地面光伏電站支架基礎選型與設計

戴維斯，楊帆，牛延宏

（1.上海電力設計院有限公司，上海200025；2.同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

1 引言

光伏支架基礎是將安裝光伏組件的支架結構所承受的各種作用傳遞到地基上的結構組成部分。與建筑結構的基礎相比，光伏電站支架基礎所承受的荷載相對較小，設計、施工難度不大，但數量龐大，其安全性、經濟性對整個工程的影響很大。支架基礎的選型與設計需綜合考慮工程地質條件、水文條件、上部支架結構類型、荷載條件、施工工藝，并應結合工期要求和地方經驗進行優化和調整。

2 支架基礎形式

根據不同的地質條件，光伏支架基礎有多種形式。按荷載傳遞形式分，光伏支架基礎主要有擴展式基礎、樁基礎和錨桿基礎等。支架基礎選型時，既要與支架形式相匹配，滿足其所承受的荷載條件和使用要求，又要考慮地質情況、水文條件。由于光伏電站一般有并網時間節點要求，建設工期較短，基礎選型還應考慮施工工藝的快捷性與方便性，并兼顧經濟指標和環保要求。

2.1 擴展式基礎

擴展式基礎有獨立基礎和條形基礎2種。擴展式基礎一般采用現澆混凝土，如果現場澆筑不便，或冬季施工時，還可以考慮采用工廠預制的方式，減少現場濕作業和養護。擴展式基礎底面積大，基底壓力小，剛度大，整體性好，對地基沉降變形有較好的適應性，適用于壓縮模量較小、承載力較低的軟弱土地區和采煤沉陷區、濕陷性黃土地區、新近回填的欠固結土等特殊地質條件。但是，擴展式基礎需開挖土方，工程量大，造價較高；破壞地表植被和形貌，不利于生態環境保護；在地下水位較高的地區施工困難。因此，在地面光伏電站中已較少采用。

2.2 樁基礎

樁基礎有混凝土灌注樁基礎、混凝土預制樁基礎、鋼樁基礎等，是目前應用最廣泛的支架基礎形式。光伏支架采用樁基礎時，一般不設置承臺，支架立柱與基礎通過插接、焊接、預埋錨栓、法蘭盤等形式連接，或直接采用樁柱一體形式。

灌注樁基礎采用機械化成孔，施工方便，人工用量較少，對地表土破壞及擾動小，可穿透堅硬的土層。基礎頂面標高可以調節，以適應地形起伏變化。由于支架所采用的灌注樁基礎樁徑較小，一般采用干作業成孔，需滿足成孔過程中不塌孔的條件，不適用于軟弱土、松散砂土、碎石土和地下水位較高的場地。灌注樁需現場澆筑混凝土，在冬季施工中養護困難，也不宜采用。

混凝土預制樁基礎可在工廠預制，批量生產，現場無須開挖，施工速度快，冬季施工無須養護，成樁質量好，可根據地面起伏調整樁頂標高。在工廠制作時可根據需要摻入防腐蝕的外加劑，耐久性好。適用于黏性土、粉土場地。如遇卵礫石地層時則沉樁困難，易偏心或斷樁，不宜采用。預制樁基礎還適用于近海灘涂、“漁光互補”等水上光伏電站。混凝土預制樁施工依賴打樁或壓樁機械，適用于較平整的場地，不適用于山地光伏電站。偏遠地區還需考慮運輸成本。

鋼樁基礎有型鋼樁基礎、螺旋鋼管樁基礎等類型。鋼樁基礎施工不受季節影響，無須土方開挖，無須預成孔，施工完成后無須養護，施工便捷。在光伏電站達到設計使用年限時，場地恢復容易，綠色環保，廢舊的鋼樁可以回收利用，產生較好的經濟效益和社會效益。型鋼樁基礎還可以與支架立柱一體化設計，受力性能更優。但鋼材易發生腐蝕，在地基土和地下水有較強的腐蝕性時，需采取有效措施對鋼樁進行防護。

2.3 錨桿基礎

錨桿基礎是由設置在巖土中的錨桿和混凝土承臺或型鋼承壓板組成的基礎。巖石地基上的錨桿基礎有2種：一種是植筋錨桿基礎，在巖石中鉆小孔，采用植筋工藝，通過灌注黏結劑將錨桿錨固在巖石中；另一種是巖石錨桿基礎，采用鑿巖設備成孔，灌注砂漿或細石混凝土，將錨桿錨固。錨桿基礎適用于巖石埋深較淺或直接出露的場區，巖石風化程度需為中等風化～未風化，完整程度為較完整～完整，有地下水時不宜采用[1]。

3 支架基礎的設計要點

支架基礎的選型、受力分析和設計與上部支撐光伏組件的支架形式密切相關。目前，應用較多的支架形式有固定式、傾角可調式、平單軸跟蹤式、斜單軸跟蹤式等。固定式支架可采用雙立柱和單立柱2種形式，其他幾種支架一般采用單立柱形式。作用在支架上的荷載主要為永久荷載、風荷載和雪荷載，傳遞到基礎頂面時主要為豎向荷載、水平荷載和彎矩。支架基礎設計需注意以下幾點：

1）各類型的基礎均需進行豎向承載力計算。豎向荷載是作用在基礎上的主要荷載，決定了擴展基礎的底面積、樁基礎的樁徑和樁長、錨桿基礎的截面積和長度，對工程量影響最大。

2）作用在基礎頂面的水平荷載主要是由風荷載產生的。采用驅動軸的跟蹤支架基礎，還需承受較大的水平推力。對樁基礎而言，其截面尺寸往往受水平承載力控制，可采用m法驗算單樁水平承載力。在采用單立柱單樁基礎時，需將樁基礎視為壓彎構件，按樁身最大彎矩驗算其抗彎承載力。

3）為保護環境，減少土方工程量，光伏場區通常不做場平，因此，地形往往有起伏。對不具備高度可調節功能的上部支架，基礎頂標高有較為嚴格的要求。此時，為保證支架順利安裝，基礎實際出地面高度會與按理想水平地面計算的高度發生變化，力的作用點也發生了變化。計算時需考慮上述因素進行包絡設計，并在設計文件中注明基礎頂面允許變化的范圍。

4 典型光伏電站支架基礎設計

4.1 山地光伏電站

某領跑者光伏電站場址位于太行山中部，地貌上屬剝蝕中山-黃土丘陵區。場地范圍內地勢起伏，沖溝發育，地面標高一般在1 130～1 300m。地基土主要由二迭系上統石千峰組砂巖夾薄層頁巖組成，多數場地局部或整體地段覆蓋第四系中、上更新統黃土（Q2+3），厚度一般為2.0 ～3.0 m，濕陷特征不顯著。地下水位埋深一般大于10m。

光伏組件布置有豎排2（排）×13（塊）和2（排）×16（塊）兩種形式，采用固定傾角36°，支架為固定式支架，前后排雙立柱布置。由于山地地形起伏，坡度不一，光伏子單列布置采用隨坡就勢，支架基礎需具備一定的標高調節能力，才能使支架適應地形變化，實現設計傾角。因此，本項目采用預埋鋼管灌注樁基礎。灌注樁直徑180mm，入土深度根據不同區域地層厚度變化通過計算確定，采用1～1.8 m不等，出地面0.1 m。混凝土強度等級C30。預埋鋼管外徑76mm，壁厚4.0 mm，總長0.6 m，埋入灌注樁0.45 m，露出樁頂0.15 m[1]。鋼管頂部設1個對穿螺栓孔和4個鎖緊螺栓孔，底部焊接鋼筋籠。支架立柱外徑略小于預埋鋼管內徑，安裝時，立柱插入鋼管后，選擇合適的排孔位置，安裝對穿螺栓，通過鎖緊螺栓緊固，安裝完成后刷防腐漆防腐。通過調節立柱埋入預埋鋼管中的深度，實現立柱高度的多級可調，從而適應不同的地形起伏。

4.2 荒漠戈壁光伏電站

某領跑者光伏電站位于祁連山山系的宗務隆山脈南麓，總體地形開闊平坦，北高南低，地貌上屬高原荒漠戈壁灘。地面高程約為3 000～3 150m。地基土主要由第四系角礫（Q4al+pl）組成，厚度6.0 ～7.8 m。勘察場地未見地下水。

光伏組件布置采用固定式支架和平單軸跟蹤支架2種。固定式支架采用預埋鋼管灌注樁。平單軸跟蹤支架立柱間距較大，基礎所承受的荷載大于雙立柱固定支架基礎。靠近驅動軸的立柱基礎還需承受較大的水平荷載。平單軸組件離地高度需滿足±45°傾角時不小于0.5 m，因此，樁基礎出土高度約在1m。綜合考慮地質條件、支架結構形式和施工條件，平單軸支架基礎采用干作業成孔灌注樁。樁徑300mm，入土深度2m，出地面1m。出地面部分樁基礎受力狀態接近壓彎構件，樁縱筋配置根據樁身最大彎矩確定，并配置螺旋式箍筋抵抗樁身剪力。樁頂預埋鋼板，與支架立柱焊接。

4.3 水上光伏電站

某領跑者光伏電站位于江西省，光伏陣列所在區域全部為湖泊。光伏電站建設容量250MWp，防洪等級為Ⅱ級，防洪標準為≥50 a一遇的高水位[2]。湖區水位受上游來水和外湖水位的雙重影響，勘察期間湖面標高為14.5 m（1985國家高程，下同），湖水深度0.00 ～4.00 m，根據二維數學模型計算的50 a一遇洪水位為17.5 m。場地表層為湖水，下部為殘積粉質黏土，下伏基巖為白堊系泥質砂巖。

光伏組件布置采用固定式支架、平單軸跟蹤支架、斜單軸跟蹤支架和漂浮浮體式。因湖水較深，水域面積大，基礎施工需采用水上作業。根據上述特點，本工程支架基礎采用預應力高強混凝土管樁。樁頂標高按組件最低點高于50 a一遇洪水位0.5 m確定。樁長根據水下地形圖分區域計算，樁端持力層進入粉質黏土層不小于3.5 m。因樁基礎出土高度較高，受力狀態接近長懸臂壓彎構件，樁型選擇需根據樁身受彎承載力設計值和按標準組合計算的樁身抗裂彎矩雙重控制，保證樁處于彈性狀態。對斜單軸跟蹤支架，其前后立柱和樁端平面形成四面體，立柱相對樁基礎的剛度較小，對樁頂位移較為敏感。因此，在受水平力較大的2根后立柱樁頂增設了1根拉桿，使其對樁頂的側向力自平衡，增強了體系的穩定性。

4.4 凍土地區光伏電站

某示范基地光伏電站位于壩上高原，受地表水面流的侵蝕作用，地形起伏不大。地面高程約為1 300～1 350m。地層主要由粉土、細砂、中粗砂、黏土、強風化玄武巖組成。場地內存在的特殊性巖土主要為季節凍土及鹽漬土。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》及其附錄F“中國季節性凍土標準凍深線圖”，該地區季節性凍土標準凍深為200 cm，結合當地建筑經驗和地層巖性，判斷地基土凍脹性類別為弱凍脹，凍脹等級為Ⅱ級。場地地下水對混凝土結構具有弱腐蝕性；鋼筋混凝土結構中的鋼筋在長期浸水條件下具弱腐蝕性，在干濕交替條件下具強腐蝕性。場地土對混凝土結構有弱腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具中等腐蝕性，對鋼結構具強腐蝕性。

光伏組件布置采用固定式支架、平單軸跟蹤支架和固定傾角可調支架。由于地下水在干濕交替條件下對混凝土結構中的鋼筋具強腐蝕性，根據GB/T 50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》，如采用灌注樁，在混凝土硬化過程中腐蝕性介質會進入樁身，因此，支架基礎可選用預應力高強混凝土管樁。樁身混凝土摻入抗硫酸鹽外加劑、阻銹劑。確定樁的入土深度時，除驗算單樁豎向承載力，還需按季節性凍土上的短樁基礎驗算其抗凍拔穩定性。在弱凍脹條件下，表層粉土的切向凍脹力達到30～60 kPa[3]，如果單純增加樁長來抵抗凍拔力，所需樁長較長，經濟性較差。為此，采取構造措施，樁基施工前采用預鉆孔，孔徑略大于樁徑，沉樁完成后，在樁周圍回填密實的中粗砂，以消除凍脹力影響。

5 結語

在支架基礎設計時，應根據上部支架結構形式和地質情況，結合施工條件進行合理選型。并且還需要考慮現場實際情況，按支架基礎實際受力狀態確定計算模型，在保證安全的前提下進行合理的優化設計。