利用采空塌陷区进行光伏发电工程设计的方法
2015-01-01北京中节智行能源技术咨询有限公司张长存
北京中节智行能源技术咨询有限公司 ■ 张长存
北京聚合电力工程设计有限公司 ■ 马思娟
0 引言
随着人类社会对煤层、矿藏等能源的渴求，大量开采便成为趋势，地面塌陷等灾害也随之而来。后期治理困难、治理费用高，会使土地拥有者多是无可奈何地选择闲置，从而造成浪费。能否利用及如何更好地利用是摆在每个建设者面前的一道难关，解决好此类问题，也就成了设计者的必然职责。
随着光伏发电项目建设的进行，建设区呈多样化发展，受耕地、矿产、林地、风景区等众多因素影响，工程中多利用山区、丘陵区、平原区的闲弃土地进行建设，这也是多方努力、变废为宝的趋势。
工程区选址时会遇到采空塌陷区的问题，拥有者以此类土地闲置可惜而挠头，开发者也为如何利用而苦恼。当前工程用地日趋紧张，光伏项目能否利用及如何利用此类土地，是决策时关注的焦点，已成为设计者必须面对的课题。
鉴于此类工程地质问题的特殊性，本文结合工程实际，进行设计方法探讨。
1 采空区塌陷危害及特点
煤层、矿藏的不断开采，会使地下岩层空置，为上部岩层塌陷提供了发展空间，进而对地表的建筑、人员、设备的安全产生危害。
1.1 塌陷危害
采空区会引起房屋等建筑坍塌，发生人员伤害事件。如国内某村受煤矿开采的影响，农户的窑洞出现了倾斜问题，住户生命财产的安全受到了危胁。国内某镇发生过因房屋下部采空区突然发生塌陷，造成职工休息室内数名矿工被埋的事件。
如果前期对塌陷严重性估计不足，致使地下开采常常伴有不科学、不规范的现象，而后期塌陷危害严重又使当事者忙乱慌张，无所适从，不能科学对待。
1.2 塌陷特点
1.2.1 发展过程不可逆
采空区塌陷的危害性逐渐被社会所认识，但由于引发源在地下，发展过程均不可逆，一般可分为初始期、活跃期和衰退期[1]，如图1所示。
1) 初始期：地表移动开始至活跃期开始阶段。
图1 地表变形分期图
2) 活跃期：在移动过程的延续时间内，地表下沉速度大于50 mm/m(煤层倾角小于45°)或地表下沉速度大于30 mm/m(煤层倾角α大于45°)，可认为是活跃期。
3) 衰退期：活跃期结束到移动期结束后。
1.2.2 治理困难
采空区的地质条件一般均较复杂，且地下巷道多纵横交错，同时可能伴有煤层自燃、突涌水等现象，因此后期治理难度很大。
1.2.3 治理费用高
治理时先需收集资料、分析原因，找出处理措施。因为前期收集资料难度大，且处理对象在地下深部，故而治理费用高。处理时常常会有突发事件发生，这又进一步加大了治理费用。
2 塌陷区勘测评价
对塌陷区上的工程建筑进行合理设计，建立在对其进行客观勘测评价的基础上。
2.1 进行塌陷区的变形分带
开采常常在地下几百米，有的埋深甚至达到上千米，由地下开采位置至地表，一般分为如图2所示几个区域。
图2 塌陷区变形分区
1) 冒落带(I)：采空区顶板在上覆岩体压力下完全塌落，形成冒落带，冒落带的岩土体杂乱堆积，其高度主要受顶板碎胀系数和开采厚度影响，一般为开采厚度2～6倍。
2) 裂隙带(II)：冒落带上部岩体下沉后，会加大原有裂隙张开程度或形成新断裂带，但仍保持地层原结构特征。其高度主要受岩性和开采厚度影响，一般为开采厚度9～28倍。
3) 弯曲带(III)：岩土体下沉顺序为由下至上，至地表后，则以弯曲变形为主要特点，变形会改变其原有应力状态，进而重塑地形。此种弯曲形态可通过测量来取得，一般分为中间区和内、外边缘区[2](见图2)：中间区位于沉陷区正上方，以地表下沉为主，倾斜、水平变形较小；内边缘区位于沉陷区外侧上方，以压缩为主，存在垂直、倾斜、水平变形；外边缘区位于沉陷区外侧矿层上方，产生拉伸变形，甚至形成张裂缝，以倾斜、水平变形为主。
建筑物布置时，先对弯曲带地表进行分区，利用不同分区的不同变形特征分别对待，以期趋利避害。
2.2 估算地表移动参数
从上述变形形态的分析可知，沉陷变形主要表现为沉降、倾斜和水平变形等3个方面，可以分别用参数表示，如图3所示。其中：沉降值为ηB-ηA；水平移动为 ζA-ζB；倾斜为 (ηB-ηA)/l；水平变形为 (ζA-ζB)/l。
图3 塌陷区地表移动变形示意图
以上参数由工程区地质条件及实测变形资料求得。
2.3 稳定性分区
根据相关规范[3]对场地进行稳定性分区。当地表倾斜3～10 mm/m或水平变形为2～6 mm/m的地段作为建筑场地时，应评价其适宜性，此类变形区定义为稳定性较差区(Ⅱ区)；当变形小于上述范围值时，基本适宜建筑，此类变形区定义为基本稳定区(Ⅰ区)。
求解出地表移动参数，并按上述标准进行稳定性分区后，可着重对升压站综合楼及光伏阵列区的建(构)筑物进行必要的变形计算，以确定设计方案。
3 光伏项目建(构)筑物设计
3.1 功能区组成
光伏发电工程主要由光伏阵列区(含逆变器)、升压站两个功能区组成，其间布设线缆连接。
3.1.1 光伏阵列区
光伏板排放上部，光伏板下设支架，对光伏板起抬高、固定作用(见图4)。光伏板按最优倾角布置，布置时需考虑地形因素、遮挡因素。
图4 光伏支架
支架一般由铝合金等金属材料组成，与一般地面建筑物相比，具有易组装、质轻、可承受较大变形等特点。
可通过如下措施，减少变形区对组件的不利影响：组件方向应尽量与变形等高线平行；加大支架高度，减少沉陷影响；减小组件长度，避免变形积累。
3.1.2 升压站区
主要由升压区、配电室及操作或运行维护人员办公区组成。配电室及人员办公场所简单，可设为一层建筑物。建筑物基础应采用抗变形能力较大基础。
3.2 功能区连接
功能区间以缆线连接。
上述光伏阵列区、升压站区的建(构)筑物不同，对变形的要求也不同，设计时应在塌陷区的勘测评价基础上分别对待。
4 塌陷区评价与设计方法实例
受成本投入及建设周期控制，光伏发电工程设计时，通常不考虑对沉陷区进行预治理，塌陷区的评价与设计均是基于现有开采情况。
4.1 开采条件
通过调查，开采地层埋深600～1000 m，开采厚2.5～5.0 m。地表岩层以第四系砂土为主，厚200～300 m。
4.2 塌陷基本参数
采空区勘察是以调查及搜集相关变形观测资料等方式，通过模拟计算来取得地表移动的基本参数。
结果表明，场地内地表最大剩余沉降量发生在西北侧(见图5)，约为2400 mm/m，向东南呈变小趋势；地表剩余倾斜最大值发生在西侧中部(见图6)，约为4.5 mm/m；地表剩余水平变形最大值发生西北侧(见图7)，约为-4.5 mm/m。
图5 地表剩余沉降量等值线示意图
图6 地表剩余倾斜等值线示意图
图7 地表剩余水平变形等值线示意图
4.3 进行稳定性分区
根据地表变形值将场区分为基本稳定区(Ⅰ区)和稳定性较差区(Ⅱ区)，详见图6～7。其中基本稳定区(Ⅰ区)地表倾斜、水平变形分别小于3 mm/m、 2～6 mm/m，稳定性较好。
4.4 建(构)筑物设计
4.4.1 总体布置调整
进行光伏区、升压站区布置时，一般需考虑地形、地质、地类、交通、送电接入条件等因素。
鉴于场区东侧变形小的特点，建(构)筑物应优先布置在基本稳定区(Ⅰ区)内，升压站区建筑抗变形能力较差，应尽量布置在变形最小区域。
4.4.2 光伏组件排列
加大支架高度，增至1 m，抵消沉陷影响；根据地表变形参数，确定组件长度，避免光伏板变形破坏。
4.4.3 建筑物基础
尽量减少建筑物基础面积，并应采用抗变形能力较大基础类型，如整体板状基础。
4.4.4 变形观测
进行变形观测，验证前期结论，对可能出现的问题进行分析、论证。
5 结论
本文结合工程实际情况，以场址的塌陷评价为基础，针对光伏建(构)筑物的固有特点，首先对工程进行稳定性分区，在最稳定的地区优先放置抗变形能力弱的建筑物；其次对建(构)筑物变形进行验算，确定组件排列长度及建筑物基础类型等重要设计方案，从而使闲置土地得到利用成为可能。
毋庸置疑，地面塌陷恶化了场区原地质条件，有时会与水体、滑动土体及其他不良地质因素叠加，形成复杂的作用。这也是设计时难以把控的，因而安排变形观测工作便不可或缺，观测值除可验证前期设计的合理性外，也为今后此类工程的设计积累宝贵经验。
[1] ISBN 7-5020-1662-7/TD7-65，建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].
[2] ISBN 978-7-112-08828-7，工程地质手册(第四版)[S].
[3] GB 50021-2001，岩土工程勘察规范(2009版)[S].
