山地柔性光伏支架設計方案與施工工藝

張東棟，范信凌，張斌，楊宏鵬，苗博泉

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

近年來，隨著光伏電站裝機規模的擴大，光伏建設用地日益緊缺，光伏用地不斷向溝谷陡坡交匯的復雜地形地貌山地拓展，索結構柔性光伏支架憑借自身跨度大、地形適應性強的優點，成為解決山地復雜地形地貌難題，建設光伏電站的發展方向。周杰等[1]研究了山區柔性光伏支架受力與變形特征，表明了預應力拉索柔性光伏支架承載力與剛度滿足工程要求。馬文勇等[2]通過風洞試驗研究了組件傾角、間距、陣列迎風角度對風荷載的影響，并揭示了相關關系。杜航等[3-4]針對柔性支架的風致振動效應與抗風設計問題開展了較為深入的理論與試驗研究。目前柔性光伏支架在風荷載與結構計算上有較多研究，但缺乏施工方案研究，特別是缺乏指導設計與施工的規程規范。

索結構光伏支架體系設計分析與施工建造相比于傳統固定式剛性支架更為復雜，特別是對于地形復雜的山地光伏，柔性支架設計方案與地形條件密切相關、施工技術亦受地形條件限制，甚至制約了山地柔性光伏電站的發展。本文以云南昆明祿勸縣某山地光伏電站的柔性光伏支架為例，剖析設計與施工過程中遇到的重難點問題，總結了山地柔性光伏支架的設計方案與施工工藝，提出了全建設周期設計與總承包深度融合的山地光伏項目管理理念，可為同類工程提供參考。

1 項目基本條件

1.1 項目概況與基本參數

項目所在地為云南昆明市祿勸縣，場址海拔高程介于2 400～3 100m之間，太陽能資源穩定且豐富。場區覆蓋層主要為粉質黏土，場址區基巖巖性為灰巖、白云巖、頁巖、泥質灰巖，場地整體穩定性較好。項目采用540Wp的單晶硅光伏組件，組件尺寸為2 274mm×1 134mm，光伏組件傾角采用 24°。按照云南省光伏電站農業與林地用地要求，光伏支架最低端離地高度不低于2.5m[5]。組件傾角與離地高度影響組件風荷載[6]，進而影響方陣布置與結構設計。

1.2 項目難點與柔性支架方案

由于場址區存在零星陡坡溝谷等難以使用的不利微地貌與農牧用地限制，導致本項目建設用地存在很大的缺口，與此同時又面臨土地生態恢復及低產田改造和灌溉等土地問題帶來的巨大壓力。本項目采用傳統固定剛性支架與索結構柔性支架相結合的靈活布置方式，通過柔性光伏支架利用了溝谷坡地、使得組件緊密排布提高了土地利用率、增加了架空高度、減少了樁基數量，在不改變原有土地性質的情況下將光伏與農業、林業相結合，既能使祿勸縣豐富的太陽能資源得到開發，又能有效地保持水土使生態脆弱地區的生態得到恢復。本項目使用柔性支架“光伏+農牧”融合發展取得顯著效果，如圖1為牧民在本項目柔性支架方陣內自由放牧。

圖1 場區柔性支架方陣“光伏+農牧”融合實景照片

2 柔性支架設計方案

2.1 柔性支架設計方案

本項目柔性支架采用了三索結構柔性支架方案。根據地形條件考慮最低程度擾動自然地面，確定支架主體單跨跨距為42m，單跨布置34塊組件為一個組串單元，組件離地高度2.5～6m，留足了農牧生產凈空高度。

柔性支架上部結構體系為：光伏組件通過卡扣安裝于兩根15.2mm的鋼絞線承重索之上，通過給鋼絞線施加預應力使其具備剛度獲得跨越能力；兩根承重索與1根下垂的12.7mm鋼絞線穩定索，在42m單跨跨中通過四列C形鋼三角桁架撐桿連接，形成一榀跨越結構單元；各榀支架結構橫向之間由兩根C形鋼桿件將各榀支架結構三角撐桿連接，形成桁架支撐系統；鋼絞線兩端通過錨具錨固于邊立柱索支撐邊梁梁身，邊梁通過斜拉桿錨定于基礎上平衡水平力；中間每42m設置中立柱支撐中梁承擔豎向力。

2.2 基于現場條件的設計方案調整

根據前期地勘資料柔性支架場區覆土層厚度為0.5～1.5m。因此考慮地質條件結合上部結構荷載，柔性支架下部基礎方案為：邊錨基礎采用錨桿，中立柱與邊立柱基礎采用鉆孔灌注樁基礎。但進入施工階段，槽挖與鉆探祥勘發現，柔性支架方陣所在區域地質分布差異性大，覆土層厚度在2～7m。邊錨若仍采用錨桿基礎，則承載能力不能滿足；中樁與邊樁基礎若仍采用灌注樁基礎，則鉆孔深度將接近10m，不僅施工難度大，還大大增加了工程量。由此根據現場開挖地質揭露情況，調整了基礎設計方案。將邊錨的錨桿基礎調整為了拉線盤基礎，經過計算承重地錨采用矩形拉線盤地錨拉盤埋深3m即可滿足要求；對于拉線盤基礎斜拉桿將有3m的深度埋入地下，設計采用PVC排水管包裹斜拉桿并填充水泥漿的方式防腐。中樁與邊樁基礎調整為了板式拓展基礎，基礎底面低于自然地面1m即可滿足要求。對于部分存在基巖出露地質區域，使用錨桿基礎仍然是最優方案，但是考慮到現場的可實施性與經濟性，施工方案與機械設備不宜過多，綜合考慮統一使用拉線盤基礎。

本項目提出全建設周期設計與總承包深度融合的山地光伏項目管理理念。在項目實施過程中，總承包方充分發揮設計的“龍頭”作用，讓設計充分介入工程建設全過程，指導采購和施工，并吸收采購和施工的積極反饋調整改良設計，形成高效的互動和互促，更好地保障了工程質量，優化了工程量，為總承包實現了降本增效。

3 柔性支架施工工藝

3.1 山地光伏施工特點分析

山地光伏電站占地面積大，組件方陣之間被林地、耕地、墳地、生態保護地等紅線以及沖溝、山崖、山脊等復雜地形分割，導致電站場區分布零散，點多面廣。而山地光伏電站大部分場址遠離交通主干道，組件、箱變，支架材料等運輸困難，受山地復雜地形地貌的影響進場道路的設計與施工較為困難，因此進場道路往往由施工單位因地制宜修筑，道路轉彎半徑小坡度大，運輸條件較差。同樣受地形的影響還存在：電纜溝需隨地形蜿蜒，繞線長度長、施工難度大；場區缺乏平地做材料堆場，材料只能以緩慢的速度分批運輸至施工現場且周轉難度大；大型施工機械不能應用，只能使用小型履帶式施工機械，甚至人工鉆孔與開挖，施工成本高效率低；雨季時持續降雨可能使得山區土壤濕潤，有泥石流、滑坡和山洪等地質災害危害，施工組織需注重場區排水規劃；場區用水用電甚至通信困難；因缺乏大面積平整地，升壓站建設用地選址難度大，挖填方工程量大，地基處理與支護等附屬性工程措施占比大。

3.2 柔性支架基礎施工

本項目柔性支架基礎在施工階段根據施工地質情況調整為了拉線盤邊錨與板式拓展基礎。拉線盤基礎與斜拉桿成90°，與地面交角成45°布置，在開挖后的3m深槽里綁扎鋼筋與支模板及澆筑的施工難度大，因此現場調整為預制拉線盤基礎。而山區道路運輸條件差，不利于從混凝土預制場直接購買預制件產品，現場又缺乏大面積平整地作為預制場地，若進行場平則會擾動生態環境，因此決定現場租用牧民平整場地作為拉線盤預制場地。拉線盤基礎的施工工序為：現場預制→挖槽→拉線盤吊裝→連接斜拉桿螺紋鋼→外套PVC管管內注漿防腐→分層回填土夯實。

擴展獨立基礎則使用小型履帶式挖機挖槽，開挖槽內現場綁鋼筋澆筑混凝土，施工工序為：挖槽→支模綁鋼筋→混凝澆筑→分層回填土夯實。為了方便工廠生產與現場安裝，柔性支架鋼立柱統一為一個長度，而現場地形起伏，由地形導致的鋼立柱柱底高程差異則由與拓展板式基礎一起現澆的混凝土立柱的長度差異來彌補。

3.3 柔性支架上部結構安裝

本項目在施工前總承包組織設計，支架供貨廠家與施工各方召開了技術研討會。確定了柔性支架安裝流程為：驗樁→安裝邊立柱/中立柱→安裝邊橫梁→安裝并緊固斜拉桿→敷設并張拉兩根上承組件索至指定預應力→敷設下懸穩定索至指定垂度→安裝三角桁架→安裝橫向桁架聯系桿→安裝組件→安裝南北穩定索。

（1）驗樁

驗樁工作是對下部基礎的施工質量進行驗收，檢驗下部基礎施工精度是否達到柔性支架上部結構安裝容許誤差。安裝前應對基礎的定位軸線，基礎軸線及標高，地腳螺栓位置進行檢查，并應進行基礎復測和與基礎施工方辦理交接驗收。鋼立柱的支撐面預埋地腳螺栓的中心偏差不應大于5mm。

（2）安裝中立柱與邊立柱及邊橫梁

為了減少高空安裝工作量，在起重設備能力允許的條件下，宜在地面組拼成擴大安裝單元一起吊裝。本項目中立柱與立柱斜撐為工廠焊接整體構件，現場整體安裝。安裝時，立柱中心應與基礎中心盡量重合，預埋柱腳錨栓應對立柱柱底鋼板孔位擰緊螺母。邊立柱與邊梁為分開的兩個單獨構件，邊立柱安裝時立柱頂板斜面朝向必須為南方，以此保證組件傾角朝向為南向。邊梁安裝時所有橫梁北高南低，邊梁H型鋼下翼緣板的螺栓孔與對應邊立柱頂板螺栓孔對齊擰緊螺母。

（3）安裝斜拉桿

斜拉桿設計為螺紋鋼筋，下拉桿下端直接通過鋼筋連接器連接拉線盤地錨預埋螺紋鋼筋，上端通過鋼筋螺母卡緊U型連接件連接H型鋼邊梁。斜拉桿連接好后，通過長臂扳手旋擰鋼筋螺母，控制邊梁頂部往斜拉桿方向發生5mm位移預變形。同一根邊梁的兩根斜拉桿須同時旋擰鋼筋螺母加預變形。組件安裝完成后，在組件自重荷載下，邊梁預變形消除。

（4）安裝與張拉承重索

安裝組件兩根上承組件索過程中，應在不鎖緊中立柱橫梁蓋板的前提下緊固蓋板，使其在索敷設過程中發揮導向作用。敷設從邊橫梁一側向另一側邊橫梁從東向西，牽引鋼絞線。安裝過程中鋼絞線應干凈清潔，若沾有泥污應及時清理干凈。張拉應使用兩個同型號液壓穿心孔千斤頂在拉索兩端東西邊梁位置同時張拉，單個設備應至少1人操作油泵，1人操作液壓千斤頂。拉索張拉應遵循分階段、分級、對稱、緩慢勻速、同步加載的原則。張拉完成后使用索力儀工具檢查張拉預應力是否達到設計要求。兩根上承組件索蓋板應在張拉兩根上承組件索達到預緊力后鎖緊。下懸穩定索張拉到跨中垂度為跨中三角撐桿高度即可鎖緊。千斤頂拉力與油泵表示數的換算關系如式（1）。

式中：P為油泵讀表壓強示數；A為千斤頂銘牌所注明張拉缸面積。

（5）安裝三角桁架與組件

以地面拼裝整體吊裝的思路，在地面將三角桁架三個部分撐桿使用螺栓拼接為三角桁架整體再與兩根組件承重索與一根組件穩定索連接。三角撐桿安裝完畢后安裝排間橫向聯系桿上橫桿，上橫桿與三角撐桿的螺母不緊固，保證單排安裝組件后索結構下沉，上橫桿可以轉動。上橫桿連接完畢后安裝組件，各排組件安裝完畢后，各排索結構下沉至同一高度，再連接排間橫向聯系桿下橫桿，并緊固上橫桿螺母。

3.4 施工問題因素分析

本項目在施工過程中出現中立柱拓展基礎立柱中心與上部結構鋼立柱中心出現位置偏差，導致預埋螺栓偏位，立柱安裝困難等施工誤差問題，可見傳統土建施工隊伍還未適應柔性支架安裝的高精度要求。上承組件索張拉完成幾天后，邊跨位置邊梁錨具出現松動，導致該索在邊梁錨具處滑移，因該索已通過蓋板連接于中立柱梁上，其索力作用于中立柱上，導致立柱腳螺栓處混凝土崩壞。經分析，鋼絞線在放索過程中在地面牽引，沾上了泥土導致在張拉過程中夾片錨進泥，另一方面該索設計張拉預應力值較小，夾片錨咬合力較小，咬入鋼絞線的齒痕較淺，因此出現索滑移，本項目后期在錨具上加裝防脫帽。傳統鋼絞線及其錨具主要應用于預應力混凝土構件中，處于封閉環境夾片銹蝕耐久性強，其施加預應力較大，較少發生錨具松脫鋼絞線滑移問題；而柔性光伏支架處于露天環境，且施加預應力較小，夾片咬入齒痕淺，特別是在長期工作下夾片銹蝕與負風壓鋼絞線松弛帶來的鋼絞線松脫隱患較大。

4 結論

本文以云南昆明某山地柔性光伏支架項目為例，介紹了山地柔性光伏支架的設計方案與施工工藝，剖析了建設過程中存在的重難點問題，主要得出以下結論可供同類工程作參考。

（1）柔性光伏支架跨度大、樁基少、凈空高，建設對環境影響小，建成后對土地原使用功能影響小，適用于多種復雜地形地貌與多種形式的土地集約化開發，本例項目“光伏+農牧”融合發展取得較好效果。

（2）山地柔性光伏支架的設計方案與平面布置受地形影響較大，對基礎要求高，而基礎設計受地質條件影響較大，但光伏項目往往地形測繪與地質勘察工作較為粗放，設計容易脫離實際地形地質條件。本例項目提出全建設周期設計與總承包深度融合的項目管理理念，設計與施工及地質多專業深度融合及時調整設計方案，設計引領工程，服務總承包，降本增效效果明顯。

（3）柔性光伏支架處于露天使用環境，在風雨光照環境侵蝕作用下，存在鋼絞線腐蝕與錨具緊固件腐蝕問題，風振交變應力導致松脫隱患較大，同類工程應當引起重視，設置必要防腐防松脫措施。