光伏支架基礎形式介紹及基礎設計的探討

張海鋒，馬 娜

(1.中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，西安 710054；2.西安理工大學，西安 710048)

0 引言

近10 年間，中國光伏發電裝機容量迅速擴張，規模效應顯著；再加上“領跑者”等項目的帶動和促進，光伏發電技術的發展迅速。雖然目前光伏發電的成本仍高于傳統火電，但其在經濟效益上處于弱勢地位的局面將逐步得到改變。

2019 年第1 批光伏發電平價上網項目已進入實施階段，2020 年將繼續促進光伏發電平價上網項目的發展。而若要實現光伏發電平價上網，對光伏電站進行更精細化的設計至關重要。光伏電站中光伏支架基礎的數量龐大，是光伏電站必不可少的組成部分，其占光伏電站直接投資的比例約為10%；與此同時，支架基礎的形式及其幾何參數的選擇不僅與支架結構的安全密切相關，也關系到施工的進度和光伏電站的投資效益。因此，對光伏支架基礎的布置方式、基礎形式及基礎設計進行分析研究尤為必要。本文依據大量設計經驗，對光伏支架基礎的布置方式和形式進行了介紹，并對各種類型光伏支架基礎的設計進行了探討，以期為光伏電站支架基礎的合理選型和優化設計提供參考。

1 光伏支架基礎的布置方式

光伏支架的形式不同，支架基礎的布置方式亦不同。1)當光伏組件以固定傾角安裝時，根據組件的距地高度不同，選用的支架形式也不同。當組件距地高度較低時，支架一般采用雙立柱形式，相應地支架基礎采用前后雙排的布置方式；而在農光互補或漁光互補項目中，由于組件距地高度較高，因此支架一般采用單立柱形式，相應的支架基礎則采用單排的布置方式。2)固定可調支架一般采用單立柱形式，相應的支架基礎亦采用單排的布置方式。3)單軸跟蹤光伏支架一般采用單立柱形式，支架基礎采用單列的布置方式。4)雙軸跟蹤光伏支架一般采用獨立的單柱形式，對應的支架基礎采用獨立基礎單個布置的方式。

除上述根據光伏支架形式選擇支架基礎的布置方式是雙排、單排、單列或單個布置以外，支架基礎的布置方式還應根據光伏電站場址的地基情況進行選擇，對于地質條件較差、存在顯著不均勻沉降的地基，宜優先選擇單排基礎布置方式。

2 光伏支架基礎的受力特點

由于光伏支架支撐的光伏組件較輕，組件恒荷載一般約為0.12 kN/m2，且支架本身通常采用冷彎薄壁型鋼，自重較小，一般約為0.10 kN/m2，而支架所受風荷載一般都超過0.3 kN/m2，因此，光伏支架基礎設計時的控制荷載一般為風荷載[1]。

風荷載存在風壓和風吸2 種不同的工況，由于工況不同，支架基礎的受力形式也不相同。在風壓作用下，豎向壓力和水平推力是支架基礎的主要受力形式；而在風吸作用下，上拔力和水平推力是支架基礎的主要受力形式。

3 光伏支架基礎形式及基礎設計

光伏支架基礎形式主要包括混凝土獨立基礎、混凝土條形基礎、加拉梁的混凝土條形基礎、預應力管樁基礎、型鋼樁基礎、螺旋樁基礎、混凝土灌注樁基礎、機械成孔鋼管地錨基礎，以及錨桿基礎等，下文將分別進行介紹與分析。

3.1 混凝土獨立基礎

3.1.1 基礎特點及適用范圍

混凝土獨立基礎由底部擴大基礎及其上一定長度的短柱組成。該類基礎的優點是形式簡單、技術成熟；缺點是施工時的工程量大，對生態環境的破壞較大。

混凝土獨立基礎適用于除中等風化～未風化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件[2]。

3.1.2 基礎設計

支架向下傳導的力有水平力、豎向力和彎矩。對于混凝土獨立基礎而言，一般需要考慮豎向抗壓承載力、豎向抗拔承載力和抗傾覆穩定性。對于豎向抗壓承載力，由于光伏組件及支架自身的重量小，因此基礎的豎向抗壓承載力一般均能滿足要求。

支架基礎采用單排和雙排布置方式時均可采用混凝土獨立基礎，但布置方式不同，基礎設計時的計算重點也會有所區別。采用單排布置方式時，應對混凝土獨立基礎進行抗傾覆穩定性計算，確定基礎的幾何參數后再驗算其豎向抗壓承載力。

對于采用雙排布置方式的混凝土獨立基礎，在風吸作用下，通常后排混凝土獨立基礎所受的拉力較大，應對其進行豎向抗拔承載力計算，根據計算結果來確定基礎的幾何參數，之后再進行抗壓和水平承載力驗算。

3.2 混凝土條形基礎

3.2.1 基礎特點及適用范圍

混凝土條形基礎有2 種布置形式，一種是沿支架長度方向布置，一種是沿支架前后方向布置[2]。此種基礎的優點是形式簡單、施工方便，可在一定程度上調節不均勻沉降；缺點是施工時的工程量大。

混凝土長形基礎適用于除中等風化～未風化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.2.2 基礎設計

對于混凝土條形基礎而言，其埋置深度一般較淺。但當埋置深度小于0.5 m 時，需考慮基礎的滑移問題，因此應進行混凝土條形基礎的抗滑移穩定性驗算。

對于沿支架長度方向布置的混凝土條形基礎而言，由于支架后柱在風吸作用下所受拉力較大，因此應對混凝土條形基礎進行抗拔承載力計算，根據計算結果確定基礎的幾何參數，然后再進行其豎向抗壓承載力驗算。

對于沿支架前后方向布置的混凝土條形基礎而言，在支架前后方向的水平力和彎矩作用下，通常混凝土條形基礎的抗傾覆穩定性計算結果決定了基礎的幾何參數。

3.3 加拉梁的混凝土條形基礎

3.3.1 基礎特點及適用范圍

為了調節混凝土條形基礎的不均勻沉降，在與混凝土條形基礎垂直的方向上增加拉梁，形成一個條形聯合基礎，即為加拉梁的混凝土條形基礎。此類基礎的優點是整體性好，能調節基礎的不均勻沉降[3]；缺點是施工時的工程量較大。

此類基礎適用于除中等風化～未風化巖石和流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.3.2 基礎設計

加拉梁的混凝土條形基礎設計時的計算方式可在考慮拉梁影響的前提下，參照混凝土條形基礎設計時的計算方式。

3.4 預應力管樁基礎

3.4.1 基礎特點及適用范圍

預應力管樁基礎一般由預應力管樁樁身、鋼套箍、不同形式的預應力管樁樁頭組成，但此類基礎與光伏支架結合時，一般采用無樁頭的預應力管樁。此類基礎的優點是相較于混凝土灌注樁，其抗裂彎矩與極限彎矩值較高，有利于防止基礎被腐蝕，同時基礎施工效率高；缺點是對于地基較硬的場址，入樁困難。

預應力管樁基礎適用的巖土條件為：殘積土、全風化巖石、松散～稍密的砂土、粉土及黏土。3.4.2 基礎設計

在農光互補、漁光互補等光伏項目中，光伏支架基礎形式一般采用預應力管樁基礎，同時為了減少基礎數量，一般采用單排基礎布置方式。在各種荷載作用下，此類基礎的管樁頂部會受到豎向拉力(或壓力)、水平力和彎矩等作用。

在光伏組件安裝傾角較小時，管樁頂部所受豎向拉力較大，因此需首先計算基礎的豎向抗拔承載力，確定基礎的幾何參數，然后再驗算基礎的水平承載力和抗傾覆穩定性。

在光伏組件安裝傾角較大時，管樁頂部所受水平力和彎矩較大，此時在這2 種力作用下的抗傾覆穩定性起到了控制作用。在基礎設計時，一般先計算基礎的抗傾覆穩定性，然后確定基礎的幾何參數，最后驗算基礎的水平承載力和豎向抗拔承載力。

3.5 型鋼樁基礎

3.5.1 基礎特點及適用范圍

在人工成本較高的國際光伏項目中，平單軸跟蹤光伏支架常采用型鋼樁基礎，基礎與支架立柱結合成一體。此類基礎的優點是施工速度快；缺點是型鋼樁的截面一般較小，因此其承載力相應較小，而且對于腐蝕環境而言，型鋼樁的防腐能力較差。

型鋼樁基礎適用于殘積土、全風化巖土、圓礫碎石土、角礫碎石土、砂土、粉土及可塑～堅硬黏土等巖土條件。

3.5.2 基礎設計

由于型鋼樁基礎多與平單軸跟蹤光伏支架結合，且常采用單列基礎布置方式，因此其基礎設計時的計算方式可參照預應力管樁基礎設計時的計算方式。

3.6 螺旋樁基礎

3.6.1 基礎特點及適用范圍

螺旋樁基礎的鋼樁桿上連接1 個或多個螺旋狀葉片，并通過在樁基頂部施加扭矩，將樁基旋擰鉆入土中，形成一種可承受豎向和水平向荷載的基礎。

此類基礎的優點是可在工廠內加工制作，質量易控制；基礎施工完成后可立即進行光伏支架的安裝，減少整體的施工周期；當光伏電站達到設計年限后，鋼樁可回收利用，同時場址內的基礎可徹底清理干凈，易于恢復植被。缺點是施工時土中硬質顆?？赡茉斐苫A防腐層的破壞。

螺旋樁基礎適用的巖土條件為殘積土、全風化巖土、卵石碎石土、碎石碎石土、圓礫碎石土、角礫碎石土、砂土、粉土、流塑～軟塑黏土及可塑～堅硬黏土。

3.6.2 基礎設計

螺旋樁基礎可承受豎向力和水平力。在對其豎向承載力特征值進行估算時，樁身周長根據樁身在土中位置的不同，可采用0、πD(D 為螺旋樁葉片直徑)或πd(d 為樁身直徑)；對螺旋樁基礎水平承載力特征值進行估算時直徑取d。

螺旋樁基礎常采用雙排基礎布置方式，其所受荷載主要為上拔荷載和水平荷載[4]，因此對此類基礎進行設計時的計算時，一般根據風吸工況下螺旋樁基礎的抗拔力來確定基礎中鋼管樁的幾何參數，然后驗算基礎的水平承載力和抗壓承載力。

3.7 混凝土灌注樁基礎

3.7.1 基礎特點及適用范圍

混凝土灌注樁基礎為目前光伏支架基礎的首選基礎形式。此類基礎的優點是工程量小、承載力較強。缺點是施工工序較為繁瑣，控制施工質量的工作量大；當混凝土灌注樁外露高度較高時，露出地面的混凝土灌注樁常采用波紋管做模板，但波紋管剛度一般不夠，因此外露部分的混凝土灌注樁質量無法得到保證，存在安全隱患。

混凝土灌注樁基礎適用的巖土條件為除流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.7.2 基礎設計

雙排、單排及單列基礎布置方式中均可采用混凝土灌注樁基礎。

采用雙排基礎布置方式時，此類基礎所受的主要荷載通常為水平荷載和上拔力。在進行基礎的設計計算時，可根據上拔力的大小來確定抗拔力的大小，然后根據抗拔力的大小來確定混凝土灌注樁基礎的幾何參數，然后再驗算基礎是否滿足水平荷載和豎向承載力。

采用單排或單列布置方式時，此類基礎所受的主要荷載通常為水平荷載和樁頂彎矩。在進行基礎的設計計算時，可根據基礎的抗傾覆穩定性計算來確定基礎的幾何參數，然后再驗算基礎是否滿足水平承載力和豎向受壓承載力。

3.8 機械成孔鋼管地錨基礎

3.8.1 基礎特點及適用范圍

機械成孔鋼管地錨基礎由鍍鋅鋼管、焊接于鋼管上的鋼筋及樁身混凝土組成。此類基礎的優點是鍍鋅鋼管的直徑較小，可以解決某些山地光伏電站不易采用機械成孔方式的問題；同時，基礎的鍍鋅鋼管和支架的鋼管立柱采用插接方式，可以通過插入的不同長度來調節立柱的高度，從而保證同一個支架單元上的光伏組件處于同一個平面內，減少支架和組件安裝的難度。此類基礎的缺點是鍍鋅鋼管直徑小、基礎承載力較小，不適用于需要基礎提供較大承載力的情況。

此類基礎適用的巖土條件為除流塑～軟塑黏土之外的其他所有巖土條件。

3.8.2 基礎設計

機械成孔鋼管地錨基礎常用于雙排基礎布置方式，其所承受的荷載一般為水平荷載和上拔力。進行基礎設計計算時，可根據基礎所受上拔力的大小來確定需要的抗拔力大小，再根據抗拔力的大小來確定機械成孔鋼管地錨基礎的幾何參數，然后驗算基礎是否滿足水平荷載的要求。

3.9 錨桿基礎

3.9.1 基礎特點及適用范圍

錨桿基礎是由設置于巖土中的錨桿和與錨桿相連的混凝土承臺或型鋼承壓板共同組成的一種基礎形式。

錨桿基礎的優點是可充分利用巖石堅固耐久和鋼筋抗拉強度高的特性，在施工難度較大的山區采用此類基礎可縮短光伏電站的建設周期、節省材料、保護環境；缺點是基礎澆筑后需要達到一定強度后，才能進行上部支架的安裝。

錨桿基礎適用的巖土條件為中等風化～未風化巖石。

3.9.2 基礎設計

錨桿基礎一般承受豎向拉力、豎向壓力、水平力和彎矩等，豎向壓力和水平力由錨桿基礎混凝土承臺或型鋼承壓板傳遞給巖石，豎向拉力和彎矩一般由錨桿抗拉承受。

對于雙排基礎的布置方式，通常情況下，基礎所受豎向拉力較大，因此此時應對錨桿基礎的拉力進行驗算。對于單排基礎的布置方式，通常情況下，基礎所受彎矩較大，此時抗傾覆穩定性起主導作用，按規范要求選取穩定系數后，可計算得到所需的抗傾覆彎矩，抗傾覆彎矩由錨桿自重和錨桿基礎豎向拉力對基礎混凝土承臺或型鋼承壓板邊沿取矩得到，從而可以得到所需的錨桿拉力，然后確定錨桿基礎的幾何參數，并對其進行設計。

4 結論

2019 年是我國光伏產業實現由補貼推動向平價推動轉變的起始年，2020 年是光伏發電平價發展的關鍵年，光伏電站建設成本必將進一步降低。這一發展趨勢要求光伏電站的設計向精細化設計發展，本文對量大面廣的光伏支架基礎的布置方式、基礎形式和基礎設計進行了全面的探討，以期為光伏支架基礎的合理選型及優化設計提供有益的參考。