采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的锚固系统结构分析

刘喆，樊森辉，路大卫，赵伟通

摘 要：在采煤塌陷区水域建设水面漂浮式光伏电站，可有效利用闲置废弃的水域，解决了在电力缺口较大且土地资源紧张的地区建设传统地面光伏电站的难题。水面漂浮式光伏电站中，光伏方阵在风荷载、波浪荷载和水流力的作用下，会产生较大的水平荷载，其锚固系统的设计成为难点，同时也是漂浮系统能否可靠工作的关键点。以某采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站为例，对比分析了其锚固方案分别采用预应力高强度混凝土（PHC）管桩和普通重力式混凝土锚固块时的构造设计及经济性，并分析了与两种锚固方案配套使用的钢丝绳构造，最终选出最具经济性的锚固方案。分析结果表明：1）通过计算，锚固方案采用PHC管桩时，锚固设计主要由水平承载力控制；2）为适应光伏方阵在水位变化时产生的位移，锚固方案采用PHC管桩时，其桩头可采用“抱桩器+上下限位”的构造设计；锚固方案采用普通重力式混凝土锚固块时，需要在钢丝绳下增加一段弹力绳；3）在锚固点数量相同的情况下，在平均水深约为5 m的浅水区域，锚固方案采用PHC管桩可以提供更强的锚固力，且经济性较好。

关键词：采煤塌陷区；水面漂浮式光伏电站；锚固计算；预应力高强度混凝土管桩；构造设计；经济性分析

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0  引言

对人口及商业密集、电力缺口较大的中国中东部地区，有限的土地资源为大规模开发地面光伏电站带来难度，而水面漂浮式光伏电站不会占用土地资源，越来越受到行业内的重视并成为热门方向[1-2]。中国于2016年开始逐步推广采煤塌陷区水上光伏发电项目，与日本、美国等国家相比，起步相对较晚但发展迅速。

煤炭作为中国最重要的能源，其大规模的利用和开采对矿区地表产生了一定的破坏，造成地表移动与变形。随着矿区的煤炭资源逐渐匮乏，利用采煤塌陷区水域开发水上光伏电站，不仅可以将已闲置的水面资源进行高效利用，不占用耕地、林地和草地等土地资源，同时光伏发电具有清洁、太阳能供应源源不断、安全等显著优势，可以提高当地的清洁能源利用水平，有助于节约煤炭资源和降低温室气体排放，对改善采煤塌陷区生态环境具有积极促进作用。在采煤塌陷区的水域开发水面漂浮式光伏电站，可有效利用塌陷区闲置废弃的水域，改善水域生态环境，避免占用宝贵的土地资源，实现综合效益最大化[3]。水体对光伏组件有冷却作用，且光伏组件下方无遮挡，东西方向通风良好，开阔的水域面积还可以提高太阳光利用率；另外，光伏组件覆盖在水面上可抑制藻类繁殖，有助于减少水体蒸发和保护水资源，具有独特的优势。在国家相关政策的引导下，在采煤塌陷区的水域开发水面漂浮式光伏电站具有广阔的应用和开发前景[4]。部分采煤塌陷区水上光伏发电项目的规划已通过水电水利规划设计总院组织的评审，并上报国家能源局等待批复。

水面漂浮式光伏电站中，光伏方阵在风荷载、波浪荷载和水流力的作用下，会产生较大的水平荷载，导致其锚固系统的设计成为难点，同时也是漂浮系统能否可靠工作的关键点。基于此，本文以某采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站为例，对其锚固方案分别采用预应力高强度混凝土（PHC）管桩和普通重力式混凝土锚固块时的构造设计及经济性进行对比分析，并对两种锚固方案配套使用的钢丝绳构造进行分析，最终选出最具经济性的锚固方案。

1  荷载计算

本文算例所选的采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站场址区域的原始地貌类型为冲洪积、湖积平原，由于地下煤炭开采，在采空区上方塌陷成盆地，后来积水成湖。地下煤层于2015年前后停止开采，现地面沉降基本达到稳沉，采煤塌陷区水域的平均水深约为5 m，局部最深处约为8 m。

水面漂浮式光伏电站的漂浮系统主要由主浮筒、过道浮筒、支撑纵梁、光伏支架立柱、连接螺栓等构成。本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站中，单块光伏组件的尺寸（宽×高）为2278 mm×1134 mm，重量为27.5 kg；光伏组件采用单排横向布置，光伏组件安装倾角为15°（向北侧倾斜）。1个光伏方阵的东西向总长度约为260 m，南北向总长度约为125 m，共布置7072块光伏组件。单块光伏组件在漂浮系统上的布置示意图如图1所示。

单个光伏方阵中，光伏组件按照“26列+52列+26列”划分为3个分区，每个分区之间设置1列主浮筒，方便布置逆变器并兼做电缆通道。在光伏方阵南北向最外侧各设置两行主浮筒，东西向最外侧各设置1列过道浮筒，且在每两行光伏组件之间设置1行主浮筒。主浮筒的长度大于过道浮筒的长度，但二者的宽度与厚度相同。单个光伏方阵共布置4264个主浮筒，414个过道浮筒。

由于水面漂浮式光伏发电系统的设计使用年限为25年，本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站所在地的25年重现期风压为0.3 kN/m2，25年重现期雪压为0.2 kN/m2，设计采用的水流速度为1 m/s。通过统计浮筒、光伏组件、支撑纵梁和电气设备这4个部分的自身重量，以及每个主浮筒和过道浮筒所能提供的浮力，可计算得到光伏方阵所在浮体的吃水深度为0.2 m。

依据T/CPIA 0017—2019《水上光伏发电系统设计规范》中附录A给出的计算方法，对作用在光伏方阵漂浮系统的风荷载、波浪荷载和水流力进行计算。风荷载、波浪荷载和水流力均会给光伏组件造成水平荷载。由于光伏方阵上的光伏组件为朝向南侧布置，南北向为主要受风方向，因此计算风荷载时，需要分别计算作用在光伏方阵上的南侧来风和北侧来风，风荷载体型系数分别取0.80（南侧来风）和0.95（北侧来风）[5]。作用在光伏方陣上的水平荷载的计算结果如表1所示。

从表1可以看出：光伏方阵的北侧在北侧来风作用下受到的水平风荷载大于光伏方阵的南侧在南侧来风作用下受到的水平风荷载，因此锚固方案设计计算时，光伏方阵的北侧为主受力方向。

2  锚固方案采用锚固桩时的设计

2.1  工程地质

本案例采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站场区的水文地质属于冲洪积、湖积平原孔隙水区，因煤炭采空塌陷，长年积水成湖，地表水丰富。区域内地下水依靠大气降水、地表水、河水补给，排泄方式为侧向渗流和蒸发，属于垂直补给侧向渗流循环类型。通过确定对水面漂浮式光伏电站场区存在影响的采煤工作面边界范围，主要依据采空区类型、开采条件、开采方法及顶板管理方式、终采时间、地表移动与变形特征、顶板岩性等因素，采用开采条件判别法、地表移动变形判别法等方法，对工程场地现状进行稳定性分析评估，评估结论是场地稳定性等级为“基本稳定～稳定”。

2.2  地层结构及特征

对拟建采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的场地进行地质勘察。根据NB/T 10100—2018《光伏发电工程地质勘察规范》[6]，依据拟建工程场地的复杂程度，判定场地等级为1级；依据场地地基的复杂程度，判定地基等级为2级。因此，综合判定本工程勘察等级为甲级。勘察钻孔采用网格状布置，单孔设计钻孔深度为6～20 m。

根据地质勘察报告，拟建水面漂浮式光伏电站场区勘探深度范围内揭露的湖底地层为第四系全新统冲洪积沉积物、第四系上更新统冲洪积沉积物及人工填土等，其中，人工填土仅在很小区域分布，且基岩面埋深较大。根据工程场地所揭露地层的成因、年代、岩性特征及物理力学性质，将其划分为3个工程地质层、9个工程地质亚层。

当本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的锚固方案采用锚固桩时，根据各土层的物理力学性质指标，并结合JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》的推荐来确定锚固桩的参数。工程场地所揭露地层中各土层（由上至下）的岩性特征及对应的锚固桩参数如表2所示。

2.3  PHC管桩的承载力计算

在水面漂浮式光伏电站中，通过锚固桩确保光伏方阵在风荷载、波浪荷载和水流力作用下产生的位移值在一个合理的范围内。锚固桩在使用时主要承受上拔荷载和水平荷载作用，且在长期浸水环境中，水质对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。综合考虑上述因素的影响，本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的锚固桩选用AB型PHC管桩。

由于计算桩基水平承载力时，地基土水平抗力系数的比例系数的计算深度为2（d+1）（其中d为桩的外径），因此桩长对桩基水平承载力计算没有影响，可不考虑增加桩长。根据施工经验，在PHC管桩沉桩施工时，需保证管桩立起后桩顶高出水面，以方便定位和纠正桩身垂直度。综合上述因素影响，PHC管桩的桩长为10 m，施工完成后桩身整体埋没于水中，其中埋在土中的部分长度为7.5 m，土层外露部分长度为2.5 m；由于①-1人工填土层在所有勘探点中仅1处揭露，因此在计算时不考虑本土层的影响。PHC管桩与土层的关系简图如图2所示。

选择3种PHC管桩进行分析，桩型分别为PHC 300 AB 70（外径为300 mm）、PHC 400 AB 95（外径为400 mm）、PHC 500 AB 100（外径为500 mm）。分别计算不同桩型的PHC管桩的单桩水平承载力和单桩竖向抗拔承载力，计算结果如表3所示。其中，计算水平承载力时，按地面处位移10 mm进行控制；计算竖向抗拔承载力时，抗拔极限承载力标准值按照JGJ 94—2008中非整体破坏的条件、单桩自重取其浮重度进行控制。

2.4  PHC管桩桩头的设计

水面漂浮式光伏电站中，光伏方阵的位置会随着水位变化而产生变化。因此，本锚固方案中，在湖底以上外露在土层外2.5 m的桩长范围（即桩头）内，在PHC管桩上桩头处设置可沿着桩头上下移动的抱桩器，以适应水位变化；桩头上下两头各设置1个抱箍，用来限制抱桩器在桩头上的移动范围，抱桩器通过自身设置的4组滑轮在PHC管桩桩头上竖向滑动。PHC管桩桩头的示意图如图3所示。

本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站中，光伏方阵按照当地50年一遇洪水位进行设防，考虑洪水位与常水位的水位变化幅度为1 m。PHC管桩桩头采用“抱桩器+上下限位”的构造，首先，抱桩器的竖向移动行程满足水位变化的要求，在常水位时，抱桩器处于下抱箍处，此时锚固钢丝绳为放松状态，漂浮平台在风荷载、波浪荷载和水流力等水平荷载作用下产生侧向移动；若移动已使钢丝绳达到绷紧状态时，漂浮平台的移动受

到限制，此时荷载作用点距离PHC管桩的嵌固位置较近，由水平荷载产生的弯矩较小。其次，在洪水位时，由于水位升高，光伏方阵主浮筒拉动抱桩器使其沿着PHC管桩从下抱箍处向上移动，在极端荷载组合作用下，主浮筒不受由于钢丝绳绷紧而产生的附加竖向分力，因此不会导致主浮筒的吃水深度加大而淹没光伏组件。最后，在光伏方阵正常运行过程中，钢丝绳为放松状态，抱桩器可防止钢絲绳在PHC管桩桩头处和相邻锚固点的钢丝绳在水流力作用下发生相互缠绕[7-9]。

2.5  不同锚固点布置方案对比

在锚固点间距变化的情况下，对比分析不同锚固点布置方案中采用不同外径PHC管桩时的受力情况。本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站中，光伏方阵的北侧在北侧来风作用下受到的风荷载较大，在洪水位时，PHC管桩桩头上的抱桩器移动至上抱箍处，此时钢丝绳为绷紧状态，调整PHC管桩与光伏方阵主浮筒之间的水平距离，使钢丝绳与水平方向的夹角成为25°。由表1可知：光伏方阵的北侧受到的风荷载（北侧来风）、波浪荷载和水流力按照标准组合，光伏方阵水平方向的整体拉力为879.2 kN。考虑钢丝绳与水平方向的夹角为25°，则竖直方向的整体拉力为410.0 kN。

PHC管桩需要通过钢丝绳与光伏方阵最外侧的主浮筒或过道浮筒上的U型纵梁相连接。若锚固点按照在最外侧浮筒“隔一布一”的方式布置（即布置方案1），则需要在光伏方阵北侧共布置56根PHC管桩，桩中心标准间距为4.8 m。每根PHC管桩需要承受的水平荷载Fx为15.7 kN，竖向上拔荷载为Fy为7.3 kN。对表3计算得到的不同桩型PHC管桩的单桩水平承载力和单桩竖向抗拔承载力进行对比，然后计算采用锚固点布置方案1时不同桩型PHC管桩的单桩水平承载力和单桩竖向抗拔承载力安全系数，计算结果如表4所示。

若锚固点按照在最外侧浮筒“隔二布一”的方式布置（即布置方案2），则需要在光伏方阵北侧共布置28根PHC管桩，桩中心标准间距为9.6 m。每根PHC管桩需要承受的水平荷载为31.4 kN，竖向上拔荷载为14.6 kN。计算采用锚固点布置方案2时不同桩型PHC管桩的单桩水平承载力和单桩竖向抗拔承载力安全系数，计算结果如表5所示。

在洪水位时，PHC管桩上的抱桩器移动至上抱箍处时，抱桩器中心点距离湖底淤泥层顶面的距离为2.0 m，按照PHC管桩的嵌固端与湖底淤泥层顶面的距离为0.8 m计算，则抱桩器中心点与PHC管桩嵌固端的距离为2.8 m。按照标准荷载组合，计算锚固点布置分别采用布置方案1

和布置方案2时水平荷载产生的弯矩，并与各桩型PHC管桩的抗裂弯矩极限值进行对比（抗裂弯矩极限值根据文献[10]进行取值），计算结果如表6所示。

对表4～表6的计算结果进行分析：

1）由表4、表5可知：锚固点布置无论采用布置方案1还是布置方案2，不同桩型PHC管桩的竖向抗拔承载力均有较大的安全余量，因此光伏方阵的锚固设计主要由PHC管桩的水平承载力控制。考虑光伏方阵中各桩的受力不均匀性，安全系数取1.5，则采用布置方案1时不适宜选取外径为300 mm的PHC管桩，采用布置方案2时不适宜选取外径为400 mm及以下的PHC管桩。

2）由表6可知：采用锚固点布置方案1时，外径为300 mm的PHC管桩出现了按标准荷载组合计算的水平荷载产生的弯矩不满足抗裂弯矩要求的情况；采用锚固点布置方案2时，外径为300、400 mm的PHC管桩均出现了按标准荷载组合计算的水平荷载产生的弯矩不满足抗裂弯矩要求的情况。若按照布置方案2的设计进行锚固点布置，单个锚固点的钢丝绳拉力为按照布置方案1的设计进行布置时的2倍。由于PHC管桩需要通过钢丝绳与光伏方阵主浮筒上的纵梁进行连接，因此需要将纵梁和连接件进行加固，以满足强度要求，PHC管桩与浮筒纵梁的连接示意图如图4所示。

综合考虑上述因素，本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的锚固点布置方案选取布置方案1，锚固桩的桩型选用PHC 400 AB 95。

3  锚固方案采用锚固块时的设计

3.1  锚固块的连接构造

除锚固桩外，普通重力式混凝土锚固块由于具有构造简单、施工难度低、可预制的特点，也较多的应用于水面漂浮式光伏电站的锚固设计中。与采用锚固桩的锚固方案不同，锚固桩可借助其桩头“抱桩器+上下限位”的构造应对光伏方阵在水位变化时产生的移动，而采用锚固块的锚固方案则需要依靠锚固块自身重量，同时需要在钢丝绳下设置一段弹力绳，以适应光伏方阵在荷载和水位变化时产生的位移。锚固块的连接构造示意图如图5所示。

3.2  锚固块的重量计算

与上文锚固方案采用PHC管桩时的锚固点布置方案1的布置形式相同，在光伏方阵北侧共布置56个普通重力式混凝土锚固块，钢丝绳与水平方向的夹角同样为25°，每个锚固块需要承受的水平荷载为15.7 kN，竖向上拔荷载为7.3 kN。由于普通重力式混凝土锚固块内配置的钢筋数量较少，自重取值按24 kN/m3计算。为增大普通重力式混凝土锚固块与湖底的摩擦力，沉锚施工前需要清除锚固块范围内的湖底淤泥，同时计入锚固块的浮力。

在受到锚绳拉力作用下，普通重力式混凝土锚固块在水平方向的受力平衡方程可表示为：

Fx=（G–Fy–FF）?                                               （1）

式中：G为普通重力式混凝土锚固块的重力，kN；FF为普通重力式混凝土锚固块的浮力，kN；μ为摩擦系数。

若摩擦系数取0.6，通过式（1）计算得到普通重力式混凝土锚固块的重力为57.4 kN，根据安全系数取1.5，可计算得到最终单个普通重力式混凝土锚固块的重力为86.1 kN，体积约为3.6 m3。为避免在锚绳拉力作用下产生倾覆，需要尽量增大锚固块的底面积并降低其高度，因此，根据计算得到的普通重力式混凝土锚固块体积进行换算，最终锚固方案采用的普通重力式混凝土锚固块的尺寸（长×宽×高）为1.9 m×1.9 m×1.0 m，混凝土强度等级为C30。

4  經济性对比

通过对受北侧来风的风荷载较大的光伏方阵北侧进行计算分析，得到了分别采用PHC 400 AB 95管桩和普通重力式混凝土锚固块的两种锚固方案，单个锚固点需采用10 m长的PHC管桩或体积为3.6 m3的普通重力式混凝土锚固块。依据国家、相关部门及项目当地现行的有关规定、光伏发电工程概算定额、费率标准等，锚固方案材料可以在当地采购，价格按2021年第2季度的价格水平并计入运杂费计算，人工预算单价按照NB/T 32027—2016《光伏发电工程设计概算编制规定及费用标准》执行。对本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站分别采用两种锚固方案时单个锚固点的成本进行计算，计算结果如表7所示。

虽然普通重力式混凝土锚固块构造简单，但需要较大的体积才能有足够的重量，才能为光伏方阵提供足够的锚固力。因此，根据表7，再结合表3的计算结果可知：在锚固点数量相同的情况下，PHC管桩可以提供更强的锚固力，且其经济性要优于采用普通重力式混凝土锚固块时的经济性。综上所述，本采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站的锚固方案采用PHC管桩的成本较低。

5  结论

本文以某采煤塌陷区水面漂浮式光伏电站为例，对其分别采用PHC管桩和普通重力式混凝土锚固块两种锚固方案时的设计及经济性进行了对比分析，得出以下结论：

1） 锚固方案采用PHC管桩时，锚固设计主要由PHC管桩的水平承载力控制，桩长设计除需要满足水平承载力和竖向抗拔承载力外，还需要综合考虑施工时的桩基定位和桩位偏差检测要求，应保证打桩时PHC管桩外露长度满足施工要求。

2） 为适应光伏方阵在水位变化时产生的位移，锚固方案采用PHC管桩时，其桩头可采用“抱桩器+上下限位”的构造设计；锚固方案采用普通重力式混凝土锚固块时，需要在钢丝绳下增加一段弹力绳。

3） 通过对比，在锚固点数量相同的情况下，在平均水深约为5 m的浅水区域，采用PHC管桩可以提供更强的锚固力，且经济性较好。

需要注意的是，现阶段针对光伏方阵内部的锚固设计缺少相关规范要求，可在下一步的工程中继续总结经验和研究。

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ANALYSIS OF ANCHOR SYSTEM STRUCTURE FOR FLOATING PV POWER STATION ON WATER SURFACE IN COAL MINING SUBSIDENCE AREA

Liu Zhe1，Fan Senhui2，Lu Dawei1，Zhao Weitong1

（1. PowerChina Nuclear Engineering Company Limited，Jinan 250102，China；2. Datang Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Heze 274000，China）

Abstract：The construction of floating PV power station on water surface in coal mining subsidence areas can effectively utilize idle and abandoned water areas，solving the problem of building traditional ground PV power stations in the region with a large power shortage and limited land resources. In floating PV power station on water surface，the PV array generates significant horizontal loads under the action of wind load，wave load，and water flow force. The design of its anchoring system has become a challenge，and it is also a key point for the reliable operation of the floating system. This paper takes a floating PV power station on water surface in a coal mining subsidence area as an example to compare and analyze the structural design and economy of its anchoring schemes using prestressed high-strength concrete （PHC） pipe piles and ordinary gravity concrete anchoring blocks，and analyzes the steel wire rope structure used in conjunction with the two anchoring schemes. Finally，the most economical anchoring scheme is selected. The analysis results show that：1） through calculation，when the anchoring scheme adopts PHC pipe piles，the anchoring design is mainly controlled by the horizontal bearing capacity. 2） To adapt to the displacement generated by the PV array when water level changes，when PHC pipe piles are used as anchoring schemes，the pile head can be designed with a structure of "pile gripper + upper and lower limit positions" can be adopted；When using ordinary gravity concrete anchoring blocks as the anchoring scheme，an elastic rope needs to be added under the steel wire rope. 3） When the number of anchor points is the same，in shallow water areas with an average water depth of about 5 m，the anchoring scheme using PHC pipe piles can provide stronger anchoring force and better economic efficiency.

Keywords：coal mining subsidence area；floating PV power station on water surface；anchor calculation；PHC pipe piles；structural design；economic analysis