，助推新能源示范城市建設(shè)，實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)良性發(fā)展，大同市發(fā)改委在深入調(diào)查、反復(fù)論證的基礎(chǔ)上，提出了利用采煤沉陷區(qū)閑置廢棄土地和電網(wǎng)接入等有利條件，發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的設(shè)想。并組織編制了《大同采煤沉陷區(qū)光伏發(fā)電基地規(guī)劃及2015年實施方案》。2015年6月，大同市采煤沉陷區(qū)國家先進技術(shù)光伏示范基地建設(shè)正式獲得國家能源局批復(fù)，成為我國實施光伏產(chǎn)業(yè)“領(lǐng)跑者計劃”首個獲批的基地。本文描述工程規(guī)模為50MW，海拔高度約1260m，其下方大同組煤系地層平均厚191.18m，采空區(qū)主要涉及侏羅系的5個煤層。

2.地質(zhì)情況

根據(jù)本工程地質(zhì)勘查報告結(jié)果，光伏場區(qū)地基土自上而下可劃分為4層：

第①層濕陷性粉土（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質(zhì)均勻；混有粉細砂，夾有零星碎石；無光澤反應(yīng)，搖振反應(yīng)中等，干強度及韌性低。濕陷程度中等～強烈。該層標準貫入試驗實測擊數(shù)5.0～9.0擊，平均6.4擊。

第②層粉砂（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質(zhì)均勻；混有粉細砂，夾有零星碎石。該層標準貫入試驗實測擊數(shù)8.0～12.0擊，平均10.2擊。

第③層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；碎裂狀結(jié)構(gòu)，塊狀層理構(gòu)造，全風(fēng)化～強風(fēng)化，巖芯呈破碎狀，屬軟巖；巖石質(zhì)量基本等級為Ⅴ級，巖石質(zhì)量指標RQD在15～25之間，該層飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度介于10.3MPa～16.9MPa之間，平均12.4MPa。本次勘察部分鉆孔未揭穿該層，最大揭露厚度6.4m。

第④層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；塊狀結(jié)構(gòu)，塊狀層理構(gòu)造，中風(fēng)化，基巖裂隙發(fā)育，巖芯較完整呈短柱狀，柱長10cm～15cm，屬軟巖；巖石質(zhì)量基本等級為Ⅳ級，巖石質(zhì)量指標RQD在30～45之間，該層飽和狀態(tài)下單軸抗壓強度介于10.6MPa～16.6MPa之間，平均12.4MPa。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）（附錄A），大同市南郊區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，設(shè)計地震分組為第一組。場址區(qū)屬構(gòu)造基本穩(wěn)定區(qū)。

根據(jù)采煤沉陷區(qū)地基穩(wěn)定性評估報告結(jié)果，該項目擬建區(qū)下方及周圍賦存侏羅系大同組和石炭系太原組煤系地層。侏羅系大同組煤系地層分屬于3個煤礦：云崗礦、晉華宮礦和同生宏達礦。

圖1　不同支架類型

圖2　地表移動延續(xù)時間曲線圖

受現(xiàn)有采空區(qū)的沉陷變形影響，項目擬建區(qū)地表還可能產(chǎn)生的下沉值為21mm～753mm，傾斜-5.4～+7.3mm/m，曲率-0.11～+0.06×10-3/m，水平變形-3.2～+2.3mm/m。鑒于該項目建筑特點，擬建區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域地表建筑屬于I級輕微損壞變形或Ⅱ級輕度損壞變形，少部分擬建區(qū)內(nèi)光伏電站設(shè)備受到Ⅲ級中度損壞變形。應(yīng)采取一定的抗變形措施，應(yīng)對新建建筑采取一定的抗變形措施。

3.支撐結(jié)構(gòu)形式

該項目為5個“領(lǐng)跑者計劃+新技術(shù)、新模式示范項目”中的一個，由浙江正泰新能源開發(fā)有限公司負責(zé)本工程的建設(shè)。根據(jù)政府要求，該項目總共引用了3種支架，包括固定支架、可調(diào)支架和單軸跟蹤支架3種類型，支架現(xiàn)場照片如圖1所示。

4.大同礦區(qū)開采沉陷特點

根據(jù)礦山開采沉陷理論，地下煤層開采結(jié)束以后經(jīng)過一段時間，當(dāng)?shù)乇磉B續(xù)6個月下沉值不超過30mm時，可認為采空區(qū)地表沉陷達到穩(wěn)定狀態(tài)。但實際上由于受多種因素的影響，開采對地表的影響還未結(jié)束，地表還會發(fā)生少量的殘余沉降，對地表建筑物產(chǎn)生不利影響。

受采動影響的擬建建筑場地的地表沉陷狀況通常由采煤引起的地表移動延續(xù)時間進行分析。地表移動延續(xù)時間（地表移動期）是指地表移動開始到結(jié)束的整個時間，分為地表移動初始期、活躍期和衰退期3個階段。地表移動延續(xù)時間可根據(jù)地表最大下沉點的下沉與時間關(guān)系曲線和下沉速度曲線求得。圖2是某礦綜采工作面地表兩測點的地表移動延續(xù)時間曲線圖。

根據(jù)設(shè)計部門給出的光伏示范基地項目光伏支架等主要建（構(gòu)）筑物地基基礎(chǔ)容許沉降值，傾斜等指標要求，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（2000版）和《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》（JTG/TD31-03-2011），綜合考慮山西大同市采煤沉陷區(qū)特點，制定了該區(qū)光伏電站光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標準，見表1。

表1　項目光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標準

5.結(jié)構(gòu)選型思路

（1）固定支架

在傳統(tǒng)固定支架基礎(chǔ)上做了一個創(chuàng)新，增加了可調(diào)功能，能夠適應(yīng)在預(yù)測沉降量使用；另外同時將一個陣列分成多段，每段長度縮小，由4根立柱支撐，這樣就提高了支架的抵抗變形能力。

（2）手動可調(diào)支架

首先，根據(jù)地基穩(wěn)定性評估結(jié)論，將手動可調(diào)支架排布在適宜性好的區(qū)域。另外，由于手動可調(diào)支架采用單排3立柱支撐，主體依靠強度較好的單主梁形式，整體性強。

（3）單軸跟蹤支架

大同項目跟蹤系統(tǒng)由3軸聯(lián)動的小型系統(tǒng)組成，中間軸屬于驅(qū)動軸，由電動推桿驅(qū)動，由拉桿帶動兩側(cè)2軸運動。此系統(tǒng)主要針對山地不平地形設(shè)計、同時解決了基礎(chǔ)沉降對跟蹤器運行的影響。

①兩軸基礎(chǔ)產(chǎn)生的沉降差對系統(tǒng)的影響：由于兩軸之間的拉桿由鉸鏈連接，當(dāng)產(chǎn)生高度差時，并不影響跟蹤器運行。

②同一軸不同支腿基礎(chǔ)由于沉降產(chǎn)生高度差，系統(tǒng)可以正常運行。如圖3所示。

圖3　單軸跟蹤支架在地勢起伏地段示意圖

結(jié)語

在采煤地質(zhì)沉陷區(qū)內(nèi)建設(shè)光伏電站，我們技術(shù)人員的主要任務(wù)是選擇合適的支撐結(jié)構(gòu)形式。該支撐結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)一定的地基沉降，同時也要有科學(xué)的沉陷預(yù)測系統(tǒng)。

提高建構(gòu)筑物的抗變形能力，主要措施有：

許可條件下，構(gòu)筑物長軸應(yīng)平行于地表下沉等值線，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)主體的軸向與煤層走向成斜交布置。

盡量使建（構(gòu)）筑物處于預(yù)測殘余沉降較均勻和數(shù)值較小區(qū)域，建（構(gòu)）筑物長軸方向應(yīng)盡可能與地表下沉等值線平行。

建筑物體型應(yīng)力求簡單，平面形狀以矩形為宜，避免立面高低起伏。

[1]上海電力設(shè)計院有限公司.南郊區(qū)馬營洼5萬kW項目可行性研究報告[R].

[2]煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司.南郊區(qū)馬營洼5萬kW項目地基穩(wěn)定性評估報告[R].

[3] GB 50797-2012，光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

TU393

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