光伏支架基础形式介绍及基础设计的探讨

张海锋，马 娜

(1.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，西安 710054；2.西安理工大学，西安 710048)

0 引言

近10 年间，中国光伏发电装机容量迅速扩张，规模效应显著；再加上“领跑者”等项目的带动和促进，光伏发电技术的发展迅速。虽然目前光伏发电的成本仍高于传统火电，但其在经济效益上处于弱势地位的局面将逐步得到改变。

2019 年第1 批光伏发电平价上网项目已进入实施阶段，2020 年将继续促进光伏发电平价上网项目的发展。而若要实现光伏发电平价上网，对光伏电站进行更精细化的设计至关重要。光伏电站中光伏支架基础的数量庞大，是光伏电站必不可少的组成部分，其占光伏电站直接投资的比例约为10%；与此同时，支架基础的形式及其几何参数的选择不仅与支架结构的安全密切相关，也关系到施工的进度和光伏电站的投资效益。因此，对光伏支架基础的布置方式、基础形式及基础设计进行分析研究尤为必要。本文依据大量设计经验，对光伏支架基础的布置方式和形式进行了介绍，并对各种类型光伏支架基础的设计进行了探讨，以期为光伏电站支架基础的合理选型和优化设计提供参考。

1 光伏支架基础的布置方式

光伏支架的形式不同，支架基础的布置方式亦不同。1)当光伏组件以固定倾角安装时，根据组件的距地高度不同，选用的支架形式也不同。当组件距地高度较低时，支架一般采用双立柱形式，相应地支架基础采用前后双排的布置方式；而在农光互补或渔光互补项目中，由于组件距地高度较高，因此支架一般采用单立柱形式，相应的支架基础则采用单排的布置方式。2)固定可调支架一般采用单立柱形式，相应的支架基础亦采用单排的布置方式。3)单轴跟踪光伏支架一般采用单立柱形式，支架基础采用单列的布置方式。4)双轴跟踪光伏支架一般采用独立的单柱形式，对应的支架基础采用独立基础单个布置的方式。

除上述根据光伏支架形式选择支架基础的布置方式是双排、单排、单列或单个布置以外，支架基础的布置方式还应根据光伏电站场址的地基情况进行选择，对于地质条件较差、存在显著不均匀沉降的地基，宜优先选择单排基础布置方式。

2 光伏支架基础的受力特点

由于光伏支架支撑的光伏组件较轻，组件恒荷载一般约为0.12 kN/m2，且支架本身通常采用冷弯薄壁型钢，自重较小，一般约为0.10 kN/m2，而支架所受风荷载一般都超过0.3 kN/m2，因此，光伏支架基础设计时的控制荷载一般为风荷载[1]。

风荷载存在风压和风吸2 种不同的工况，由于工况不同，支架基础的受力形式也不相同。在风压作用下，竖向压力和水平推力是支架基础的主要受力形式；而在风吸作用下，上拔力和水平推力是支架基础的主要受力形式。

3 光伏支架基础形式及基础设计

光伏支架基础形式主要包括混凝土独立基础、混凝土条形基础、加拉梁的混凝土条形基础、预应力管桩基础、型钢桩基础、螺旋桩基础、混凝土灌注桩基础、机械成孔钢管地锚基础，以及锚杆基础等，下文将分别进行介绍与分析。

3.1 混凝土独立基础

3.1.1 基础特点及适用范围

混凝土独立基础由底部扩大基础及其上一定长度的短柱组成。该类基础的优点是形式简单、技术成熟；缺点是施工时的工程量大，对生态环境的破坏较大。

混凝土独立基础适用于除中等风化～未风化岩石和流塑～软塑黏土之外的其他所有岩土条件[2]。

3.1.2 基础设计

支架向下传导的力有水平力、竖向力和弯矩。对于混凝土独立基础而言，一般需要考虑竖向抗压承载力、竖向抗拔承载力和抗倾覆稳定性。对于竖向抗压承载力，由于光伏组件及支架自身的重量小，因此基础的竖向抗压承载力一般均能满足要求。

支架基础采用单排和双排布置方式时均可采用混凝土独立基础，但布置方式不同，基础设计时的计算重点也会有所区别。采用单排布置方式时，应对混凝土独立基础进行抗倾覆稳定性计算，确定基础的几何参数后再验算其竖向抗压承载力。

对于采用双排布置方式的混凝土独立基础，在风吸作用下，通常后排混凝土独立基础所受的拉力较大，应对其进行竖向抗拔承载力计算，根据计算结果来确定基础的几何参数，之后再进行抗压和水平承载力验算。

3.2 混凝土条形基础

3.2.1 基础特点及适用范围

混凝土条形基础有2 种布置形式，一种是沿支架长度方向布置，一种是沿支架前后方向布置[2]。此种基础的优点是形式简单、施工方便，可在一定程度上调节不均匀沉降；缺点是施工时的工程量大。

混凝土长形基础适用于除中等风化～未风化岩石和流塑～软塑黏土之外的其他所有岩土条件。

3.2.2 基础设计

对于混凝土条形基础而言，其埋置深度一般较浅。但当埋置深度小于0.5 m 时，需考虑基础的滑移问题，因此应进行混凝土条形基础的抗滑移稳定性验算。

对于沿支架长度方向布置的混凝土条形基础而言，由于支架后柱在风吸作用下所受拉力较大，因此应对混凝土条形基础进行抗拔承载力计算，根据计算结果确定基础的几何参数，然后再进行其竖向抗压承载力验算。

对于沿支架前后方向布置的混凝土条形基础而言，在支架前后方向的水平力和弯矩作用下，通常混凝土条形基础的抗倾覆稳定性计算结果决定了基础的几何参数。

3.3 加拉梁的混凝土条形基础

3.3.1 基础特点及适用范围

为了调节混凝土条形基础的不均匀沉降，在与混凝土条形基础垂直的方向上增加拉梁，形成一个条形联合基础，即为加拉梁的混凝土条形基础。此类基础的优点是整体性好，能调节基础的不均匀沉降[3]；缺点是施工时的工程量较大。

此类基础适用于除中等风化～未风化岩石和流塑～软塑黏土之外的其他所有岩土条件。

3.3.2 基础设计

加拉梁的混凝土条形基础设计时的计算方式可在考虑拉梁影响的前提下，参照混凝土条形基础设计时的计算方式。

3.4 预应力管桩基础

3.4.1 基础特点及适用范围

预应力管桩基础一般由预应力管桩桩身、钢套箍、不同形式的预应力管桩桩头组成，但此类基础与光伏支架结合时，一般采用无桩头的预应力管桩。此类基础的优点是相较于混凝土灌注桩，其抗裂弯矩与极限弯矩值较高，有利于防止基础被腐蚀，同时基础施工效率高；缺点是对于地基较硬的场址，入桩困难。

预应力管桩基础适用的岩土条件为：残积土、全风化岩石、松散～稍密的砂土、粉土及黏土。3.4.2 基础设计

在农光互补、渔光互补等光伏项目中，光伏支架基础形式一般采用预应力管桩基础，同时为了减少基础数量，一般采用单排基础布置方式。在各种荷载作用下，此类基础的管桩顶部会受到竖向拉力(或压力)、水平力和弯矩等作用。

在光伏组件安装倾角较小时，管桩顶部所受竖向拉力较大，因此需首先计算基础的竖向抗拔承载力，确定基础的几何参数，然后再验算基础的水平承载力和抗倾覆稳定性。

在光伏组件安装倾角较大时，管桩顶部所受水平力和弯矩较大，此时在这2 种力作用下的抗倾覆稳定性起到了控制作用。在基础设计时，一般先计算基础的抗倾覆稳定性，然后确定基础的几何参数，最后验算基础的水平承载力和竖向抗拔承载力。

3.5 型钢桩基础

3.5.1 基础特点及适用范围

在人工成本较高的国际光伏项目中，平单轴跟踪光伏支架常采用型钢桩基础，基础与支架立柱结合成一体。此类基础的优点是施工速度快；缺点是型钢桩的截面一般较小，因此其承载力相应较小，而且对于腐蚀环境而言，型钢桩的防腐能力较差。

型钢桩基础适用于残积土、全风化岩土、圆砾碎石土、角砾碎石土、砂土、粉土及可塑～坚硬黏土等岩土条件。

3.5.2 基础设计

由于型钢桩基础多与平单轴跟踪光伏支架结合，且常采用单列基础布置方式，因此其基础设计时的计算方式可参照预应力管桩基础设计时的计算方式。

3.6 螺旋桩基础

3.6.1 基础特点及适用范围

螺旋桩基础的钢桩杆上连接1 个或多个螺旋状叶片，并通过在桩基顶部施加扭矩，将桩基旋拧钻入土中，形成一种可承受竖向和水平向荷载的基础。

此类基础的优点是可在工厂内加工制作，质量易控制；基础施工完成后可立即进行光伏支架的安装，减少整体的施工周期；当光伏电站达到设计年限后，钢桩可回收利用，同时场址内的基础可彻底清理干净，易于恢复植被。缺点是施工时土中硬质颗粒可能造成基础防腐层的破坏。

螺旋桩基础适用的岩土条件为残积土、全风化岩土、卵石碎石土、碎石碎石土、圆砾碎石土、角砾碎石土、砂土、粉土、流塑～软塑黏土及可塑～坚硬黏土。

3.6.2 基础设计

螺旋桩基础可承受竖向力和水平力。在对其竖向承载力特征值进行估算时，桩身周长根据桩身在土中位置的不同，可采用0、πD(D 为螺旋桩叶片直径)或πd(d 为桩身直径)；对螺旋桩基础水平承载力特征值进行估算时直径取d。

螺旋桩基础常采用双排基础布置方式，其所受荷载主要为上拔荷载和水平荷载[4]，因此对此类基础进行设计时的计算时，一般根据风吸工况下螺旋桩基础的抗拔力来确定基础中钢管桩的几何参数，然后验算基础的水平承载力和抗压承载力。

3.7 混凝土灌注桩基础

3.7.1 基础特点及适用范围

混凝土灌注桩基础为目前光伏支架基础的首选基础形式。此类基础的优点是工程量小、承载力较强。缺点是施工工序较为繁琐，控制施工质量的工作量大；当混凝土灌注桩外露高度较高时，露出地面的混凝土灌注桩常采用波纹管做模板，但波纹管刚度一般不够，因此外露部分的混凝土灌注桩质量无法得到保证，存在安全隐患。

混凝土灌注桩基础适用的岩土条件为除流塑～软塑黏土之外的其他所有岩土条件。

3.7.2 基础设计

双排、单排及单列基础布置方式中均可采用混凝土灌注桩基础。

采用双排基础布置方式时，此类基础所受的主要荷载通常为水平荷载和上拔力。在进行基础的设计计算时，可根据上拔力的大小来确定抗拔力的大小，然后根据抗拔力的大小来确定混凝土灌注桩基础的几何参数，然后再验算基础是否满足水平荷载和竖向承载力。

采用单排或单列布置方式时，此类基础所受的主要荷载通常为水平荷载和桩顶弯矩。在进行基础的设计计算时，可根据基础的抗倾覆稳定性计算来确定基础的几何参数，然后再验算基础是否满足水平承载力和竖向受压承载力。

3.8 机械成孔钢管地锚基础

3.8.1 基础特点及适用范围

机械成孔钢管地锚基础由镀锌钢管、焊接于钢管上的钢筋及桩身混凝土组成。此类基础的优点是镀锌钢管的直径较小，可以解决某些山地光伏电站不易采用机械成孔方式的问题；同时，基础的镀锌钢管和支架的钢管立柱采用插接方式，可以通过插入的不同长度来调节立柱的高度，从而保证同一个支架单元上的光伏组件处于同一个平面内，减少支架和组件安装的难度。此类基础的缺点是镀锌钢管直径小、基础承载力较小，不适用于需要基础提供较大承载力的情况。

此类基础适用的岩土条件为除流塑～软塑黏土之外的其他所有岩土条件。

3.8.2 基础设计

机械成孔钢管地锚基础常用于双排基础布置方式，其所承受的荷载一般为水平荷载和上拔力。进行基础设计计算时，可根据基础所受上拔力的大小来确定需要的抗拔力大小，再根据抗拔力的大小来确定机械成孔钢管地锚基础的几何参数，然后验算基础是否满足水平荷载的要求。

3.9 锚杆基础

3.9.1 基础特点及适用范围

锚杆基础是由设置于岩土中的锚杆和与锚杆相连的混凝土承台或型钢承压板共同组成的一种基础形式。

锚杆基础的优点是可充分利用岩石坚固耐久和钢筋抗拉强度高的特性，在施工难度较大的山区采用此类基础可缩短光伏电站的建设周期、节省材料、保护环境；缺点是基础浇筑后需要达到一定强度后，才能进行上部支架的安装。

锚杆基础适用的岩土条件为中等风化～未风化岩石。

3.9.2 基础设计

锚杆基础一般承受竖向拉力、竖向压力、水平力和弯矩等，竖向压力和水平力由锚杆基础混凝土承台或型钢承压板传递给岩石，竖向拉力和弯矩一般由锚杆抗拉承受。

对于双排基础的布置方式，通常情况下，基础所受竖向拉力较大，因此此时应对锚杆基础的拉力进行验算。对于单排基础的布置方式，通常情况下，基础所受弯矩较大，此时抗倾覆稳定性起主导作用，按规范要求选取稳定系数后，可计算得到所需的抗倾覆弯矩，抗倾覆弯矩由锚杆自重和锚杆基础竖向拉力对基础混凝土承台或型钢承压板边沿取矩得到，从而可以得到所需的锚杆拉力，然后确定锚杆基础的几何参数，并对其进行设计。

4 结论

2019 年是我国光伏产业实现由补贴推动向平价推动转变的起始年，2020 年是光伏发电平价发展的关键年，光伏电站建设成本必将进一步降低。这一发展趋势要求光伏电站的设计向精细化设计发展，本文对量大面广的光伏支架基础的布置方式、基础形式和基础设计进行了全面的探讨，以期为光伏支架基础的合理选型及优化设计提供有益的参考。