光伏电站螺旋桩的应用及计算

2014-01-01特变电工新疆新能源股份有限公司何银涛

太阳能 2014年9期

特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 张湉黄华何银涛

0 引言

随着世界环境的恶化，对清洁能源的需求也越来越迫切，对清洁能源生产本身对环境的污染也有了更高的要求。太阳能光伏电站建设过程中，电池组件支架基础部分与土壤直接接触，对环境、植被等影响较大[1]。螺旋桩的应用不仅能节省项目建设费用，缩短建设周期，使电站早日投产发电，同时也节能环保、可再回收循环利用，具有良好的经济效益和社会效益。

1 工程简介

1.1 工程地址及气象条件

本项目建设容量为20 MWp，地处青海省海西州乌兰县希里沟镇，位于乌兰县城东南部东大滩上，距离希里沟镇中心约20 km，距离北侧的315国道约25 km。交通较为便利。

乌兰县具有明显的高寒大陆性气候，年平均气温3.2 ℃，年最高气温27.2 ℃；年平均降水量159 mm；主导风向为西北风，夏季主导风向为东南风；年最大风速36 m/s，全年大风时数约26天。

1.2 工程主要技术数据

1)基本风压为0.8 kPa，基本雪压为0.15 kPa；2)地震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0.10 g；3)建筑场地类别为Ⅱ类；4)标准冻土层深度1.66 m；5)根据岩土工程勘查报告，可不考虑地下水的影响。

1.3 电站详细地质条件

拟建生产区在勘探深度内揭露的地层(一层)为细砂(Q4eol)，其岩性特征描述为：

土黄、褐黄色，干燥－稍湿，稍密，砂质较纯净，颗粒较均匀；主要成分为石英、长石等，其中粒径0.075～2 mm者约占88.3%～98.4%，粒径小于0.075 mm者约占2.1%～6.0%；局部夹有零星砾石及砾砂薄层，呈透镜体状分布，不连续。揭露厚度7.4～15.4 m，场区均有分布。表1为项目现场岩土主要物理力学性质指标值。

表1 岩土主要物理力学性质指标值

2 螺旋桩力学分析

2.1 设计原则

本项目选用组件尺寸为1640×992×40，40块组件为一个单元，每个单元支架上竖向双排安装2×20块太阳电池组件，支架倾角35°。支架采用通用支架，每一单元支架前后布置两排螺旋桩，共14根螺旋桩。支架单元平面布置图如图1所示。

图1 支架单元平面布置图

根据勘察报告提供的资料，本工程上部主要为松散状态的砂壤土和较密状态的角砾层，根据上述土层情况及以往工程经验，选用双叶片螺旋桩。螺旋桩钢管直径76 mm、壁厚4 mm，桩长2.0 m，安装支架需露出地面长度按200 mm考虑，则实际旋入地下1.8 m。两道叶片直径均为176 mm、厚度4 mm，上道叶片距桩端720 mm，下道叶片距桩端100 mm。螺旋桩详图见图2。

根据支架结构计算书提取数据，传递到单桩桩顶的荷载为支座反力：正风压Fz(压力)=12.17 kN；负风压Fz(拔力)=9.6 kN。

2.2 受力计算

螺旋桩主要由中间的钢管和焊接于钢管上的螺旋叶片组成。当桩顶受力时，作用在桩顶的荷载部分由中间的钢管与土体之间的侧摩阻力承担，部分由螺旋叶片所受的土体抗力承担。当有2个及以上叶片时，部分荷载由叶片之间的土柱与周围土体之间的侧摩阻力承担。根据现有桩基规范的相关规定，结合多年工作经验，采用如图3所示受力模式进行螺旋桩的承载力计算。

2.2.1 抗压承载力计算

抗压承载力计算式为[2]：

式中：Quk为单桩竖向抗压极限承载力标准值；Qs1k为桩顶以下第一道叶片以上钢管极限侧摩阻力标准值，参考JGJ 94-2008建筑桩基技术规范5.3.6 条的规定[2]，第一道叶片以上 1倍的叶片直径长度范围不计侧阻力；Qs2k为叶片之间土柱与周围土体之间的极限侧阻力标准值；Qpk为由叶片发挥的极限桩端阻力标准值；K为安全系数。

本工程上部松散状态的砂壤土厚约1.0 m，考虑结构长期受风荷载作用的影响，以及螺旋桩施工时叶片对土体的切割作用，承载力计算时，不考虑上部松散状态砂壤土的作用。根据相关规范[3]，第一层细砂桩侧土体极限侧阻力标准值取为50 Pa，极限端阻力标准值qpk取为200 kPa；λ为桩端闭塞效应系数，对闭口桩λ=1。

Nk=Fz(压力)=12.17 kN＜Quk=30.14 kN，满足抗压承载力要求。

2.2.2 抗拔承载力计算

抗拔承载力计算式为[2]：

式中：Tuk为单桩竖向抗拔极限承载力标准值；Ts1k为桩顶以下第一道叶片以上由钢管与周围土体之间的摩擦产生的极限侧摩阻力标准值，钢管计算长度应扣除受叶片影响的范围；Ts2k为叶片之间土柱及受叶片影响的破坏柱体与周围土体之间的极限侧阻力标准值。参考JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》5.4.6条的规定，受叶片影响的破坏柱体长度按4d考虑[2]；Ggp为螺旋桩自重、叶片之间土体自重及受叶片影响的破坏柱体自重之和；K为安全系数。

抗拔系数取为0.5，其余参数见表1，抗拔承载力计算如下：

Ts1k=πdΣλiqsikli=3.14×0.076×0.5×50×(1.8-0.72-0.1-2×0.076)=4.94 kN；

Ts2k=πDΣλiqsikli=3.14×0.176×0.5×50×(0.72+0.1+4×0.076)=15.53 kN；

Ggp可忽略不计；

Nk=Fz(拔力)=9.6 kN

2.3 结论

本工程场地主要为砂性土，适宜采用双叶片的螺旋桩作为光伏组件固定支架的基础。通过计算分析，选择双叶片螺旋桩，钢管直径为76 mm，桩长2 m，叶片直径176 mm，下道叶片距桩尖100 mm，两道叶片之间的距离为720 mm。螺旋桩的单桩抗压承载力特征值为14.6 kN，大于抗压荷载标准值12.17 kN，满足抗压承载力要求。螺旋桩单桩抗拔承载力特征值为10.23 kN，大于抗拔荷载标准值9.6 kN，满足抗拔承载力要求。