近海滩涂光伏桩基施工工艺探讨

2024-07-06宋政昌王超周成龙魏玉平

人民长江 2024年13期

宋政昌王超周成龙魏玉平

摘要：作为近海滩涂光伏项目的关键组成部分，桩基施工方法的选取直接影响到光伏系统的稳定性和运行效率。深入分析了近海滩涂光伏桩基施工面临的技术挑战（地质条件复杂、施工环境恶劣、环保要求高）、施工工艺、施工关键技术（桩位标定及桩基运输、施工、安装等）以及施工常见问题（桩身倾斜、断裂及桩基承载力不足等），并针对性地提出了相应解决方案。研究成果可为未来近海滩涂光伏项目施工提供参考和技术支持。

关键词：近海滩涂；光伏系统；桩基施工；施工方法

中图法分类号： TU744

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.032

0引言

随着全球气候变化和环境问题的日益严重，太阳能开发和利用已成为全球能源转型的重要方向。目前中国大型地面光伏项目分布较为分散，早期以具备优秀资源条件的西北地区为主，经 2017年大规模快速建设之后，大型地面项目由西北向东、中部转移，特别是在靠近电力负荷中心的东南沿海建设光伏电站是当前热点［1-2］。中国拥有1.8万km海岸线，发展海上光伏不仅可以解决土地问题，还具有天然的环境优势，预计海上光伏装机规模超过70 GW［3］。沿海滩涂资源丰富，总面积达151.23 万hm2，其中95%以上分布在大陆岸线的潮间带［4］。滩涂光伏电站建设有助于改善当地能源结构，缓解供电压力，促进经济绿色健康发展［5］。

近海滩涂作为一种特殊的土地资源，主要指平均高潮线以下低潮线以上的沿海区域，即沿海大潮高潮位与低潮位之间的潮间地带。所以，近海滩涂既属于土地，又是沿海海域的组成部分，是陆地生态系统和海洋生态系统的交错过渡地带。近海滩涂具有光照充足、土地广阔等优势，是太阳能光伏项目开发的理想场所。近海滩涂光伏开发不仅可以提高可再生能源的利用率，还可以促进地方经济发展，改善能源结构，具有重要意义。然而，与陆地光伏项目相比，近海滩涂光伏项目的桩基施工面临着更为复杂的地质环境、更高的技术要求以及更严格的环保标准。因此，如何选择合适的桩基施工方法，确保施工质量和安全，成为了近海滩涂光伏项目成功的关键。基于此，本文深入分析了近海滩涂光伏桩基施工面临的技术挑战、施工工艺、施工关键技术、施工常见问题及相应的解决方案，以期为近海滩涂光伏项目施工提供参考。

1施工技术挑战

1.1地质条件复杂

近海滩涂地区地质条件复杂多变，包括软土、淤泥、砂土等多种土壤类型，与传统光伏电站项目相比，海上滩涂光伏项目存在地基承载力较弱、土方施工困难、地下水位浅、腐蚀性较强等特点，给桩基施工带来了很大的技术挑战［6］。不同类型的土壤对桩基的承载力和变形性能有不同的要求，因此需要选择合适的桩基类型和施工方法。

地质环境对近海滩涂光伏桩基施工的影响主要表现在以下几方面：① 滩涂施工区域虽然地势起伏不大，各基础点位高程也不一致，但常规施工方案要求光伏支架基础顶部达到统一控制高潮水位，精确控制施工桩基的高程，造成滩涂光伏桩基施工难度和施工成本居高不下。② 滩涂地区表层一般为第四系沉积物，要么是松散—稍密的粉砂、粉土类为主的砂性土地基，要么是淤泥及淤泥质为主的软土地基，深部多为中密或高密鹅卵石，地质条件较为复杂，采用常规打桩机进行基础施工，施工难度大。③ 由于滩涂土质松软，桩基易发生不均匀沉降，桩基垂直度难以控制，容易导致后期光伏支架组件倾角偏移，引起光伏电池板倾斜角度偏移使发电量减少。④ 滩涂光伏施工装备一般质量较大，松软的滩涂地上承载能力差，对施工装备的移动和施工效率造成极大困扰［7］。

针对不同地区近海滩涂的地质条件，需选择合适的桩基施工方法和设备，确保桩基的稳定性和承载力。同时，还需进行详细的地质勘探和试桩工作，以获取准确的地质参数和施工经验。

1.2施工环境恶劣

近海滩涂地区施工环境恶劣，常受到潮汐、风浪、水流等因素的影响，这些环境因素不仅增加了施工难度，还可能对桩基的稳定性和安全性造成威胁。因此，需要采取一系列措施来应对恶劣的施工环境，确保施工质量和安全。

滩涂地区受潮汐影响大，水位涨落可能导致施工设备、材料被淹没或冲走，增加施工难度和成本。同时，潮汐也可能影响施工进度，需要施工单位合理安排施工时间，避开涨潮时段。滩涂光伏施工区域落潮期地貌见图1，涨潮期间滩涂光伏施工现场见图2。

强风和大浪可能对施工设备和人员造成直接冲击，增加施工安全风险。同时，风浪还可能造成施工现场的临时设施损坏，影响施工正常进行。

滩涂地区水流复杂，可能对施工设备、材料的运输和安装造成不便。水流也可能导致施工区域出现泥沙淤积，影响施工进度和质量。

强风除了对施工设备和人员有影响外，还可能带来沙尘、盐雾等污染物，对光伏组件和电气设备造成腐蚀和污染。同时，风况不稳定也可能导致施工操作难以稳定进行，增加施工难度。

针对恶劣的施工环境，应选择合适的施工时间窗口，避免在潮汐变化较大或风浪较大的时段施工；同时加强施工现场的安全管理，确保施工人员的安全；并采用先进的施工设备和技术，提高施工效率和质量。

1.3环保要求高

近海滩涂地区是生态环境脆弱的区域，桩基施工过程中对环保的要求十分严格，需要施工单位从规划、施工、材料选择、废弃物处理等多个方面综合考虑，确保施工过程和光伏电站的运营都符合环保要求，保护当地生态环境的稳定与可持续发展。

在施工过程中，需要采取环保措施，减少对环境的影响。例如，施工过程中的噪音、粉尘、废水等污染物的排放需要严格控制；选择环保型施工材料和设备，减少施工噪音和废气排放；合理规划施工区域和临时设施，减少对滩涂植被的破坏等。

此外，施工单位还应加强施工过程中的环保宣传教育，提高施工人员的环保意识。通过加强现场管理，确保各项环保措施得到有效执行。同时，施工单位还应与当地政府、环保部门等密切合作，共同推动滩涂光伏施工的环保工作。

最后，施工完成后，施工单位还需要进行环保验收和监测工作，确保光伏电站的运营不会对周围环境产生负面影响。这包括做好施工废弃物的处理和回收工作，同时对水质、土壤、生物多样性等进行长期监测，以及时处理可能出现的环境问题。

2施工工艺流程

2.1施工准备

在施工前，需要进行详细的现场勘查和地质调查，了解近海滩涂地区的地质条件、水文环境等信息。同时，制定施工方案和安全措施，明确施工任务和目标。

2.2桩基设计

桩基设计是一个复杂且关键的过程，需综合考虑地质条件、荷载要求、使用寿命等因素，它涉及到地质勘测、材料选择、布局规划等多个方面。设计内容包括桩型选择、桩径、桩长、桩间距等参数的确定。设计过程中需要充分考虑近海滩涂地区的特殊环境条件和长期运行的安全性。

为了延长桩基寿命，可以采用抗腐蚀材料，如镀锌钢管桩或预应力混凝土桩。钢管桩具有强度高、耐腐蚀等优点，适用于软土、淤泥等地质条件较差的地区；预应力混凝土桩则具有较高的承载力和耐久性，适用于地质条件较好的地区。根据对已开工滩涂光伏项目的调查，目前滩涂光伏多采用预应力混凝土桩，型号多为PHC400和PHC600。

根据光伏组件的尺寸和布局，需要合理设置桩基的间距和排列方式，这有助于优化光伏电站的发电效率，同时确保桩基之间的稳定性。一般来说，桩基的横向间距和纵向间距需要根据实际情况进行调整，以满足电站的支撑需求。

2.3施工工法及设备选择

近海滩涂光伏桩基施工方法主要包括打入法、压入法和钻孔灌注桩法等［8］。不同的施工方法适用于不同的地质条件和施工环境。

打入桩法是利用打桩机将预制好的桩体打入土壤中，通过桩与土壤之间的摩擦力或端承力来承受光伏系统的荷载。该方法具有施工速度快、成本低等优点，适用于地质条件较好的近海滩涂地区，对于软土、淤泥等地质条件较差的地区，打入桩法可能难以实施。

压入桩法是通过静力压桩机将桩体压入土壤中，利用桩身的自重和压桩机的压力将桩体压入到设计深度。该方法适用于地质条件较差、打入桩法难以实施的地区，具有施工噪音小、对周围环境影响小等优点，但施工速度较慢，成本较高。

钻孔灌注桩法是通过钻孔机械在土壤中钻孔，然后在孔内浇筑混凝土并插入钢筋笼，形成桩体。该方法适用于地质条件复杂、对桩基承载力要求较高的近海滩涂地区，具有承载力高、适应性强等优点，但施工周期较长，成本较高。

施工设备的选型需满足施工效率、安全性和环保性的要求。目前根据不同区域近海滩涂的实际施工区域划分，结合管桩运输方式合理安排管桩施打顺序。桩基施工前，根据地质资料确定不同地块、区域沉桩深度。正式施工前，应通过第三方检测机构进行单桩竖向抗压静载、水平静载、竖向抗拔等试验［9-10］，采用低应变进行桩身完整性检测。结合项目的特殊施工环境，研究形成了潮间带滩涂施工环境沉桩施工技术，在有水和无水条件下，通过创新、改进施工设备，实现多方法混凝土管桩全天候沉桩施工。

滩涂区水深较浅，依现有规范建造的大型建造船舶很难在该水域进行建造作业，面对大量原材料运输及施工需求，目前采用的是履带运输车、履带挖掘机搭配浮筏、自制滑道等方式；施工则采用水路打桩机、改装浮吊，同时搭建施工辅助平台、漂浮式施工步道、临时栈桥等辅助施工［11-12］。结合现有滩涂桩基施工经验进行总结，现有滩涂光伏施工设备主要有以下几种。

（1）打桩船沉桩。

大潮位、远岸滩涂区域，潮水满足打桩船吃水需求时，使用打桩船进行预应力管桩沉桩施工。该类打桩船一般采用“浮箱船+桩机设备”形式，如图3所示。施工时，运桩船紧靠打桩船。吊桩前，应在桩身以桩靴端部为零点，勘画桩长刻度线，以便打桩时记录，吊点位置需符合要求设计，立桩用“一点打”的工艺桩起吊，绑扎点距桩端 0.239 L处（L为单条管桩桩长），捆绑完成，打桩船机长开始操作起桩，慢速升吊桩主钩，将桩起吊至一定高度，慢速提升导杆式打桩锤，打桩船船员利用绳索配合桩完整进入桩帽，然后吊桩主勾及导杆式打桩锤同步提升，将桩吊起。由桩机自身调整垂直度至符合要求后，才能对桩施工。开始锤击时，宜先用低能量、低冲程或空锤锤击，桩尖入土2 m 后，在确认桩身贯入方向无异常后，方可连续正常锤击。

（2）水陆两用挖机式打桩机沉桩。

在低潮位无法满足打装船吃水需求时，使用水陆两用挖机改造打桩机进行沉桩作业。沉桩前，由改装水陆挖机或卷扬机协助运桩平台将管桩运输到位，用另一台水陆两用挖机改造打桩机配合打桩作业。对于水陆两用挖机改造打桩机（图4），把挖机头改装成震动管桩夹具，在行走履带两侧增加浮箱以增加承载力。该装备只能在退潮期作业，且在滩涂上行走效率较低，设备打桩稳定性较差，为保证桩基施工质量，成本一直居高不下。尤其是具有半日潮特征的滩涂，涨退潮时间不定，对桩基施工工期较严格的近海滩涂光伏项目而言，采用此设备是一种巨大挑战。

（3）新型水陆两栖沉桩设备。

桩基施工效率是决定项目整体工期的关键因素。如何克服涨落潮对近海滩涂光伏桩基施工的不利影响，成为提高桩基施工效率的关键。水陆两栖沉桩设备是中国电建西北院自主研发的新型滩涂桩基施工设备（图5），该设备可适应涨潮期水深4 m以内的滩涂全时段施工作业。水陆两栖沉桩设备采用滩涂和水面均适合行走的螺旋滚筒运动动力结构，同时设备配置定位桩结构增强沉桩施工作业时的稳定性。

2.4施工流程规划

施工流程规划需确保施工过程的连续性和高效性。在整个桩基施工流程中，除了沉桩技术，如何提高管桩运输效率，也是提高近海滩涂光伏桩基施工效率最关键因素之一。

管桩运输面临每日高、低潮水位落差大的难题。高潮水位时，水深满足运输需求，由几十条装驳船即可完成运输任务，其载重和运距均较为可观；低潮水位时，需开挖航道，保证现场具备一定的运输能力，如图6所示。

无潮水时，配备一定数量的水路挖机，结合运桩浮台，运输效率为船运的 1/2，如图7所示。距离岸边较近的位置，可使用卷扬机搭配运桩浮台进行对拉牵引，完成管桩近距离运输。通过技术创新，实现在无围堰防护条件下滩涂地质环境大规模成套混凝土管桩的运输，从而满足现场高强度的施工需求。

2.5质量检测与验收

对施工完成的桩基进行质量检测，包括桩身完整性检测、承载力测试等。检测合格后，进行验收并交付使用。质量检测与验收是确保桩基施工质量的重要环节，需要严格按照相关标准［8］和规范执行，如表1所列。

3桩基施工要点

（1）桩位标定。

桩位标定是确保桩基施工精度的关键步骤。在近海滩涂地区，由于地质条件复杂多变，桩位标定难度较大。因此，需要采用先进的测量技术和设备，如全站仪、GPS等，进行精确的桩位标定。同时，还需要考虑潮汐、风浪等自然因素的影响，确保桩位标定的准确性和可靠性。

（2）桩基施工技术。

根据选定的桩型和施工方案，选择合适的施工设备和技术进行桩基施工。在施工过程中，应严格控制各项参数，如桩身的垂直度、水平度等。针对不同地质条件，应采取不同的施工工法和技术措施，确保施工质量。例如，在软土、淤泥等地质条件下，可采用静压法或振动法进行桩基施工；在岩石、硬土等地质条件下，可采用钻孔灌注桩或挖孔桩等施工方法进行桩基施工。

（3）桩基运输技术。

在近海滩涂区域，受地势低洼、土地湿润、地基不稳定以及潮汐变化等不稳定因素影响，桩基运输效率成为制约桩基施工效率的重要因素。针对滩涂地区的地形、地质和水文条件进行深入研究，制定合理的施工方案和运输计划，采用特殊的运输设备和技术，利用好潮水特点合理安排工序，减少运输过程中的等待时间和资源浪费，是确保实现近海滩涂高效桩基施工的重要保证。

（4）桩体安装与固定。

桩体安装与固定是近海滩涂光伏桩基施工的核心技术之一。在安装过程中，需严格控制桩体的垂直度、水平度等参数，确保桩体安装的质量。同时，还需要选择合适的连接件和固定方式，确保桩体与光伏系统之间的连接牢固可靠。安装完成后还需进行必要的检测和调试，确保桩基的稳定性和承载能力满足设计要求。

4桩基施工常见问题及解决方案

4.1桩身倾斜

近海滩涂光伏桩基施工中易出现桩基倾斜的问题，这主要是由多种因素共同导致的，相应的解决方案也不尽相同。

4.1.1地质条件影响

滩涂地区的地质条件复杂多变，可能存在大块硬障碍物、土体密度不匀等问题。这些因素在桩基施工过程中，可能导致桩身受到不均匀的力，从而产生倾斜。

解决方案为：① 加强地质勘探，在施工前进行详尽的地质勘探，了解地下障碍物的分布和土体的密度情况，以便在施工中采取相应的措施；② 调整施工方法，遇到大块硬障碍物时，应及时调整桩的垂直度，清理地下障碍物，或调整压桩顺序，确保桩基的垂直度。

4.1.2施工操作不当

施工过程中的操作不当，如定位插桩不准确、打桩力度不均匀等，也可能导致桩基倾斜。

解决方案为：① 加强施工管理，确保施工人员遵循正确的操作规程，严格控制定位插桩的精度，防止漏桩现象的发生；② 打桩完毕后，应进行一次全面的复核，确认无误后方可撤离，确保每一根桩都符合设计要求。

4.1.3环境因素干扰

近海滩涂地区常受到风、浪、潮汐等自然因素的影响，这些因素可能在施工过程中对桩基产生干扰，导致倾斜。

解决方案为：① 合理安排施工时间，避开风力较大、潮汐影响明显的时段进行施工，降低环境因素对桩基施工的影响；② 增强桩基稳定性，选择抗风浪、抗潮汐能力强的桩基材料和结构，提高桩基的稳定性。

4.2桩身断裂

桩基施工中出现的桩基断裂问题也是多种因素综合作用的结果，相应的解决方案各不相同。

4.2.1地质条件复杂

滩涂地区地质条件复杂多变，可能存在软弱土层、地下障碍物等不利因素。这些因素可能导致桩基在施工过程中遇到不均匀的阻力，从而产生应力集中，最终导致桩基断裂。

具体解决方案为：① 加强地质勘探，在施工前进行详尽的地质勘探，了解地下土层的分布和特性，以及可能存在的障碍物，并根据勘探结果制定合适的桩基施工方案；② 地基处理，对于软弱土层或地下障碍物，采用地基加固措施，如注浆加固、换填等，提高地基的承载力和稳定性。

4.2.2施工操作不当

施工过程中的操作不当，如打桩力度过大、速度过快，或者桩身保护不当等，都可能导致桩基断裂。

具体解决方案为：① 规范施工操作，确保施工人员遵循正确的操作规程，严格控制打桩力度和速度，避免过度冲击导致桩基断裂；② 桩身保护，在桩基施工过程中，对桩身进行必要的保护，如设置防护层、避免碰撞等，防止桩身受损；③ 选择合适的施工设备和方法；④ 在施工过程中加强对桩身的监测和保护；⑤ 选择合适的施工设备和方法；⑥ 严格控制施工过程中的各项参数，如打桩速度、打桩力度等。

4.2.3材料质量问题

桩基材料的质量问题，如强度不足、抗腐蚀性差等，也可能导致桩基在施工过程中或后期使用过程中发生断裂。

具体解决方案为：① 选择符合规范要求的优质桩基材料，确保其具有足够的强度和抗腐蚀性；② 对进场的桩基材料进行严格的质量检测，确保材料质量符合设计要求。

4.2.4环境因素干扰

近海滩涂地区常受到风、浪、潮汐等自然因素的影响，这些环境因素可能对桩基产生额外的应力，导致桩基断裂。

具体解决方案为：① 合理安排施工时间，避开风力较大、潮汐影响明显的时段进行施工，降低环境因素对桩基施工的影响；② 增强桩基抗环境能力，选择具有较好抗风浪、抗潮汐能力的桩基类型和材料，提高桩基的稳定性。

4.3承载力不足

承载力不足可能是由于桩基设计不合理、施工质量不高等原因导致的。为此应优化桩基设计，加强施工过程中的质量控制，确保施工质量符合设计要求，在必要时进行补桩或加固处理。

5结语

桩基施工是近海滩涂光伏项目实施的关键环节，其施工方法的选取直接影响到光伏系统的稳定性和运行效率。本文深入探讨了近海滩涂光伏桩基施工的技术挑战、施工工艺、施工关键技术、桩基施工过程常见问题及可能的解决方案，旨在为未来的近海滩涂光伏项目提供施工参考和技术支持。在未来的发展中，应继续加强技术研发和创新，提高近海滩涂光伏桩基施工的技术水平和环保性能，为推动全球能源结构的转型和应对气候变化作出更大贡献。

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