采煤沉陷区光伏场稳定性研究

陈 源

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

采煤沉陷区光伏场稳定性研究

陈 源

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

建设在采煤沉陷区的光伏电站，由于其兼具经济效益和社会效益的优势，已成为我国光伏产业发展的重要趋势之一。从光伏电站的工程特点出发，总结了其稳定性问题的特殊性。通过与房屋建筑工程进行比较分析，讨论了评价沉陷区光伏场建设适宜性的分区标准和光伏场对地基稳定性的影响，建议了光伏场设计中的抗采动措施，以期为采煤沉陷区光伏场的稳定性评价和抗采动设计提供相应的参考依据。

采煤沉陷区；光伏场；地基稳定性；抗采动变形

近年来，我国光伏产业的蓬勃发展，年度新增装机容量已跃居全球第一位。随着市场的日益壮大，光伏发展的形势也发生了一些新的转变。传统的地面荒漠电站虽然建设条件较好，但由于存在远离负荷中心、遭遇限电等问题，开始逐渐被投资商冷落。而建设在采煤沉陷区的光伏电站，由于通常距矿区周边城市较近，且能利用不适宜建设其他建筑物的废弃土地，具有良好的经济效益和社会效益。尤其是在山西大同采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地等重点项目的带动下，已成为光伏产业发展的重要趋势之一。

在采煤沉陷区上新建光伏电站的稳定性问题是论证其可行性的重要依据。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下采煤规程”)给出了建筑物压煤的合理开采与煤柱留设等问题的设计原则[1]。国内外专家学者对采空区沉陷机理、地面稳定性评价、建筑物变形及防护等问题进行了大量的研究工作，取得了一系列丰硕的成果[2-7]。然而光伏项目由于其自身建设内容的特殊性，往往具有构筑物体量小、自重轻、形式简单等特点，其稳定性问题与传统房屋建筑工程不尽相同，亟待对此进行专项研究。

本文从光伏电站的工程特点出发，总结了其稳定性问题的特殊性。通过与房屋建筑工程进行比较分析，讨论了评价沉陷区光伏场建设适宜性的分区标准和光伏场对地基稳定性的影响，建议了光伏场设计中的抗采动措施，以期为采煤沉陷区光伏场的稳定性评价和抗采动设计提供相应的参考依据。

1 光伏场工程特点

光伏电站通常由光伏发电场和升压站或开关站两部分组成。升压站或开关站内的建设内容主要为各生产、生活建(构)筑物，其结构形式、重要性程度等均与普通建筑类似。对其进行稳定性评价可参考相关规范和已有的研究成果。然而，光伏场内主要构筑物——光伏支架及基础、逆变器基础和箱变基础等，则与之不同，其工程特点可归纳为以下几点：

(1)体量小

与普通建筑动辄百米以上长宽的体量相比，光伏场主要构筑物的体量都相对较小。光伏组件通常以一串或两串组件为一个单列，其支架南北向宽度很小，约为2～3 m，东西向宽度相对较长，但也不会超过30 m。逆变器、箱变基础则更小，常规的逆变器和箱变的尺寸约为3 m×5 m，且电气设备还有趋于尺寸更小的态势，与建筑物相比，体量差距很大。

表1 砖混结构建筑物损坏等级

由于光伏场构筑物较小的体量，使得在构筑物范围内由于沉陷引起的不均匀沉降、水平位移、曲率等都相对较小。因此，采空区沉陷对其正常运行的影响也相对较轻。

(2)自重轻

光伏场构筑物的自重通常较轻。单块普通光伏组件的重量不超过30 kg，光伏支架则多采用薄壁冷弯型钢制作，钢结构的重量也较轻，经计算光伏组件及支架折算到基底的附加应力约为20 kPa。逆变器和箱变等电气设备的重量也不大，分别不超过2 t和6 t，加上基础后折算的基底附加应力分别为50、80 kPa。较轻的自重使其对采空区沉陷的影响也相应较小。

(3)容许变形能力强

光伏场构筑物能容许的地面变形也较一般建筑物大。光伏支架通常为静定或一次超静定的钢结构，构件节点则为铰接或允许部分转动的连接形式。当地面发生有限的沉降或水平位移时，光伏支架能随之小幅变形，但仍维持正常工作。即使由于地表急剧变形，导致光伏阵列发生支架倒塌、电缆断裂等不可逆破坏，也不易造成重大的人员伤害或财产损失。

逆变器、箱变等电气设备及基础的容许变形能力低于光伏阵列，但仍优于一般建筑。由于地表沉陷导致基础少量开裂时，通常也不会影响电气设备正常运行。

2 光伏场建设适宜性

为评估光伏场建设的适宜性，需对拟建场地受已有采空区状态影响的地表(残余)移动与变形进行计算与建筑物采动影响分析。“三下采煤规程”推荐采用概率积分法预估地表的移动与变形，经实践证明精度基本可靠。

2.1 普通建筑变形限值

“三下采煤规程”中给了一般建(构)筑物的允许和极限变形值。当地表变形值小于或等于该允许变形值时，压煤开采一般可不采取专门的加固措施或开采技术措施。而预估地表变形值小于该允许变形值时，则可认为建设相应建筑物是适宜的。长度或变形缝区段内长度小于20 m 的砖混结构建(构)筑物损坏等级划分标准，其它结构类型的建(构)筑物参照表1的规定执行。

2.2 光伏场变形限值

由于光伏场内构筑物具有体量小、自重轻、容许变形能力强等特点，如按普通构筑物的变形限值要求光伏场构筑物，则将大幅缩小光伏场的适建范围，无法发挥沉陷区光伏电站利用废弃土地的优势，造成国土资源的浪费。

表3 逆变器、箱变建设适宜性分区标准

综合考虑光伏场构筑物的结构特点和使用功能，参考建筑物的允许变形值规定，建议光伏组件及支架和逆变器、箱变建设适宜性的分区标准及相应的处理原则如表2、表3所示[8]。

表2 光伏组件及支架建设适宜性分区标准

3 光伏场对地基稳定性的影响

当地表半年累计下沉量小于30 mm，此时地表已趋于稳定状态。当在此采空区地表不进行大规模工程建设时，地表会一直保持这种稳定状态。但若在此采空区上地表新建建(构)筑物，由于新建建(构)筑物的荷载向地下有一定影响深度，当这个深度与地下采空区的垮落带、断裂带相交叠时，就会破坏垮落断裂带业已平衡状态，引起采空区活化，而使覆岩重新发生移动变形。

3.1 沉陷区地基稳定性

地下开采引起的上覆岩层移动和破坏，改变了上覆岩土层的工程地质性质，形成了采空区地基工程地质条件。根据矿山开采沉陷理论，煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带[9]。如图1所示。

图1 采空区上覆岩层破坏分带

在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽经多年的压实，仍不可避免地存在一定的裂缝和离层，其抗拉、抗压、抗剪强度明显低于原岩的强度。如果新建建(构)筑物荷载传递到这两带(合称垮落断裂带)，在附加荷载作用下会进一步引起沉降和变形，甚至造成建(构)筑物的破坏，影响其使用。

因此，评估新建光伏场对地基稳定性的影响需要分别计算拟建场址的垮落断裂带发育高度和光伏场主要构筑物的附加荷载影响深度。前者可通过规范推荐的经验公式进行计算，后者的估算则将在下文详细论述。

3.2 光伏场附加荷载影响深度

建(构)筑物的建造使地基土中原有的应力状态发生变化，建(构)筑物荷载的影响深度随荷重的增加而增大。一般情况当地基中建筑荷载产生的附加应力等于相应位置处地的自重应力的20%时，即可以认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计。但当其下方有高压缩性土或别的不稳定性因素，如采空区垮落、断裂带时，则应计算附加应力直至地基自重应力的10%处，方可认为附加应力对该深度处的地基不产生多大影响。该深度即为建(构)筑物荷载影响深度。

根据常规光伏场的基本情况，可估算出其主要构筑物的附加荷载影响深度如表4所示。

表4 光伏场主要构筑物的附加荷载影响深度

由表4可以看出，光伏场主要构筑物的最大附加荷载影响深度为13 m小于一般建筑的附加荷载影响深度(约30 m)。因此，可以推断新建光伏场对沉陷区地基稳定性的影响远小于常规建筑物。通过将表4所列出的附加荷载影响深度与拟建场址的垮落断裂带发育高度进行比较，则可判断新建光伏场会否破坏沉陷区的稳定性以及地表再次发生较大不均匀沉降的可能性。

4 光伏场抗采动变形设计

拟建场地经沉陷稳定性评价合格后，可以开展光伏项目的建设工作。但仍建议对光伏场内构筑物进行抗采动变形设计，进一步确保光伏场的安全运营。光伏场抗采动变形设计依照“调”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均匀沉陷的影响。

4.1 调

根据拟建场地的适宜性分区结果，合理进行光伏场布置。A区场地的稳定性较好，优先布置逆变器、箱变等相对重要的构筑物。B区场地的稳定性中等，适宜布置光伏阵列，如受客观条件制约也可作为逆变器、箱变的建设用地。推荐采用组串式逆变器取代集中式逆变器，以提高光伏系统的可靠度。

逆变器和箱变距离较近，其间有低压交流

电缆相连。如两者间发生较大沉降差，则存在损坏电缆、影响整个光伏方阵出力的风险。因此建议优化设计逆变器和箱变的基础，尽可能保证两者基底附加应力一致。其基础底部还可设置碎石褥垫层，降低基础范围内不均匀沉降的影响。

4.2 抗

逆变器和箱变基础应采用整体性较好的现浇钢筋混凝土箱形基础或条形基础，并配置适量的抗裂钢筋，以抵抗不均匀沉陷引起的裂缝，确保基础的整体性，降低对上部电气设备的影响。不建议电气设备基础采用砌体结构。

4.3 放

光伏支架和基础则主要按照“放”的原则设计。光伏支架采用静定结构，能随有限的地表沉陷而发生相应变形，并仍保持稳定，避免不均匀沉降引起的内部附加应力。尽可能使用短单列或在长单列中设置沉降缝，允许单列间位移，避免沉陷损坏组件。支架基础采用螺旋钢管桩或钻孔灌注桩，与地表变形保持一致。光伏系统各部分电缆均留有适当裕度，且能在小范围内滑动，避免不均匀沉陷损伤电缆。

除此以外，还应在光伏场及周边设置地表和建筑物沉降观测点，定期观测，获取地表沉陷的变化规律和发展趋势，如遇异常沉降等突发情况，及时采取安全措施。

5 结语

本文从光伏电站的工程特点出发，总结了其稳定性问题的特殊性。通过与房屋建筑工程进行比较，讨论了评价沉陷区光伏场建设适宜性的分区标准和光伏场对地基稳定性的影响，建议了光伏场设计中的抗采动措施，得到了以下有意义的结论。

(1)光伏场内主要构筑物具有体量小、自重轻、容许变形能力强等特点，，其稳定性问题与传统房屋建筑工程不尽相同，需要对此进行专项研究。

(2)综合考虑光伏场构筑物的结构特点和使用功能，参考建筑物的允许变形值规定，建议了光伏组件及支架和逆变器、箱变建设适宜性的分区标准及相应的处理原则。

(3)光伏场主要构筑物的最大附加荷载影响深度为13m小于一般建筑的附加荷载影响深度。新建光伏场对沉陷区地基稳定性的影响远小于常规建筑物。

(4)光伏场抗采动变形设计应依照“调”、“抗”、“放”的思路，最大程度的降低地表不均匀沉陷的影响，进一步确保光伏场的安全运营。

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(本文编辑：严 加)

电力简讯

IEC“分布式电源与电网互联”国际标准完成编制并获批通过

2009年以来，国家电网公司代表中国主导成立4个IEC新技术委员会，其中3个承担秘书处，1个担任主席职位；主导成立系统评估组1个；主导制定并发布IEC白皮书3项；在IEC立项国际标准28项，占同期中国在IEC立项标准的23%，主导完成编制IEC标准12项，占同期中国在IEC主导完成编制的19%；在IEEE立项国际标准8项，完成编制并发布6项；在CIGRE立项工作组11个，完成报告编制并发布1项。

2016年，国家电网公司主导制定并完成IEC《全球能源互联网》白皮书，新发起并立项IEC标准2项，主导制定并发布IEC标准6项，主导完成待出版IEC标准1项，主导制定并发布电气与电子工程师学会(IEEE)标准1项，主导成立国际大电网委员会(CIGRE)新工作组4个。

2016年由国家电网公司牵头编制的国际电工委员会(IEC)标准“分布式电源与电网互联” 获得批准。该标准于2012年2月由公司代表中国向IECTC8(电能供应系统技术委员会)发起立项，中国、德国、意大利、法国、丹麦、加拿大、澳大利亚、日本等国家的专家参与了标准的编制工作。

“分布式电源与电网互联”标准作为分布式电源连接到配电网的技术规范，力求满足分布式电源与电网互联的规划、设计、并网、运行等需求，内容涵盖了总体要求、并网方案、开关选择、正常运行范围、抗扰动能力、有功无功响应、电能质量、接口保护、检测控制和通信等各个方面。

标准经过四年多的编制，“分布式电源与电网互联”填补了IEC分布式电源并网标准的空白，增强了公司在IEC并网技术领域的影响力，将为引导世界范围内分布式电源与电网优化互动技术应用、助力中国“互联网+”智慧能源行动计划发挥重要作用。

(本刊讯)

PV Station Stability in Coal-Mining Subsidence Area

CHEN Yuan

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

The PV station built in coal-mining subsidence area, which has the advantage in both economic benefit and social influence, has become one of the most important mode of PV industry development in China. In this paper, the difference of stability problem between PV station and other projects was summarized based on the characteristic of PV station. After comparing with other ordinary building projects, the evaluation criterion of construction suitability was discussed. In order to provide useful guidance to resist mining deformation, some available measures in PV station design were proposed.

coal-mining subsidence area; PV station; foundation stability; mining deformation resisting.

10.11973/dlyny201606023

陈 源(1988)，男，硕士，工程师，从事新能源发电工程结构设计工作。

TM615

B

2095-1256(2016)06-0771-05

2016-10-13