山地光伏電站支架基礎類型分析及選型探討

南方電網綜合能源有限公司 ■ 羅民 翁軍華 鄭海興 龍慧 李達

0 引言

廣東省是能源電力消費大省，2017年廣東省使用的化石能源所發電量占其全部所用電量的比例約為56.5%。但由于化石能源在發電過程中會產生有害氣體，對人的身體健康會造成較大危害，同時，隨著人民生活水平的提高，對生活環境的要求也在提高，因此，對綠色清潔能源的呼聲越來越高。根據《廣東省能源發展“十三五”規劃》，廣東省將進一步優化能源結構，逐步降低化石能源電量的占比，大力發展太陽能、風能、抽水蓄能、核能和天然氣等綠色清潔能源，提高綠色清潔能源電量的占比。

光伏發電提供的是一種綠色清潔能源，并且可以解決日趨嚴重的能源需求問題。在光伏電站中，支架基礎是重要的組成部分，且數量非常大，因此，支架基礎類型直接關系到支架系統的結構安全、現場的施工進度和整個光伏發電項目的造價成本等。本文針對山地光伏電站的支架基礎類型進行了分析，以期可以為山地光伏電站的設計及建設提供借鑒。

1 山地光伏電站支架基礎類型分析

目前山地光伏電站支架基礎類型較多，主要有螺旋鋼管樁基礎、混凝土獨立基礎、微孔灌注樁基礎和預應力管樁基礎[1-3]等，下文將對各種基礎類型逐一進行分析。

1.1 螺旋鋼管樁基礎

螺旋鋼管樁基礎是一種較常使用的山地光伏電站支架基礎，如圖1所示，其主體結構為1根鋼管，地面以下部分的鋼管周邊焊接有螺紋狀的葉片。螺旋鋼管樁基礎的受力特點是利用其葉片上覆土重、土自身的剪切力及其與土的摩擦力抵抗支架的上拔力，利用樁側土的嵌固作用抵抗水平力。

圖1 螺旋鋼管樁基礎

此種基礎的施工方便，通過專門的打孔機械將孔打好，然后將螺旋鋼管樁插入孔中即可。上部支架與基礎采用插入式連接，在上、下鋼管連接部位采用密封膠圈密封。

螺旋鋼管樁基礎的結構和受力特點決定了其主要適用于高密度粉土和粉質黏土等表層土，周圍環境為較干燥和微腐蝕區域。

1.2 混凝土獨立基礎

混凝土獨立基礎的結構較為簡單，主要由混凝土、鋼筋和地腳螺栓組成，如圖2所示。由于支架自重較輕，對基礎的抗沖切力和抗剪切力較小，支架基礎主要受支架的上拔力控制，利用自身和覆土的自重抵抗支架的上拔力。

此類基礎施工時開挖面積較大，需要綁扎鋼筋和支模，后期還需要較長時間的養護和拆模，施工速度較慢。

混凝土獨立基礎主要適用于地質承載力較高的土層或巖石區域，同時要求基礎持力層埋深較淺，基礎開挖深度不宜過大。

圖2 混凝土獨立基礎

1.3 微孔灌注樁基礎

微孔灌注樁基礎具有較好的承壓和抗拔承載力，被廣泛應用于光伏發電項目中。其結構如圖3所示，樁身為圓柱體，樁直徑為100～300 mm，主要由細石混凝土、鋼筋和地腳螺栓組成。基礎澆筑完成后，混凝土、鋼筋和地腳螺栓形成一個受力整體，立柱的拉力、壓力和剪力通過地腳螺栓傳遞給基礎，基礎中的樁身和縱筋承受抗壓和抗拔承載力，螺旋箍筋承受抗剪承載力。

此類基礎施工時通過專門的打孔機鉆孔，然后將鋼筋籠放入孔中。鋼筋籠可提前預制好，混凝土可采用商品混凝土或現場攪拌，施工方便。

微孔灌注樁基礎主要適用的地質條件為粘性土、粉土、季節性凍土、膨脹土、密實砂土、松散至中密碎石土、強風化巖等，適用范圍較廣。

圖3 微孔灌注樁基礎

1.4 預應力管樁基礎

預應力管樁基礎為預制成品，如圖4所示，樁徑一般為300～400 mm，樁長為3～9 m。樁身采用高強混凝土預制而成，樁內配置鋼筋。該類基礎一般采用先張法工藝。

預應力管樁基礎主要用于地表土層為填土、軟土和粘性土的區域，若應用于地表為砂土或強風化巖區域時，則需要先進行機械引孔。

圖4 預應力管樁基礎

2 某山地光伏電站的支架基礎類型選擇分析

2.1 項目概況

某山地光伏電站項目位于廣東省梅州市五華縣境內，海拔高度約為140 m。五華縣位于粵東丘陵地帶，北回歸線橫跨縣境南端，屬中低緯度南亞熱帶季風性濕潤氣候；日照充足，年均日照時數為1996.6 h，太陽總輻射平均值為1405 kWh/m2，太陽能資源較豐富，屬于Ⅲ類太陽能資源地區。項目所在地為丘陵地帶，山勢平緩，地形坡度基本在5°～20°之間，具體情況如圖5所示。

本項目總裝機容量為30 MWp，每個組串布置24塊組件，組件陣列排布采用依山就勢、順坡布置的方式，同時嚴格控制光伏組件的傾角和方位角，以保證光伏發電系統發電效率最大化。光伏支架采用熱鍍鋅防腐[4]，支架布置如圖6所示。

圖6 支架布置圖

2.2 主要技術參數

1)50年基本風壓荷載標準值為0.3 kN/m2，地面粗糙度為B類。

2)場地的地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為6度，設計地震分組為第一組，場地土類型為Ⅱ類[5]。

3)地面以上結構的環境類別為一類，地面以下結構的環境類別為二類a。

2.3 支架基礎的選擇及分析

根據地勘報告和現場踏勘情況可知，光伏場區地表有一層20 cm的土層，土層下為強風化巖，人工開挖難度較大，必須采用機械開挖。由于項目位于南方區域，地表較潮濕，且光伏支架需要使用25年，若采用螺旋鋼管樁，支架基礎易被腐蝕，再加上上、下支架連接處需采用橡膠圈密封，而橡膠圈無法保證可使用25年，且其后續不易更換，因此，該項目不采用此種基礎類型。若采用混凝土獨立基礎，則需要較多混凝土，但由于現場為山地，場地不平整，不利于混凝土的現場運輸，且混凝土基礎的養護周期較長，因此，該項目也不建議采用混凝土獨立基礎。若采用預應力管樁基礎，在該場地必須進行機械引孔，而引孔成本較大，且預應力管樁材料和施工費均較貴，因此綜合考慮后認為，該基礎類型不經濟。

綜上分析，結合本項目的現場實際情況、各種基礎類型適用條件及綜合成本造價，本項目采用微孔灌注樁基礎。地下部分樁長為1.5 m，孔徑為150 mm，地上部分樁長為0.3 m，樁徑為300 mm，樁內配置3根φ12的鋼筋及 相應的箍筋，樁頂預埋U形螺桿。

經核算，單樁豎向抗拔承載力特征值為15 kN，光伏支架立柱拉拔力最大值為9.5 kN，單樁的抗拔承載力滿足設計要求。

3 結論

當前光伏電站所在地的地質條件多樣，針對各種地質條件，支架基礎的選擇亦不同。本文對山地光伏電站4種常用支架基礎進行了分析，并針對某山地光伏電站進行綜合考慮分析，選擇出其適用的支架基礎，對于類似山地光伏電站的支架基礎類型選擇可提供一定的參考和借鑒。