季節性凍土地區光伏支架基礎設計分析

摘要：就目前來說，光伏設計作為現階段應用最廣泛的科學化技術之一，其不僅可以將太陽能進行數據處理并轉化為電能，并且其還在一定程度上節約了我國現有的資源，使其太陽能資源的功能發揮到了極致。與此同時，在發展光伏發電的同時，太陽能光伏支架也在我國眾多領域中發揮著重要的作用，其主要是為了擺放安裝太陽能面板設計的特殊支架。而我國季節性凍土地區由于其自身光照相對充足，因此太陽能資源相對豐富，從而有利于光伏支架的擺放、安裝與設計。

關鍵詞：季節性凍土地區;光伏支架;基礎設計

一、引言

就目前來說，我國季節性凍土地區的光照相對充足，因而在該地發展光伏支架設計是符合自然與資源相關要求的。因此，基于該特點，我國很多光伏發電工程區都對光伏支架進行了基礎性的設計與改造。具體來說，由于該地區太陽能光伏支架的基礎設計主要有預制樁，鉆孔灌注以及獨立設計、鋼螺旋基礎等。因此，具體的設計方法應是也該地區的基本特點與現狀為參考，從而找到更適合該地設計的方案之一。與此同時，對于已建成的光伏設計，應以現在的實際情況對其進行改造并針對已經對地表產生破壞等的支架類型進行再次改造，以此來解決現有的支架問題，從而在控制成本，節約設計支出的同時，對季節性凍土地區進行全方位的光伏支架基礎設計。

二、適用于季節性凍土地區的光伏支架基礎分析

對于在季節性凍土地區進行光伏支架的基礎設計與建造，其基礎作用是為了支撐與連接光伏支架及組件，從而通過螺栓或壓塊來實現光伏支架與組件之間的有效連接。就目前來說，其最主要的光伏支架基礎形式，主要可以涵蓋為：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）基礎以及微孔灌注樁基礎。在選擇光伏支架時，要以該地區的實際特點與現狀為依據，并結合季節性凍土地區的氣候與地質特點進行合理化的選擇。

對于季節性凍土地區來說，其主要有以下氣候與地質特點。首先，該地區的冬季氣溫較低且常年最低溫度都在 -20℃ 。其次，該地區的土土質主要為黏土、粉質黏土等強凍脹土或特強凍脹土。最后，由于該地區的地下水位較高，且地下水含量較多。因此，在地下水較多且水位較高的同時，對于要實行澆筑混凝土的光伏支架建造難度較大，加之該地區的冬季氣溫常年在-20℃，因此混凝土的澆筑質量令人擔憂。為此，結合各個光伏支架的形式與特點，選擇最合適且性價比最高的光伏支架，是現階段發展該地區光伏產業的首要任務。相較于幾種光伏支架的基礎形式，不難看出，混凝土條帶基礎更適合于場地平坦、地下水位低的地區（如沙漠）。在凍土地區，該基礎容易出現不均勻隆起和傾斜。螺旋鋼管樁基礎造價高，不適用于強腐蝕環境和液體淤泥土。綜上所述，在凍土地質條件下，考慮到經濟和施工方便，在必要減小樁長以防止凍脹的前提下，PHC地基是較為合適的光伏支護基礎。

三、有關季節性凍土地區的光伏支架基礎設計方案

季節性凍土區太陽能光伏支撐基礎為薄壁開敞式鋼樁，結構對稱，截面呈“若干”型。鋼樁截面由上至下依次分為上水平段、豎向段、彎曲段和下水平段，彎曲段和下水平段向外延伸。鋼樁由靜態樁壓機垂直壓入地層，通過季節凍結區活動層固定到融化土層，相鄰的鋼樁采用槽鋼將各臺段連接為一個整體。具體來說，首先，必須保證鋼樁是鋼板或帶鋼在冷態彎曲形成的。鋼樁截面上水平段寬度50～100毫米，下水平段寬度30～60毫米，下彎曲段彎角100～110°。其次，鋼樁壁厚3～5毫米，長度1.5～6米，高度90～110毫米，鋼樁相鄰間距2.5～3米的厚度。最后，鋼樁季節凍結區活動層H2厚度為現場最大凍結深度，融化段長度為現場最大凍結深度的1～1.5倍。表面段長度H1為300～500毫米。最后對鋼樁整體表面進行防腐處理，對季節性凍結區活動層表面進行拋光處理，對融化土層表面進行噴砂處理。

四、凍土地質條件下PHC基礎的受力分析與解決對策

（一）受力分析

基于該地區的凍脹力作用與影響，樁長方向的PHC基礎主要承擔永久荷載（上部支座自重、構件自重、PHC自重等）、凍土切向凍脹力、凍土下土體對PHC的錨固力。從受力分析來看，在凍脹性強或特強地區，最大凍脹深度較深時，依靠PHC錨固來避免不均勻凍脹是不經濟的。

（二）防止PHC基礎不均勻凍脹抬升的措施

1.防止PHC基礎不均勻凍脹抬升的主要措施

減少樁上的切向脹形力對于防止PHC基的脹形至關重要。可采取措施，在設計凍結深度范圍內，防止ph值基礎與非常強的永久凍土直接接觸，以減少永久凍土相對于樁的切向脹形力。在實踐中，人們發現，在永久凍土層中，將樁周圍的隆起的冰砂作為絕緣層進行充填，可以降低膨脹力。

2.其他解決PHC基礎不均勻凍脹抬升的措施

采用底漆孔回填粗砂和瀝青涂覆的防凍脹措施，可基本解決PHC地基隆起不均勻的問題。但在一些地質變化較大的地區，PHC仍有少量不均勻的凍脹和隆起，這將導致支架和構件的變形。這種問題可以通過減少每組支架的PHC底座數量和使用可調高度的支架來解決。

五、結語

總而言之，對于季節性凍土地區的光伏支架基礎設計，是符合于現階段自然與我國能源資源相對匱乏現狀的重要舉措之一，其更好地利用了當地的氣候、地質特點，選擇了最合適的光伏支架形式，并對其進行了合理化的設計與布局，旨在從根本上促進該地區光伏發電產業的持續化、良性發展。

參考文獻：

[1]劉樹民.太陽能光伏發電系統的設計與施工[M].北京：科學出版社，2017（8）：112-115.

[2]劉鴻文.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2017（10）：336-337.

作者簡介： 許金亞，南京中核能源工程有限公司。