談山西境內(nèi)光伏電站的巖土勘察特點(diǎn)和方法

張 偉 時(shí)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

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談山西境內(nèi)光伏電站的巖土勘察特點(diǎn)和方法

張 偉 時(shí)

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030001)

介紹了山西境內(nèi)光伏電站巖土勘察前資料搜集的主要內(nèi)容，從地質(zhì)調(diào)繪、勘探和取樣、原位測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)等方面，闡述了現(xiàn)場(chǎng)勘察的方法，為光伏電站的巖土勘察工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

光伏電站，巖土工程勘察，地質(zhì)調(diào)繪，原位測(cè)試

0 引言

近年來(lái)，光伏發(fā)電作為可再生的新興能源受到國(guó)家和地方的重視，由于其建設(shè)條件受制約的因素少，建設(shè)速度快，甚至作為一種扶貧項(xiàng)目進(jìn)行推廣。而光伏電站的巖土工程勘察目前基本上是執(zhí)行GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)。該規(guī)范對(duì)于光伏場(chǎng)地的勘察有很大的局限性，且在勘察施工中的可操作性不強(qiáng)。作為一項(xiàng)發(fā)電站廠區(qū)的巖土勘察項(xiàng)目，由于其具有占地范圍廣、上部結(jié)構(gòu)荷載輕、基礎(chǔ)埋深淺及勘察施工周期短等特點(diǎn)，因此在勘察方法手段和工作量的布置方面與傳統(tǒng)的火電又有著很大的差別。

首先，光伏電站的占地面積大，以30 MW為例，達(dá)0.3 km2，而在山區(qū)實(shí)際的覆蓋范圍達(dá)1.5 km2，光伏板的設(shè)置需要在光照相對(duì)充足的方向；第二，上部結(jié)構(gòu)輕，據(jù)相關(guān)資料，上部結(jié)構(gòu)荷載一般1.2 kN/m2，加上可變荷載其總荷載一般不大于3.5 kN/m2，遠(yuǎn)小于一般的工業(yè)級(jí)民用建筑物；第三，基礎(chǔ)底面埋深一般小于2.0 m，由于光伏組件支架對(duì)地基的下壓荷載小，主要考慮基礎(chǔ)的上拔和抗傾覆作用。

作者根據(jù)近年來(lái)諸多光伏電站項(xiàng)目勘察工作，對(duì)山西光伏電站勘察特點(diǎn)及方法進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的表述。

1 資料搜集

由于光伏場(chǎng)地占地面積大，而國(guó)家對(duì)建設(shè)用地的控制越來(lái)越緊，各地的開(kāi)發(fā)高技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)及工業(yè)規(guī)劃區(qū)基本上不包括光伏電站的占地，因此，光伏場(chǎng)地的選址多位于濕陷性黃土地區(qū)、煤礦采空區(qū)、礦山排土場(chǎng)等巖土工程條件較差的地段。場(chǎng)地的資料收集是光伏場(chǎng)地勘察中十分重要的工作。

1)礦區(qū)的資料。山西素有“煤鐵之鄉(xiāng)”之稱，煤層的分布區(qū)域幾乎占了全省總面積的2/3，煤層開(kāi)采后形成的采空區(qū)將導(dǎo)致地表的嚴(yán)重變形，對(duì)光伏組件基礎(chǔ)的穩(wěn)定性有極大的影響。對(duì)特定采空區(qū)區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜、細(xì)致且周期較長(zhǎng)的工作，而光伏場(chǎng)地勘察周期短的特點(diǎn)則要求我們主要依靠搜集到的資料去完成。按照GB 51044—2014煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范，采空區(qū)場(chǎng)地工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)可采用工程類比法、采空區(qū)特征判別法、活化影響因素分析法和地表剩余變形判別法等方法。搜集和調(diào)查場(chǎng)地地下煤層的分布和開(kāi)采情況是最主要的內(nèi)容。煤層的空間分布，如頂板埋深、頂板巖性、煤層厚度、煤層數(shù)量、煤層產(chǎn)狀、煤層所在地層(山西的可采煤層在北部以侏羅系、中部及南部以石炭系地層為主)以及煤層的開(kāi)采規(guī)劃、開(kāi)采方式、開(kāi)采年代、采厚比、采空區(qū)的地表變形特征及發(fā)展趨勢(shì)地表移動(dòng)變形值等。多年的沉降觀測(cè)資料也是判定場(chǎng)地穩(wěn)定性的重要依據(jù)之一。

除煤礦礦區(qū)外，山西的鐵礦也分布廣泛。山西的鐵礦一般分為兩種，一種是位于石炭系底部的風(fēng)化式沉積鐵礦，另一種是前寒武紀(jì)的變質(zhì)鐵礦。風(fēng)化式鐵礦多伴有鋁土礦，礦區(qū)分布范圍廣，但規(guī)模一般較小，多為露天開(kāi)采，少數(shù)為礦洞開(kāi)采；變質(zhì)鐵礦分布范圍相對(duì)較小，但規(guī)模較大，開(kāi)采方式為露天開(kāi)采。對(duì)于鐵礦區(qū)的資料搜集主要應(yīng)掌握其礦區(qū)分布范圍，可以避開(kāi)即可。

除上述兩種主要礦產(chǎn)之外，采石場(chǎng)也是勘察階段需要調(diào)查和資料搜集的內(nèi)容。山西的采石場(chǎng)主要分布于變質(zhì)巖、巖漿巖和石灰?guī)r分布區(qū)。采石場(chǎng)的規(guī)模一般較小，但分布廣泛。開(kāi)采方式多為露天開(kāi)采。采石場(chǎng)對(duì)光伏場(chǎng)地的隱患主要是露天爆破。因此，采石場(chǎng)的調(diào)查不僅要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘更要搜集其相關(guān)的合法的采區(qū)范圍和開(kāi)采手續(xù)。

其他礦種的分布范圍和規(guī)模相對(duì)較小，涉及光伏場(chǎng)地的地段也應(yīng)進(jìn)行必要的資料搜集工作。

2)礦山排土場(chǎng)和發(fā)電廠貯灰場(chǎng)。排土場(chǎng)的填土厚度從十幾米到上百米不等，作為布置光伏組件的場(chǎng)地，應(yīng)充分調(diào)查排土場(chǎng)堆積物的組成、厚度、堆積年限等；發(fā)電廠貯灰場(chǎng)場(chǎng)地主要由粉煤灰組成，其堆積厚度、堆積年限也應(yīng)通過(guò)資料搜集取得。

3)當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)。目前山西境內(nèi)的高壓輸電線路網(wǎng)密布，加上發(fā)電廠、變電站眾多，新建光伏場(chǎng)地常常與已建線路位于同一地貌單元，地基土類別、地基土工程性質(zhì)及空間分布類似，特別是黃土分布的地區(qū)，可以通過(guò)對(duì)其他工程項(xiàng)目資料的搜集定性甚至定量的評(píng)價(jià)新建線路的桿塔地基土的性質(zhì)和參數(shù)。當(dāng)然除電力工程以外的其他工業(yè)、民用項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)同樣有參考價(jià)值。

2 現(xiàn)場(chǎng)勘察

1)地質(zhì)調(diào)繪。

對(duì)于各級(jí)復(fù)雜等級(jí)的光伏場(chǎng)地，地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪是最主要的手段之一。目的是查明場(chǎng)地內(nèi)的微地形地貌、地層巖性組成、地層的產(chǎn)狀及空間分布、地質(zhì)構(gòu)造及是否存在不良地質(zhì)現(xiàn)象等，為場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

山西位于中國(guó)黃土高原的東部，黃土廣泛分布于呂梁山和太行山的山前、山間黃土丘陵區(qū)及汾河谷地的高階地。山西的黃土地區(qū)受風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，往往是沖溝、落水洞等不良地質(zhì)作用發(fā)育，邊坡陡峭、地形破碎，首先應(yīng)須確定的是光伏組件場(chǎng)地的地質(zhì)穩(wěn)定性。由于光伏組件等上部結(jié)構(gòu)的荷載較小，基礎(chǔ)埋深淺，勘探深度一般小于10.0 m，對(duì)于基巖出露廣泛的場(chǎng)地，應(yīng)充分調(diào)查巖石的巖性、產(chǎn)狀、巖石節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、巖石的完整性、強(qiáng)風(fēng)化層的厚度等；在黃土地區(qū)，查明黃土的地質(zhì)年代、空間分布和厚度。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)測(cè)繪，進(jìn)行工程地質(zhì)條件分區(qū)，測(cè)繪成果作為勘察的基礎(chǔ)信息反映在相應(yīng)的圖件里，為光伏場(chǎng)地類別的判定和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)。

2)勘探和取樣。

由于光伏組件的荷載較小，基礎(chǔ)埋深淺，占地面積大，但上部結(jié)構(gòu)單一，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在地基類型類似的情況下也盡可能一致，以簡(jiǎn)化施工工藝，易于質(zhì)量控制，降低工程造價(jià)，因此定性的劃分出地基土的組成和空間分布、提供場(chǎng)地內(nèi)主要的地基持力層和下臥層的物理力學(xué)指標(biāo)是主要目的。就常規(guī)的勘測(cè)手段來(lái)看，鉆探工作主要針對(duì)場(chǎng)地相對(duì)平坦、地下水水位埋深較淺的地段，如山西北部的大同、朔州一帶鹽漬土發(fā)育地區(qū)。由于主要是針對(duì)淺部土層，因而大多可以采用輕便鉆探；鉆探也適用于人工填土形成的場(chǎng)地，如礦山排土場(chǎng)和發(fā)電廠貯灰場(chǎng)等。在同一地貌單元，勘探點(diǎn)可依據(jù)地層的復(fù)雜程度有針對(duì)性的布置，間距100 m～200 m或者更大，同樣勘探線間距150 m～300 m或更大；而探井一般布置于黃土地區(qū)，同一地貌單元，可安排2個(gè)～4個(gè)勘探點(diǎn)。按照設(shè)計(jì)要求，濕陷性黃土地基，需全部或部分消除濕陷性。其中，Ⅰ級(jí)非自重濕陷性土層一般不做處理，其他的Ⅱ級(jí)及以上的自重或非自重濕陷性黃土處理深度一般1.0 m～3.0 m，常用的處理方式為采用人工地基，做短樁基礎(chǔ)。因此，對(duì)于非軟土地段，勘探點(diǎn)的深度一般為5.0 m～8.0 m；在完全由巖石組成的光伏場(chǎng)地，只要不存在斷層、滑坡等可能產(chǎn)生不良地質(zhì)作用的情況，可不布置勘探點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪即可滿足勘察要求。

山西省境內(nèi)的光伏電站，一般都位于低中山區(qū)及山前黃土丘陵，也有少數(shù)位于煤礦的采煤沉陷區(qū)(如陽(yáng)泉光伏發(fā)電示范區(qū))或礦區(qū)排土場(chǎng)和發(fā)電廠的貯灰場(chǎng)。對(duì)于巖石地基，其工程性質(zhì)基本滿足光伏組件支架天然巖基的要求，可直接采用經(jīng)驗(yàn)值；黃土地基則可通過(guò)人工探井取原狀土樣，并進(jìn)行土工試驗(yàn)獲得巖土參數(shù)；而鉆探取原狀土樣主要針對(duì)地下水埋深較淺的場(chǎng)地。排土場(chǎng)和貯灰場(chǎng)等人工填土場(chǎng)地一般取擾動(dòng)土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

3)原位測(cè)試。

眾所周知，光伏組件基礎(chǔ)具有荷載小、埋深淺的特點(diǎn)。在工程實(shí)踐中，我們認(rèn)為相對(duì)適合的且可操作性較強(qiáng)的原位測(cè)試項(xiàng)目一般為輕型動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探，其中輕型動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適合于一般粘性土、黃土、人工填土等場(chǎng)地；靜力觸探一般適用于軟土場(chǎng)地，而且還可以考慮增加十字板剪切試驗(yàn)。當(dāng)然，原位測(cè)試成果的應(yīng)用還應(yīng)根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，綜合分析，為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供合理的參數(shù)。

4)室內(nèi)試驗(yàn)。

原狀土樣一般用于土的常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)，除此之外，黃土地區(qū)的人工探井土樣還需進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)；擾動(dòng)土則以擊實(shí)試驗(yàn)為主，必要時(shí)進(jìn)行顆粒分析，如地基土地震液化判定所需。

對(duì)于土的腐蝕性評(píng)價(jià)應(yīng)按照GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)進(jìn)行。根據(jù)多年黃土地區(qū)的勘察經(jīng)驗(yàn)，黃土對(duì)建筑材料均為微腐蝕，因此在沒(méi)有外來(lái)污染源的情況下，可不取樣進(jìn)行腐蝕性分析；而對(duì)于地勢(shì)低洼的鹽堿場(chǎng)地、曾經(jīng)受礦井及其他工業(yè)污水排水影響的場(chǎng)地土層則應(yīng)取樣分析。光伏支架基礎(chǔ)位于水中時(shí)，應(yīng)取水樣進(jìn)行腐蝕性分析。

3 結(jié)語(yǔ)

1)山西省內(nèi)已建的光伏電站多位于中低山和黃土丘陵區(qū)，場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件相對(duì)較好，巖土工程勘察方法一般以資料搜集工程地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪為主，按照地貌單元布置少量的勘探點(diǎn)，如輕便鉆探和井探作為輔助手段，基本滿足光伏組件地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求。

2)對(duì)位于煤礦采空區(qū)的光伏場(chǎng)地，應(yīng)當(dāng)充分搜集礦區(qū)資料，包括采空區(qū)類型、開(kāi)采方式及頂板管理方式、終采時(shí)間、地表移動(dòng)變形特征、煤層采厚比等，定性、定量相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)場(chǎng)地的穩(wěn)定性和適宜性。

3)位于礦山排土場(chǎng)和發(fā)電廠貯灰場(chǎng)的光伏電站場(chǎng)地的勘察方法以鉆探為主，現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查和測(cè)繪及資料搜集作為輔助手段。

4)現(xiàn)場(chǎng)勘探點(diǎn)的間距宜根據(jù)場(chǎng)地的復(fù)雜程度確定，以能夠定性的查明場(chǎng)地的地基土類別和空間分布為準(zhǔn)，勘探點(diǎn)的深度應(yīng)滿足提供地基持力層和下臥層的設(shè)計(jì)所需的巖土參數(shù)為限。

[1] GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S].

[2] GB 50797—2012,光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 周 穎.光伏電站支架及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2014(21)：87-88.

Discussion on the characterstics and methods of geotechnical investigation of photovoltaic power station in Shanxi

Zhang Weishi

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The thesis introduces main data collecting contents before photovoltaic power station geotechnical survey within Shanxi province, and describes in-situ surveying methods from aspects of geological prospecting, exploration and sampling, in-situ test and indoor test, which has accumulated experiences for geotechnical survey of photovoltaic power station.

photovoltaic power station, geotechnical engineering survey, geological prospecting, in-situ test

1009-6825(2017)14-0047-02

2017-03-03

張偉時(shí)(1958- )，男，高級(jí)工程師

P624

A