凍土地區光伏支架基礎的設計方案研究

中國三峽新能源公司東北分公司 ■ 胡德芳 高俊松

0 引言

近年來，我國光伏項目規模化開發迅速，在東北等凍土地區規劃建設的光伏項目越來越多。但在凍土地質條件下，光伏支架基礎易發生不均勻凍脹抬升，進而導致光伏支架扭曲變形，破壞組件，影響系統的正常發電。類似問題已在部分建成的光伏項目中出現，因此在設計及施工階段解決凍土地質條件下光伏支架基礎的不均勻凍脹抬升問題尤為重要。本文在分析光伏支架基礎不均勻凍脹抬升機理的基礎上，結合東北地區某光伏項目中光伏支架基礎的防凍脹設計方案，著重研究了既經濟又安全的防止光伏支架基礎不均勻凍脹抬升的設計方案，并提出了適合在凍土地區使用的支架基礎類型。

1 適用于凍土地區的光伏支架基礎分析

光伏支架基礎的作用是為了支撐與其連接的光伏支架及光伏組件，光伏組件通過螺栓或壓塊與光伏支架連接。目前較為普遍的光伏支架基礎主要有：混凝土獨立基礎、混凝土條形基礎、螺旋鋼管樁基礎、混凝土樁基礎、預應力混凝土管樁(PHC)基礎、微孔灌注樁基礎[1]。

凍土地區一般具有以下氣候和地質特性：1)冬季氣溫較低，一般最低溫度在-20 ℃以下；2)土質為強凍脹土或特強凍脹土，如黏土、粉質黏土等；3)地下水較豐富且水位較高。

在地下水豐富且水位較高的條件下，對于需要現澆筑混凝土的混凝土獨立基礎、混凝土樁基礎、微孔灌注樁基礎而言，施工難度較大，且凍土地區的冬季氣溫極低，混凝土澆筑及養護質量難以保證。而混凝土條形基礎更適合場地平整、地下水位較低的地區(如荒漠)，在凍土地區，該類基礎易出現不均勻抬升、傾斜的情況。螺旋鋼管樁基礎的造價較高，并且也不適用于強腐蝕環境及流動性淤泥土質。

綜上分析，在凍土地質條件下，考慮到經濟性及施工便利性，在采取必要的減小樁長來防凍脹的前提下，PHC基礎是較為合適的光伏支架基礎[2]。下文以東北地區某光伏項目為例，分析凍土地質條件下PHC基礎的受力，以及防止其不均勻凍脹抬升的措施。

2 凍土地質條件下PHC基礎的受力分析

在凍脹力作用下，PHC基礎在樁長方向主要承受永久荷載(PHC上部支架重量、組件重量及PHC自重等)、凍土對PHC的切向凍脹力、凍土層以下土體對PHC的錨固力。從受力分析來看，在強凍脹土或特強凍脹土地區，當最大凍深較深時，完全依靠PHC錨固來避免不均勻凍脹抬升是不經濟的。

根據地勘報告，東北地區某光伏項目所在地的標準凍深為2.0 m，在標準凍深范圍內，土層從上往下依次為表層耕土、黏土、粉質黏土，這些土層均為強凍脹土或特強凍脹土；項目所在地的地下水位為-1.0～-0.5 m。項目初步選擇樁徑為300 mm的PHC作為光伏支架基礎。

在冬季條件下，為抵抗凍脹上拔力，根據JGJ 118-2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》[3]對樁基礎進行穩定性驗算：

式中，τdk,i為第i層土中單位切向凍脹力的標準值，kPa；可在樁身側面埋設應力計實測得到，也可參照規范附錄C中表C.1.1的規定取值；在同一凍脹土類別中，含水率高者取大值；本項目是按照規范的規定取值。Aτ,i為與第i層土凍結在一起的樁的表面積，m2；Gk為作用在樁基礎上永久荷載的標準值，kN，包括樁基礎自重、上部組件重量、支架重量等，若樁基礎在地下水中，則取浮重度；Rta為樁基礎深入凍脹土層之后地基所產生的錨固力特征值，kN。

對于本項目中的季節性凍土地基而言，PHC基礎側面與凍土之間的Rta其實為摩阻力，可參照JGJ 118-2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》[3]中的C.1.1-2進行計算，即：

式中，qsa,i為第i層內的土與樁側表面的摩阻力特征值，kPa，按照樁基受壓狀態進行取值，在缺少試驗資料時可按JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》[4]的規定確定；Aq,i為第i層土內樁的側表面積，m2。

本項目按照上述公式進行計算，光伏支架PHC基礎在地表以下的埋深至少需要7 m，這對于一個光伏項目而言，成本非常高。而在非凍土季節，滿足控制荷載(風荷載)作用時，PHC基礎在地表以下的埋深只需要2 m。不是通過PHC基礎伸入凍脹土層之下來增大錨固力，而是采取減小凍土對樁的切向凍脹力這一措施，如此可大幅縮減樁長[5]。

3 防止PHC基礎不均勻凍脹抬升的措施

3.1 防止PHC基礎不均勻凍脹抬升的主要措施

減小切向凍脹力對樁體的作用是防止PHC基礎因凍脹而抬升的關鍵?？稍谠O計凍深范圍內，采取措施避免PHC基礎與特強凍土直接接觸，以減小凍土對樁的切向凍脹力。本項目經過實踐發現，在凍土層的樁周回填弱凍脹性的中粗砂作為隔離層，可減小樁周土對樁體的切向凍脹力。

經過進一步計算發現，本項目地表以下2.0 m范圍的樁周土采取先引孔后回填弱凍脹性中粗砂的措施后，所需樁長最短，地表以下樁長埋深3 m即可滿足設計要求。具體施工方法為：先用鉆機引孔，鉆頭比樁徑大10～20 cm，引孔完成后再用靜壓錘將已涂刷瀝青的PHC沉至設計標高。為避免塌孔，沉樁完成后需立即在樁周范圍回填中粗砂至密實狀態，密壓實系數不小于0.94，必要時可插入振搗棒振動密實。

3.2 其他解決PHC基礎不均勻凍脹抬升的措施

采取引孔回填中粗砂及涂刷瀝青的防凍脹措施基本能解決PHC基礎大范圍不均勻凍脹抬升的問題。但對于一些地質變化較大的區域，一些PHC仍可能出現小量的不均勻凍脹抬升現象，進而導致支架和組件變形。對于該類問題，可采取減小每組支架的PHC基礎數量和采用可調節高度的支架的措施來解決。

1)減小每組支架的PHC基礎數量，從而降低PHC基礎不均勻凍脹抬升發生的概率。在每組串為20塊組件的情況下，采用4根PHC作為基礎較為經濟，且發生不均勻凍脹抬升的概率也較低。也可以采用2組獨立支架及基礎支撐組串，即每10塊組件由2根PHC基礎支撐，這樣可進一步降低每根PHC基礎不均勻凍脹抬升的概率。但該方案會增加一定的支架工程量，且該增量大小需視具體情況復核確定。

2)采用可調節高度的支架，即支架設計為與樁抱箍固定的形式。在個別樁發生凍脹時，可通過調節抱箍式支架的高度來調平支架及組件，避免支架和組件的變形破壞。

圖1 防不均勻凍脹抬升的PHC基礎及抱箍式支架設計圖(單位：mm)

4 結論

通過對凍土地區的光伏支架基礎設計進行分析發現，采取對凍深范圍內的樁周土回填中粗砂的方式能夠減小凍土對PHC基礎的切向凍脹力，從而大幅減小PHC的設計長度，節約工程造價。此外，通過控制每組支架的PHC基礎數量及采用抱箍式可調節高度的支架，能進一步解決部分PHC基礎出現不均勻凍脹抬升從而對組件造成破壞的問題。

本文中計算回填后中粗砂對樁體的切向凍脹力參考了JGJ 118-2011《凍土地區建筑地基基礎設計規范》附錄表C.1.1[3]切向凍脹力標準值中的弱凍脹土取值，由于光伏組件與建筑地基基礎存在一些差異，中粗砂對樁周土的切向凍脹力的實際大小需根據項目的實際情況，通過試驗確定更為準確。通過項目初步試驗，回填中粗砂對樁的切向凍脹力與引孔回填的孔徑大小、中粗砂本身凍脹特性、密實度、含水量及樁身側表面粗糙程度等有關。

對于光伏支架基礎而言，在保證大幅消減凍脹力的前提下，還要使方案具有經濟性，并便于施工。因此，對于減小樁身切向凍脹力時選擇的回填材料仍可進一步分析研究。試驗表明，在樁周涂刷1～2 cm的瀝青的材料也可較好地消減切向凍脹力，具體涂刷瀝青厚度應根據不同工程地質條件及環境溫度來確定。