特殊地质条件下地面光伏支架基础设计要点.pdf

119石材2023年8 期SHICAI节能环保特殊地质条件下地面光伏支架基础设计要点李乔木（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州7 3 0 0 0 0）摘要：光伏支架稳定性和耐久性，是保障光伏发电系统能够稳定运行的重要基础。只有当支架结构牢固且能够保持太阳能电池板始终维持在正确倾斜角度时，才能发挥光伏发电系统的作用。支架基础设计则是地面光伏系统的重要组成部分。本文围绕冻胀土、盐渍土、湿陷性黄土三种特殊地质条件，探究其支架基础设计要点，以期为光伏发电行业发展提供一定的指导意义。关键词：特殊地质；桩基础；倾角中图分类号：TU476文献标识码：A通常情况下，光伏发电系统被布置于屋顶或者地面，前者基础布置在屋顶上，而后者的运行稳定性则会受到地质条件的影响。因此，相关工作人员在布置光伏发电系统之前，需要对安装区域地质条件进行实地勘察，特别是针对特殊地质结构，要根据其实际情况，设计具有针对性的光伏发电系统支架基础，确保光伏发电系统始终处于稳定的工作状态。1冻胀土条件下光伏支架基础设计当冻胀土受到外在环境因素影响，其水分达到一定数量时，由于温度过低导致土壤中的水分结冰，土壤体积膨胀。这种膨胀现象会影响土体基本结构，导致土体形态上发生变化，包括表面隆起、裂缝产生等现象，严重时还可能引发土体滑坡等危险情况。1.1冻胀土中光伏发电系统支架基础设计通常情况下，布置在冻胀土地区的光伏发电系统支架使用桩基础，根据工程实际要求灵活选择使用钻孔灌注桩基础或者预应力砼管桩基础，根据该区域土壤产生的冻胀力进行桩身设计。实际工作中，根据建筑桩基技术规范JGJ94-2008中的相关要求，针对季节性冻土区域，考虑到建筑规模以及施工成本等因素，通常使用短桩基础，其抗冻拔稳定性计算公式为：n,qfuzo=Tu/2+Ng+G,(1)公式（1）中，,代表冻深影响系数，f代表切向冻胀力，Z。则表示冻胀土的标准深度，Tuk代表冻胀土标准深度以下桩基础抗拔极限承载力，NG表示桩承台及以上建筑物自重标准值，G，代表桩基础的自重，也可以代表地下水位浮值。实际设计中，为确保支架桩基础能够承受上拔力并满足设计要求，设计人员可以通过增加桩长与桩径的方式，增加支架桩基础的抗震性和承载能力，提高光伏发电支架整体稳定性。1.2案例分析某市农业部门牵头成立的分布式光伏发电项目，总装机容量为3 0 MW，占地面积12 0 0 亩。该地区存在大量冻胀土，为光伏发电装置的稳定性造成了一定的影响。因此，设计人员深人分析该地区冻胀土深度以及地下水位实际情况，根据冻胀土的具体等级，对光伏发电系统支架基础进行针对性设计。该地区冻土深度为1.8 m，冻胀等级为级，地下水系统属于潜水，其水位变化范围为0.8 m1.3 m。考虑到施工现场实际情况，以及该项目对于支架稳定性的具体要求，设计人员选择使用单立柱支架，采用双排组件布置模式，其支架主要结构由条、立柱、斜撑等组成，其最佳倾角被设定为40。该项目使用预应力砼管桩施工技术，其直径为3 0 0 mm，桩长3 m，桩身高出地面2.2 m，桩尖进入黏土层深度约为2.8 m。其竖向压力为2 2.57 kN，拔力达到7 kN，标准组合水平推作者简介：李乔木（19 8 9 一），男，甘肃省金昌市人，中级职称。从事新能源发电设计工作120STONE2023No.8STONE节能环保石材力为4kN。通过调查相关地质资料，设计人员确定该地区土壤的强冻胀性为8 0 kPa。将上述参数代人公式（1）可得：nrqjuZoTux/2+Ng+G,(2)其中：F冻=1 8 0 3.14 0.3 1.8=13 5.6 48F#=0.75603.140.31.8/2+2.3+7.21=47.661kN1抗-0.7 5XC00.14X0.0X1.01T0.0.0.1由于F冻F抗，可可以发现参数无法满足设计要求。设计人员尝试将预应力砼管桩延长，当桩基础的长度加长至8 m之后，F冻F抗，满足施工要求。实际施工中，该项目施工人员为了进一步控制施工成本，针对预应力砼桩管人土部分（约为3.5m）进行特殊处理。具体方案为：将预引孔控制在6 0 0 mm，将桩管人土部分粘满防水卷材，防水卷材厚度为4mm，长度达到2.1m，并在桩周围填满粗砂，通过这种方式减少冻土的冻胀力。利用这种方式，在不增加桩管长度的前提下，令光伏发电系统支架基础参数符合施工需求，进而达到控制施工成本的目标 2 。2盐渍土条件下光伏支架基础设计2.1盐渍土盐胀原理除了冻胀土之外，盐渍土对于光伏发电设备支架也会产生很大的影响。所谓的盐渍土，即盐碱化土。其土壤中硫酸钠的含量超过设计规定范围。这种状态下，如果室外气温降低，土壤含盐浓度高于硫酸钠元素的溶解度，则其内部的硫酸钠就会开始结晶，随着结晶不断增多，土壤结构发生变化，导致土壤表面变得松散、柔软，地表形成盐皮或者盐盘。随着土壤体积快速膨胀，其容重能力不断下降，导致支架发生位移，改变光伏设备倾角，影响其发电效率。严重情况下还可能导致光伏发电系统支架基础倒塌，造成设备损坏问题。2.2盐渍土区域内支架基础设计设计人员在盐渍土中进行基础设计时，普遍采用基础将建筑物的重量通过桩基础等支撑物，均匀分布到土壤中，从而达到稳定上部结构的目的。在盐渍土中布置支架基础的关键点包括以下几个方面：（1）要选择适当的基础类型，包括基础形式及基础材料等。基础形式包括浅基础和深基础，需要根据地表土壤是否为盐渍土来灵活选用。由于盐渍土具有较强的腐蚀性，因此需要选择能够抵御盐渍土侵蚀的防侵蚀保护层材料制作基础。此外，设计人员还需要综合考量建筑物重量和地下水位等数据，灵活调整桩基础的直径与长度（2）要进行充分的地基处理。盐渍土具有较高的盐碱度，容易导致土壤变硬、密度增大等问题，因此需要对地基进行充分处理。常见的方法包括强夯、换填、浸水预溶、预压等。（3）荷载试验。在盐渍土中进行支架基础设计时，必须进行充分的荷载试验，以确保支架基础能够承受建筑物的重量和其他荷载 3 。荷载试验应该在设计前期进行，对试验结果进行分析和评估，以保证支架基础的安全可靠。具体到光伏发电系统支架结构设计中，可以采用灌注桩基础或者条形基础，两种支架基础类型受力结构不同，其适用范围存在一定差异。2.3灌注桩灌注桩基础是一种适用于表层土具有盐胀性的基础设计方案。如果使用常规的埋置式深基础，可能会导致基础受到盐胀影响而出现变形。此外，盐胀土较强的腐蚀性也会影响一般类型桩基础使用寿命。相比之下，灌注桩基础在固端无盐胀或者盐胀作用小的情况下，具有更高的适应性。如果地表土层具有盐胀性，利用土的嵌固作用可以帮助桩基础抵抗上层土的盐胀力，从而避免整个桩在盐胀作用下向上拱起。在灌注桩基础设计和施工过程中，设计和施工人员基于实际情况，控制桩孔直径和深度并选用合适的灌注材料，通过这种方式进一步提高桩基础的稳定性。地表土壤不存在盐胀问题，深层土壤存在盐胀性时，为避免支架基础对深层土壤的扰动，则可以采用基础埋深较浅的支架条形基础图。此外，若表层土壤较为松散，也可以将条形支架基础设计为“井字梁”，提高基础的承载力和稳定性。由于光伏发电设备所使用的支架基础重量较轻，121石材2023年8 期SHICAI节能环保材盐胀作为较为明显。因此，施工人员在实际安装光伏系统支架基础之前，需要在实验室中进行支架稳定性测试，判断盐渍土对于支架可能产生的影响。如果实验发现现有的支架基础结构无法满足稳定性要求，设计人员可以通过对支架基础结构的优化，降低盐胀对于支架产生的影响。3湿陷性黄土地基支架设计3.1淘湿陷性黄土机理湿陷性黄土是一种典型的软弱地基土壤，其主要特点是在土的自重压力，或者自重压力与附加压力协同作用下，受水浸湿后发生附加下沉。这种下沉现象对于土壤的稳定性会产生非常直接的影响，会在桩侧表面产生负摩阻力，这些阻力将成为附加于桩侧表面的下电荷载，导致基础下沉。由于湿陷性黄土的这些特性，导致光伏发电系统工程建设面临一系列问题因此在实际工程中，相关工作人员必须认真评估并采取相应的措施，确保工程的安全性与可靠性。3.2湿陷性黄土支架基础设计方式湿陷性黄土具有结构疏松、孔隙发育、稳定性差等特点，在进行基础设计中需要格外注意。在铺设支架基础过程中，施工人员需要在土体内挖掘一定深度的坑，然后在坑内施工预制框架结构，从而达到加固土壤、分散荷载的目的 5。在进行支架基础设计前，施工人员对场地进行充分的勘察和分析，确定地下水位高度、黄土层厚度、土壤内部结构以及土壤密实度等基本信息，基于施工现场勘察报告制定设计方案。在湿陷性黄土的支架基础设计中，设计人员需要考虑以下四点：（1）基于土层厚度与强度，选择适当的坑深和支撑结构形式。当土层比较薄或者土壤强度不够时，需要采用更深的坑和更加牢固的支撑结构。例如，设计人员基于建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）中的相关规定，计算桩基础入土后的负摩擦阻力，其计算公式为：(3)S1n1若施工区域地下水位降低，则有：g,=o,（4)-110,=0,+二(5)e2e=l上述三项公式中，q代表第i层黄土内桩基础负摩擦阻力标准数值，m代表桩周第i层黄土的负摩擦系数，其中Sm的数值范围为0.2 5 0.3 5。,表示由于黄土自重而产生的桩周第i层土壤竖向有效应力，代表e层黄土重量，;代表第i层黄土重量，代表第e层黄土厚度，,代表第i层黄土厚度。如果桩周的土被水浸湿，那么桩侧正向摩擦力就会变成负向摩擦力。因此，湿陷性黄土地质条件下，不允许采用摩擦型桩，而采用端承型桩。持力层选用黄土层下满足设计要求的非湿陷性黄土层。（2）在坑内施工预制框架结构时，要选择合适的材料并对材料规格进行严格控制。通常情况下，使用钢筋混凝土或钢结构作为预制框架结构，其规格和尺寸也要根据具体情况进行选择，以确保承载能力和稳定性。（3）在坑内施工时，需要特别注意排水问题由于湿陷性黄土含水量较高，易造成积水现象，因此在施工前需要做好排水预处理工作，以确保坑内始终处于干燥状态（4）设计支架基础过程中，需要考虑到荷载的分散问题。为了避免荷载集中在某一点上，导致基础受损，需要在坑底铺设一定厚度的砂垫，以达到荷载分散的目的。参考文献1】赵婷婷,江赛雄.光伏支架基础选型与设计优化研究D.建筑结构,2 0 2 2,52(S1):2353-2357.2潘启科,李根森,陈春华，白宝华,宋宁,程荣兰,黄兴万.光伏支架刚性桩基础设计方法分析).武汉大学学报（工学版)，2021,54(S2):207-210.3】张勇,孙宇飞,胡玮.西北地区光伏支架混凝土基础耐久性调查研究D).水力发电,2 0 17,43(0 8)：10 8-111.4汪海燕，杨菁，贺广零.滩涂光伏支架基础研究D.水电能源科学,2 0 17,3 5(0 1):2 0 5-2 0 8.5】邢克勇，黄文莉.光伏支架基础设计创新研究D.武汉大学学报(工学版),2 0 13,46(S1):252-255.