地面光伏电站不同阵列基础类型对水土流失的影响

曹 亮，吴永忠，王世峰

(水利部 牧区水利科学研究所，内蒙古 呼和浩特 010010)

近年来，为了改善大气环境，减少对矿物燃料的过度使用，清洁能源得到了飞速发展。光伏发电作为目前具有较好经济价值的重要清洁能源同样得到了快速发展，仅2013年全国就新增装机容量约10.5 GW[1]。光伏电站主要以地面电站的形式，建在土地资源和太阳能资源丰富的西北地区，如内蒙古、甘肃、新疆、青海等地。预计到2020年，我国光伏发电装机规模将达到60 GW[1]。

虽然光伏发电是清洁能源，很少产生污染，对环境破坏较小，但由于光伏发电项目占地规模较大，对水土流失的影响也较大[2]。这些光伏电站多建设在我国的西北地区，该地区生态环境脆弱，土壤和植被受到扰动后极难恢复[3]，而光伏电站的建设会不可避免地对当地的水土流失产生影响，尤其是在光伏阵列基础施工过程中，基础的开挖、回填等活动会对区域水土流失产生较大的影响[4]。基础类型不同，对水土流失的影响有着明显的差异。地面光伏电站的阵列基础可以分为螺旋钢桩基础、混凝土灌注桩基础、钢筋混凝土基础3种，在这里笔者就不同基础类型对水土流失的影响进行分析。

1 螺旋钢桩基础

螺旋钢桩基础是最近几年才发展起来的基础类型。其施工原理是利用机械将事先加工好的螺旋钢桩直接挤压进地下，光伏板的布置方式、荷载要求、地质条件不同，其桩径和长度也有所不同。该类基础具有施工速度快、工期短、不需要水电、施工人员少、施工费用低、不需要进行场平(可以调整钢桩的长度以消除场地不平整对光伏板布置方式的影响)，没有土方开挖、回填，施工费用低等优点，缺点是对地质条件、地下水的腐蚀性有一定要求。

施工工艺为桩机安装→桩机移动就位→吊桩→插桩→锤击下沉→接桩→击至设计深度→内切钢管桩→割桩头修坡口→焊桩盖。由螺旋钢桩的施工工艺及现场调查可以看出，施工时桩机来回移动会碾压地表植被，破坏表土资源，造成土壤疏松及理化性质改变，产生严重风蚀，其余环节均不会对光伏电站场地产生严重水土流失影响。

内蒙古某40 MWp光伏发电项目光伏阵列支架基础为螺旋钢桩基础，每个支架方阵单元由2排共20个光伏板组成，设有16个螺旋钢桩基础，每个光伏方阵长10.37 m、宽3.33 m。该项目共有8 820个支架方阵，141 120个螺旋钢桩基础。根据螺旋钢桩施工工艺，结合现场调查，螺旋钢桩施工时因桩机来回移动对钢桩外侧宽0.75 m范围内的土地产生较严重扰动，破坏了表土资源，造成土壤理化性质下降，易产生严重的水土流失，其余区域只会产生轻微扰动。如图1所示。该项目占地119.24 hm2，其中施工严重扰动区占地13.72 hm2，约为总占地面积的11.5%，其余大部分区域土壤、植被基本未受严重影响。在后期进行水土流失防治措施布设时，严重扰动区域需实施土地整治等措施[3]，其余轻微扰动区域若采取土地整治措施反而会破坏土壤植被，只要撒播草种即可[3]。由以上分析可以看出，采用螺旋钢桩基础只对项目区极小部分区域产生非常严重的水土流失影响，大部分区域的土壤、植被未受到严重的破坏。

图1 螺旋钢桩基础施工扰动现场

2 混凝土灌注桩基础

在西北地区，混凝土灌注桩的前桩一般比后桩短，前桩埋深一般为1.2～2.7 m，后桩埋深一般为1.5～3.0 m，依最大冻土深及光伏阵列的稳定性要求确定。其施工原理是利用桩机直接在桩位上就地成孔，然后在孔内浇筑混凝土或安放钢筋笼再浇筑混凝土成桩。具有施工噪声和震动小、适用地基范围较广等优点，缺点是施工质量的好坏对桩的承载力影响很大、质量较难控制等。

施工工艺为场地平整→桩位放线→开挖浆池、浆沟→护筒埋设→钻机就位、孔位校正→成孔、泥浆循环、清除废浆、泥渣→清孔换浆→终孔验收→下钢筋笼和钢导管→浇筑混凝土→成桩。在冲孔时应随时测定和控制泥浆密度，如遇较好土层可采取自成泥浆护壁。灌注桩的质量检验应较其他类桩严格，因此对现场施工的监测手段要先落实。灌注桩的沉渣厚度应在钢筋笼放入后、混凝土浇注前测定，成孔后，放钢筋笼、混凝土导管都会造成土体跌落，增加沉渣厚度。施工过程中，待混凝土强度达到28 d龄期以上方可进行安装。

内蒙古某地30 MWp光伏电站光伏阵列支架基础为钢筋混凝土灌注桩基础，灌注桩桩径300 mm，前桩长1.5 m、埋深1.2 m，后桩长1.8 m、埋深1.5 m。每个支架方阵单元设16个支架基础，该项目共有65 600个混凝土灌注桩。

根据施工工艺及现场调查，混凝土灌注钻机在施工移动时，会对桩基周围0.49 m2范围内的土壤植被造成较严重破坏，其余部分只产生轻微扰动，并未破坏表土资源、土壤植被，如图2所示。该项目区占地85.18 hm2，其中施工严重扰动区3.2 hm2，约为总占地面积的3.8%，其余部分土壤、植被未受大的影响。因此，采用该方法进行施工时，对土地的扰动较小，对地表植被的破坏和造成的水土流失也轻。在后期进行水土流失防治时，只需在施工扰动严重区域进行土地整治后撒播草种即可，在其他区域由于施工只产生轻微扰动，并未破坏表土、地表植被、土壤理化性质，因此直接撒播草种即可[3]。

图2 混凝土灌注桩施工扰动现场

3 钢筋混凝土基础

钢筋混凝土基础是最传统的一种基础形式，其安全性较高。在地下水位较高、地表石头较多的地方，一般都用钢筋混凝土基础。相比之下，其施工工期较长、费用高，需进行大量的土方开挖、回填，对土地扰动大，产生的水土流失也较严重。

内蒙古某10 MWp光伏发电项目由于项目区最大冻土深度达到2.4 m，浅层地表主要为石头，且地下水位较高，因此，采用钢筋混凝土独立基础。考虑到地基土承载能力、冻胀性和建筑物抗倾斜要求，基础埋深为1.0 m，基础尺寸为1.2、0.6、1.0 m。根据当地土壤类型，基坑开挖边坡比为1 ∶0.75。因此，一个单位方阵基础开挖的面积为34.02 m2，单位方阵基础土方开挖量为13.23 m3，堆土区、施工机械严重扰动区面积约11.6 m2。该项目总占地30.61 hm2，钢筋混凝土基础施工所产生严重扰动区域面积17.34 hm2，约为总占地面积的56.6%。由此可见，钢筋混凝土基础施工时对土地严重扰动范围较大且对地表植被、土壤理化性质破坏严重，造成土壤抗蚀性下降，产生的水土流失面积很大。施工现场如图3所示。

图3 钢筋混凝土基础施工现场

4 结 语

由以上分析及现场施工图可以看出，在水土流失影响、工期、施工成本方面，螺旋钢桩基础、混凝土灌注桩基础都优于钢筋混凝土基础，但是前两者对土质、地下水位有一定要求，其适用范围有一定的局限性。在满足要求的前提下，从水土流失影响角度考虑应优先采用螺旋钢桩、混凝土灌注桩。但由于太阳能发电是最近10年才兴起的，因此螺旋钢桩、混凝土灌注桩的使用时间也都只有10年左右，远未达到光伏电站设计年限(25年)的要求，其耐久性、稳定性仍然有待观察。

[参考文献]

[1] 殷帅，赖明，刘伊生.我国光伏发电项目规模化发展研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[2] 李智广.中国水土流失现状与动态变化[J].中国水利，2009(7)：8-13.

[3] 刘国彬，李敏，上官周平,等.西北黄土区水土流失现状与综合治理对策[J].中国水土保持科学，2008(6)：16-21.

[4] 周英，田园，王勇.云南省太阳能光伏发电项目水土流失特点和防治对策[J].中国水土保持，2013(5):34-35.