濕陷性黃土地區光伏支架基礎不均勻沉降問題及解決措施

■ 苗廣威 張廣平 郭航 蔚博琛 柳斌

（1.中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司；2.蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室； 3.蘭州大學土木工程與力學學院）

0 引言

我國的黃土面積分布較廣，約63.5萬km2，占全球總黃土面積的4.9%[1]，而其中濕陷性黃土面積約占我國總黃土面積的60%，且大多分布在我國西北地區。我國西北地區地域面積大、光照資源豐富，并且隨著光伏扶貧政策的深入落實，西北地區建設的光伏電站越來越多。但由于西北地區光伏電站大多建在黃土地基上，也有一部分是建在濕陷性黃土地基上，而濕陷性黃土地區的濕陷性會引發基礎沉降，從而導致上部結構的變形甚至破壞。因此，在濕陷性黃土地區建設光伏電站時，需要對光伏支架的結構形式進行研究，以降低處理濕陷性黃土的造價，解決基礎沉降及上部結構變形破壞的問題，降低濕陷性黃土對光伏支架的影響，從而可使光伏電站在保證安全運營的情況下，產生更多的經濟效益。

1 濕陷性黃土地區光伏支架應用存在的問題

光伏支架的應用已相當普遍，但在濕陷性黃土分布廣泛的地區，光伏支架的應用存在基礎不均勻沉降、地基處理工程造價高、上部結構形式自動化程度低等問題。

1.1 基礎不均勻沉降的危害

黃土遇水后，其自身結構迅速破壞并顯著下沉，再加上支架自身重力的作用，黃土的強度和承載力會隨之降低。光伏支架基礎是光伏電站的重要組成部分，其工程量大、工程造價較高，是光伏電站土建設計的重點。在濕陷性黃土地區，部分基礎會發生不均勻沉降的現象，最終導致基礎被破壞。圖1為光伏支架破壞現場，由圖1可知，支架上部結構發生了不均勻變形，最終導致光伏組件被破壞而不能正常工作，帶來了巨大的經濟損失，甚至會造成較大的安全事故。

圖1 光伏支架破壞現場

1.2 常見地基處理方式的缺點

光伏支架遇到濕陷性黃土時，常見的處理措施有：消除已有土層的濕陷性、基礎穿透濕陷性黃土層、基礎采用防水材料。表1分析了以上3種方法的處理方式及其存在的不足。

由表1可知，在濕陷性黃土地區直接處理光伏支架地基的造價較高，施工過程冗雜，施工周期長，不具經濟性。因此，需對光伏支架結構形式加以研究優化，以解決濕陷性黃土地區基礎不均勻沉降帶來的危害。

表1 常見的光伏支架在濕陷性黃土地基的處理方式及缺點

1.3 常見光伏支架結構形式在濕陷性黃土地區應用的局限性

如何優化光伏支架結構形式，降低工程造價，使光伏支架結構的安全性與經濟性并存，是濕陷性黃土地區光伏電站建設設計的難點。目前，光伏支架的形式多種多樣，但是適用于濕陷性黃土地區的光伏支架還有待研究，尤其是基礎不均勻沉降引起的結構變形這一問題亟待解決。

圖2 固定式光伏支架

山海建等[2]介紹的固定式光伏支架如圖2所示，主要由光伏組件、組件固定架及支撐桿組成。固定式光伏支架具有結構形式簡單、施工難度相對較低的優點，但是在濕陷性黃土地區，地基不均勻沉降易導致上部結構破壞，因此不宜采用此種光伏支架。

黃天云等[3]提出了一種人工調節傾角的圓弧式光伏支架，如圖3所示。該支架在首次安裝時，旋轉圓梁，將組件調到所需傾角，連接件可在相應的定位孔上將圓梁與底支撐連接。若后續需調節組件傾角，可去掉圓梁與底支撐的連接件，旋轉圓梁，調節到所需傾角后，再在對應定位孔上通過連接件將圓梁與底支撐連接。該光伏支架能夠通過調節傾角獲得更多的發電量，但是其調節的自動化程度太低，人工操作難度較高，在調節過程中很難控制光伏支架的穩定性，并且該支架結構不能解決濕陷性黃土地區基礎不均勻沉降導致的上部結構破壞的問題。

圖3 圓弧式光伏支架

李秋鵬等[4]提出了一種隨地形自適應可調節光伏支架，如圖4所示。此光伏支架通過調節上部后支腿和下部后支腿的高度來改變不同坡度下光伏組件的傾角，以滿足不同地形下光伏支架安裝的條件。但該種結構調節難度較高，且濕陷性黃土地區光伏支架結構對基礎形式的要求也較為嚴格，很難將該種支架應用于濕陷性黃土地區。

圖4 自適應可調節光伏支架

上述各種光伏支架在外荷載作用下不能自動調節上部結構的高度和光伏組件的傾角，人工手動調節的難度較高，自動化程度太低，地基處理工程造價高，人工維護所用費用大，且在濕陷性黃土地區光伏支架基礎不均勻沉降時會導致支架上部結構變形，從而引起光伏組件的破壞，因此，這幾種支架結構均不適用于濕陷性黃土地區。

2 長圓孔式橫梁-檁條光伏支架

2.1 結構形式

本文提出了一種在外荷載作用下可以使支架調節上部結構高度及自動調節檁條轉角和距離的長圓孔式橫梁-檁條光伏支架，系統性地解決了濕陷性黃土地區基礎不均勻沉降的問題，避免了以較高的造價進行地基處理，并且實現了結構自動化調節的目標。

長圓孔式橫梁-檁條光伏支架的基礎結構形式簡單，對濕陷性黃土進行簡單處理后，采用獨立基礎即可，能有效降低地基處理的工程造價，縮短了施工周期。獨立基礎的傳統施工方法為：基礎開挖→支?！壴摻睢鷿仓炷?，但在野外施工時，由于傳統的施工方法耗時、耗力，因此，建議采用工廠預制的杯口基礎，如圖5所示，并將其運送至施工現場進行拼裝。

圖5 杯口基礎

長圓孔式橫梁-檁條光伏支架的優勢主要體現在豎向高度可調及自動調節檁條轉角和距離。

1)豎向高度可調?？筛淖冮L圓孔式橫梁-檁條光伏支架高度的豎向高度可調裝置如圖6所示。該裝置主要由支柱和可調裝置組成。支柱分為上支柱和下支柱，下支柱與基礎頂部連接，上支柱與豎向支架相連，結構材質均為Q235鋼材；可調裝置包括3個互成120°的螺桿、套筒和上下兩個圓形平臺，并置于上、下支柱之間。通過套筒轉動螺桿，上平臺跟隨螺紋的轉動上升或下降，從而達到改變光伏支架高度的目的。

圖6 豎向高度可調裝置的結構圖、立面圖、俯視圖及可調裝置正視圖與立體圖

2)檁條轉角和距離可調。長圓孔式橫梁-檁條光伏支架的轉角和距離可調，如圖7所示。光伏支架的鋼材采用Q235鋼材，由熱浸鍍鋅工藝加工；支架系統主要包括橫梁、角鋼和C形檁條，角鋼通過螺栓連接于支架的橫梁上。

圖7 長圓孔式橫梁-檁條光伏支架節點

長圓孔式橫梁-檁條光伏支架中，在角鋼上開長圓孔，檁條與角鋼通過銷栓相連，檁條可繞銷栓上下轉動；在荷載作用和基礎不均勻沉降時，檁條繞銷栓轉動時，會改變檁條與橫梁的距離和轉角，檁條可沿長圓孔水平滑動，從而保證結構的穩定和平衡，支架系統不會因內力過大而被破壞，使光伏支架的傾角可以更加安全地調整。

相比于傳統的光伏支架形式，長圓孔式橫梁-檁條光伏支架具有豎向高度可調及自動調節檁條轉角和水平距離的特點。當基礎發生不均勻沉降時，長圓孔式橫梁-檁條光伏支架的節點可以改變檁條轉角和水平距離，從而不至于使基礎因沉降不均勻而引起上部結構的破壞，并配合調節光伏支架豎向高度，使該光伏支架適宜在濕陷性黃土地區使用，實現了自動化調節的目的，避免了處理較厚的濕陷性黃土土層，有效降低了工程造價，解決了濕陷性黃土地區基礎不均勻沉降的問題，保證了光伏支架結構承載力滿足要求。

下文對長圓孔式橫梁-檁條光伏支架的承載力情況進行了詳細分析。

2.2 承載力計算

長圓孔式橫梁-檁條光伏支架采用鋼結構，固定支架傾角為37°，縱向跨度為22 m，支架寬為2.17 m，高為1.70 m，檁條材質選用Q235鋼材，表面處理方式為熱浸鍍鋅。結構分析及節點校核需考慮恒載、風荷載、雪荷載及地震作用，并采用SAP2000V17鋼結構分析軟件進行計算分析。

表2 結構設計參數

2.2.1 荷載工況

1)結構自重。結構自重由軟件自動計算。

2)恒載?？紤]組件自重后恒載取值為0.15 kN/m2。

3)雪荷載。組件水平投影面上的雪荷載標準值可由式(1)計算：

式中，Sk為雪荷載標準值；μr為積雪分布系數，對于傾角為37°的光伏組件，經線性插值后，μr取0.64；S0為基本雪壓，根據GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[5]附錄中的公式E.3.4，此處取0.14。

代入數值，可得Sk=0.09 kN/m2。

4)風荷載。風荷載可由式(2)求得：

式中，wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度z處的風振系數，此處取1.0；μs為風荷載體形系數，根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[6]，正風風荷載體形系數μs+=1.3，逆風μs-=-1.3；μz為風壓高度變化系數，場地為B類地貌，結構最高點距地面高度小于10 m，風壓高度變化系數取1.0；w0為基本風壓，kN/m2。

按照規范GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[6]第6.8.7條的要求，風荷載取25年一遇的基本風壓，現以蘭州地區為例，則基本風壓w0可表示為：

式中，w10、w100分別為10年、100年重現期的風壓。

由于風荷載體形系數μs的取值不同，所以，風荷載標準值wk可分別為：wk+=1.0×1.3×1.0×0.26=0.34 kN/m2；wk-=1.0×(-1.3) ×1.0×0.26=-0.34 kN/m2。

2.2.2 SAP2000建模分析

1)荷載工況組合。根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[6]第6.8條規定，荷載組合需考慮以下10種情況，具體如表3所示。

表3 荷載工況組合

2)結構設計校核。完成荷載工況定義及組合后，按照GB 50017-2003《鋼結構設計規范》[7]進行結構設計校核分析。

光伏支架計算模型如圖8所示。

圖8 計算模型

最大工況荷載組合下的結構彎矩圖、軸力圖和變形圖分別如圖9～圖11所示。

通過分析圖9～圖11，根據設計校核結果可知，構件撓度滿足規范要求，在最大荷載工況組合作用下，支架后立柱和斜撐內力較大。為確定結構承載力是否滿足要求，結合圖12的結構應力比簡圖，來分析結構承載力。

圖9 最大工況荷載組合下的結構彎矩圖

圖10 最大工況荷載組合下的軸力圖

圖11 結構變形簡圖

圖12 最大荷載工況組合下結構應力比簡圖

由圖12可以看出，在最大荷載工況組合下，檁條等主要受力構件的應力比＜1，這表明長圓孔式橫梁-檁條光伏支架結構的承載力滿足要求，可以適用于濕陷性黃土等基礎易發生不均勻沉降的地區。

4 結論

本文通過對濕陷性黃土地區光伏支架應用過程中存在的一些問題進行分析，得出以下結論：

1)在濕陷性黃土地區，光伏支架基礎不均勻沉降導致上部結構變形過大以至于被破壞，從而影響結構正常使用；對于濕陷性黃土地區的地基進行處理，工程造價高，而通過優化光伏支架上部結構形式的方式解決黃土濕陷性的問題更具經濟性。

2)針對濕陷性黃土地區，本文通過豎向可調裝置改變光伏支架高度，并通過光伏支架檁條繞銷栓轉動和滑動改變檁條與橫梁的轉角和距離的方式來改進光伏支架的形式，有效解決了基礎沉降不均勻引起上部結構破壞的問題，具有結構巧妙，穩定，安裝拆卸方便快捷，成本低，實用性強的特點。

3)經過計算分析，長圓孔式橫梁-檁條光伏支架承載力滿足要求。在濕陷性黃土地區，該光伏支架結構相比其他的光伏支架結構更具經濟性，且避免了處理較厚的黃土土層，自動化水平更高。