环境条件对光伏支架基础形式的影响及应对策略

文/刘敏华

太阳能是资源丰富、分布广泛、开发潜力巨大但已开发比例最低的可再生能源。中国太阳能资源丰富，十分适合发展光伏发电。2013年我国能源局下发《关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，根据各地太阳能资源条件和建设成本，将全国分为三类太阳能资源区。Ⅰ类资源区主要集中在西北部，土地以未利用荒漠、戈壁、退化草场为主，土地成本相对较低，但电力负荷低存在限电可能性。Ⅲ类资源区主要在东南沿海经济发达地区，电力消纳能力强，但土地资源稀缺，可用于开发光伏电站的大面积土地少，土地成本高。中部广阔地带为Ⅱ类资源区，其土地成本与电力消纳能力均有相应优势，是大规模光伏发电项目的优选之地。

虽然Ⅱ类资源区分布区域最广，经纬度跨度较大，但其大部分区域主要位于我国北纬35º之北，具有独特的气候环境和地质条件。鉴于光伏阵列支架基础是光伏发电项目最基本的，也是数量最多的土建构件，在这样的条件下如何选择合理的设计方案，是影响项目造价的重大因素。本文拟结合陕西榆林小壕兔200MWp并网光伏发电项目的工程实践，从环境影响、地基土性质、工程造价等各方面进行了分析，对北纬35º以北之典型Ⅱ类资源地区光伏阵列支架基础形式的合理选择进行探讨。

表1 地基土承载力特征值建议值

1.项目地环境、气象、地质特点

1．1 概况

榆林市位于陕西省最北部，地处北纬38º地区。小壕兔200MWp并网光伏发电项目地的环境、气象、地质特点，正反映了我国Ⅱ类资源区分布区域的主要特征。

榆林地区地貌大体以长城为界，北部为风沙草滩区，南部为黄土丘陵沟壑区。地面标高在1300m～1315m之间。气候属暖温带和温带半干旱大陆性季风气候。多年最高温度区间为38.6℃～-32.7℃；属于季节性冻土区域，多年最大冻土深度为128cm，年最多冻融次数73次；多年平均风速1.9m/s；多年平均沙尘暴和雷暴日数分别为33日和29.2日。

拟建场地地形开阔，多为半固定沙丘，沙丘呈波状起伏。场地及周边无冲沟、滑坡、泥石流、地下洞穴等不良地质作用。拟建场地适宜性较好。

1．2 地质条件

根据实地钻探揭露并结合室内土工试验，主要土性为第四系风积、冲洪积、湖积的砂类土、一般粘性土等。按其时代成因、工程地质特征，自上而下共分为四个单元土层∶

第①层，粉细砂(Q4eol )：棕黄色、黄白色;稍湿;松散;主要为粉细砂，该层厚0.20m～3.50m。

第②层，细砂(Q4eol)：棕黄色、灰棕色；包气带过渡至饱水带；松散，连续分布；颗粒较为均匀，级配不良；含泥量20%，局部夹灰色粉土质砂，靠近水位线位置局部含泥质或中砂。该层厚1.00m～4.10m。

第③层，细砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色、黄色；稍密～中密，连续分布；水位线以下砂质较纯净，颗粒较为均匀，级配不良；含泥量10%～20%，局部见少量中砂。该层厚0.4m～2.10m。

第④层，细砂(Q4eol)：灰棕色、灰白色；密实，连续分布；分选性好，颗粒较均匀，含泥量10%。在最深孔15.00m范围内未钻穿该层。

1．3 水文地质条件

在勘探深度范围内，场区地下水类型为松散层孔隙潜水，主要赋存于第四系全新统砂中，稳定地下水位0.80m～3.00m，年水位涨降幅度在0.80m左右。地下水补充主要以大气降水为主，排泄以蒸发和地下径流为主。

场地浅层地下水和地基土对混凝土结构、对混凝土结构中的钢筋及对钢结构具有微腐蚀性。

2.场地环境对光伏阵列基础形式的影响

2．1最大风速影响分析

本工程地处荒地，场址平坦四周无遮挡。场址区多年平均风速为1.9m/s，太阳能电池组件迎风面积较大，组件支架及其基础设计必须考虑风荷载的影响，并以抗风能力在23m/s风速下不损坏为基本原则。另外，在有风的天气环境下有利于光伏组件板散热，从而有利于发电量的提高。基本风压0.40KN/m2。

2．2积雪影响分析

太阳能电池板最低点距地面距离H的选取主要考虑以下因素：一是高于当地最大积雪深度；二是防止动物破坏； 三是防止泥和沙溅上太阳能电池板；本次设计H可取为0.5m。故场址区最大积雪对太阳能电池板的安全性没有影响，但在雪后晴天应及时清理组件板上的积雪。由于雪对光的反散较好，因此，场地周围如有积雪有利于发电量的提高。基本雪压0.25KN/m2。

2．3沙尘暴影响分析

场址区年平均沙尘暴天数为33天/年。沙尘暴天气时空气混浊，大气透明度大幅降低，辐射量也相应降低，会直接影响太阳能电池组件的工作，对光伏电站的发电量有一定影响，故本工程实施时需要考虑采取防风沙措施，在项目运行期间应及时对太阳能电池组件进行清洗。但对基础形式并无影响。

2．4地基土冻胀性影响分析

该区域属于季节性冻土，多年最大冻土深度为128cm，年最多冻融次数73次。反复的冻融和冻胀会对冻土层地基产生扰动，位于浅层的建（构）筑物基础会出现不稳定，使光伏阵列支架产生位移，影响太阳能辐射的接收。故基础设计时需要考虑采取防冻融和冻胀措施。在冬季施工时，不得使基坑土受冻，除按冬季施工规定施工外，要做到随挖随填，不得自冻土填料。

2．5地基土性质的影响分析

从表1来看，即使考虑最大风荷载与雪荷载，浅层土的地基承载力也能满足上部构件的荷重。该场地内无湿陷性土。岩土中易溶盐含量小于0.3%，故该场地土为非盐渍土。但由于场地内都为砂土地层，土层干燥、含水少、结构松散，粘结性和稳定性较差，当基坑开挖后坑壁稳定性能大大降低，在雨水渗入或人为扰动、堆载等情况下容易造成塌方，从而影响人身安全、施工进度和工程质量。

地层结构较为简单，除第一层粉细砂和第二层细砂为松散状外，其下地层为稍密至密实状，无地质作用，无特殊性岩土。15m深度内不存在大粒径的砾石，对沉桩无影响。

2．6地表、地下水的影响

场区地下水类型主要为松散层孔隙潜水。浅层地下水和地基土对混凝土结构的腐蚀等级为微腐蚀，对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀等级为微腐蚀，对钢结构腐蚀性等级为微腐蚀。施工筑路时，需在路基两侧内底部设置排水沟，排除由降雨降水引起的地表水，减少路基土含水率，做到防冻土危害的目的。

2．7地震液化的影响

场地地基土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类。该场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s。一般情况下可不进行液化判别和地基处理。

从以上分析可知，该场地环境对光伏阵列基础形式的影响主要应考虑地基土的性质及其冻胀性因素，据此提出合理的设计方案。

3.光伏阵列不同基础形式的比较

光伏阵列基础主要形式有：条形基础、钻孔灌注桩基础、预制桩及螺旋钢桩。

3．1条形基础

光伏阵列支架前后支腿距离为1.8m，左右支架间距为3.036m，如采用条形基础，根据上部结构传递的荷载计算其面积，单侧条基尺寸400 mm*600 mm*2800mm。采用C30混凝土浇筑，基础垫层为100mm厚C20素混凝土。每套光伏电池组件基础混凝土浇筑量为1.344m3。基础上需做钢结构支架，材质选用Q235C。

优点：适用于地形起伏不大的场地，土方开挖量适中。基础平面定位及基础顶高程容易控制，基础埋深自然地面下-0.2m，持力层为②层土，地基能很好地承受竖向荷载。

缺点：在设计支架基础时需要考虑其抗冻稳定性，一般需设置沙砾垫层换掉部分冻胀土。施工需尽可能避开雨季，以免雨水或施工用水浸入基坑。对场地平整度要求较高，有一定的土方开挖量，当基坑开挖后坑壁稳定性能大大降低。扰动自然地表，破坏绿化植被。上部结构的水平荷载、上拔力要靠基础自重承受，钢结构支架与基础要另行联结。

3．2混凝土预制桩

优点：预制桩桩身质量容易控制，现场施工速度快。预制桩基本没有开挖量，对地表破坏少。桩身摩阻力可很好地承受竖向荷载、水平荷载、上拔力。

缺点：按构造要求，预制桩身用钢量比钻孔灌注桩大。施工时，需有吊机将桩体运输定位，设备对场地的平整度要求较高，故预制桩造价相对较高。此外，按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）3.4.3条规定“为减少和消除冻胀或膨胀对桩基的作用，宜采用钻（挖）孔灌注桩”，主要靠土体挤密提供侧阻力的预制桩在冻土地区的适用有局限性。

3．3混凝土钻孔灌注桩

优点：设计不同的桩长可起到防冻土危害的目的，适用于地形起伏较大的场地，用钢量较少，造价较低。

缺点：桩身质量不易控制，现场施工速度慢。现场泥浆污染和施工用水的问题不易解决。钻孔时有土方开挖地表破坏现象。需另外考虑防地下水腐蚀措施。

3．4 螺旋钢桩

优点：由工厂预加工，防锈防腐一次完成。现场施工速度快。设计不同的桩长可起到防冻土危害的目的。钢结构支架与基础可直接联结。造价相对较低。

缺点：适用性受地层岩性影响大，如大粒径的砾石层可能就无法钻入。在腐蚀性地基中应用需考虑防腐。

4.光伏阵列基础形式的比较确定

光伏阵列由多晶硅光伏板和支架构成，自重并不大，因此在初步设计时曾建议采用天然条基。这一方案施工方便造价较低，但却忽视了对场地地表土的破坏和冻土性质的影响。反复的冻融冻胀会在地面造成沉降或隆起，对其上的光伏阵列产生不稳定性。因此设计拟改用4m长250*250的预制钢筋混凝土方桩的基础方案。

在造价咨询过程中提出：改用方桩基础方案虽然解决了冻土影响的问题，但其承载力大大超出了上部多晶硅光伏板荷载的需要。不但造价高，且方桩需在现场预制，工期也将延长。故建议采用1.8mΦ76*4钢管螺旋桩：从地质资料来看，地表以下各土层均为粉细砂或细砂层，钢管螺旋桩的承载力完全可满足上部荷载要求；《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）第3.4.3条第1款规定“桩端进入冻深线以下的深度，应满足抗拔稳定性验算要求，且不得小于4倍桩径，最小深度应大于1.5m”，1.8m钢管螺旋桩方案也能完全满足此要求，何况光伏阵列支架为轻型构筑物，安全重要性级别可适当降低。

表2 四种方案造价情况

各种方案的造价分析见表2。

光伏阵列的基础形式最终按钢管螺旋桩方案执行。除了确保工期外，采用钢管螺旋桩每根桩节约584-112=472元，光伏阵列基础共计189900根桩，共节约成本472元/根*189900根≈8963万元。

5.结束语

经过多年实践，中国已经完全掌握了太阳能发电技术。但要准备对外输出技术，还需进一步降低成本，做到比其他国家效益更高。从已经完成的项目来看，光伏发电项目的投资占比与常规建筑项目不同，其设备部分占总投资的一半以上但主要由市场采购，而土建部分主要为支架、变压站、架空铁塔等。支架基础虽然简单，但由于数量庞大，此项投资会占土建投资的大部分。从全过程造价咨询的理念着手，应考虑的问题除了土建安装施工中常规的重点外，更应重视环境、地质等因素对支架基础的设计方案的影响，以创造出良好的经济效益和社会效益。