冻土地区光伏支架基础的设计方案研究

中国三峡新能源公司东北分公司 ■ 胡德芳 高俊松

0 引言

近年来，我国光伏项目规模化开发迅速，在东北等冻土地区规划建设的光伏项目越来越多。但在冻土地质条件下，光伏支架基础易发生不均匀冻胀抬升，进而导致光伏支架扭曲变形，破坏组件，影响系统的正常发电。类似问题已在部分建成的光伏项目中出现，因此在设计及施工阶段解决冻土地质条件下光伏支架基础的不均匀冻胀抬升问题尤为重要。本文在分析光伏支架基础不均匀冻胀抬升机理的基础上，结合东北地区某光伏项目中光伏支架基础的防冻胀设计方案，着重研究了既经济又安全的防止光伏支架基础不均匀冻胀抬升的设计方案，并提出了适合在冻土地区使用的支架基础类型。

1 适用于冻土地区的光伏支架基础分析

光伏支架基础的作用是为了支撑与其连接的光伏支架及光伏组件，光伏组件通过螺栓或压块与光伏支架连接。目前较为普遍的光伏支架基础主要有：混凝土独立基础、混凝土条形基础、螺旋钢管桩基础、混凝土桩基础、预应力混凝土管桩(PHC)基础、微孔灌注桩基础[1]。

冻土地区一般具有以下气候和地质特性：1)冬季气温较低，一般最低温度在-20 ℃以下；2)土质为强冻胀土或特强冻胀土，如黏土、粉质黏土等；3)地下水较丰富且水位较高。

在地下水丰富且水位较高的条件下，对于需要现浇筑混凝土的混凝土独立基础、混凝土桩基础、微孔灌注桩基础而言，施工难度较大，且冻土地区的冬季气温极低，混凝土浇筑及养护质量难以保证。而混凝土条形基础更适合场地平整、地下水位较低的地区(如荒漠)，在冻土地区，该类基础易出现不均匀抬升、倾斜的情况。螺旋钢管桩基础的造价较高，并且也不适用于强腐蚀环境及流动性淤泥土质。

综上分析，在冻土地质条件下，考虑到经济性及施工便利性，在采取必要的减小桩长来防冻胀的前提下，PHC基础是较为合适的光伏支架基础[2]。下文以东北地区某光伏项目为例，分析冻土地质条件下PHC基础的受力，以及防止其不均匀冻胀抬升的措施。

2 冻土地质条件下PHC基础的受力分析

在冻胀力作用下，PHC基础在桩长方向主要承受永久荷载(PHC上部支架重量、组件重量及PHC自重等)、冻土对PHC的切向冻胀力、冻土层以下土体对PHC的锚固力。从受力分析来看，在强冻胀土或特强冻胀土地区，当最大冻深较深时，完全依靠PHC锚固来避免不均匀冻胀抬升是不经济的。

根据地勘报告，东北地区某光伏项目所在地的标准冻深为2.0 m，在标准冻深范围内，土层从上往下依次为表层耕土、黏土、粉质黏土，这些土层均为强冻胀土或特强冻胀土；项目所在地的地下水位为-1.0～-0.5 m。项目初步选择桩径为300 mm的PHC作为光伏支架基础。

在冬季条件下，为抵抗冻胀上拔力，根据JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3]对桩基础进行稳定性验算：

式中，τdk,i为第i层土中单位切向冻胀力的标准值，kPa；可在桩身侧面埋设应力计实测得到，也可参照规范附录C中表C.1.1的规定取值；在同一冻胀土类别中，含水率高者取大值；本项目是按照规范的规定取值。Aτ,i为与第i层土冻结在一起的桩的表面积，m2；Gk为作用在桩基础上永久荷载的标准值，kN，包括桩基础自重、上部组件重量、支架重量等，若桩基础在地下水中，则取浮重度；Rta为桩基础深入冻胀土层之后地基所产生的锚固力特征值，kN。

对于本项目中的季节性冻土地基而言，PHC基础侧面与冻土之间的Rta其实为摩阻力，可参照JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》[3]中的C.1.1-2进行计算，即：

式中，qsa,i为第i层内的土与桩侧表面的摩阻力特征值，kPa，按照桩基受压状态进行取值，在缺少试验资料时可按JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》[4]的规定确定；Aq,i为第i层土内桩的侧表面积，m2。

本项目按照上述公式进行计算，光伏支架PHC基础在地表以下的埋深至少需要7 m，这对于一个光伏项目而言，成本非常高。而在非冻土季节，满足控制荷载(风荷载)作用时，PHC基础在地表以下的埋深只需要2 m。不是通过PHC基础伸入冻胀土层之下来增大锚固力，而是采取减小冻土对桩的切向冻胀力这一措施，如此可大幅缩减桩长[5]。

3 防止PHC基础不均匀冻胀抬升的措施

3.1 防止PHC基础不均匀冻胀抬升的主要措施

减小切向冻胀力对桩体的作用是防止PHC基础因冻胀而抬升的关键。可在设计冻深范围内，采取措施避免PHC基础与特强冻土直接接触，以减小冻土对桩的切向冻胀力。本项目经过实践发现，在冻土层的桩周回填弱冻胀性的中粗砂作为隔离层，可减小桩周土对桩体的切向冻胀力。

经过进一步计算发现，本项目地表以下2.0 m范围的桩周土采取先引孔后回填弱冻胀性中粗砂的措施后，所需桩长最短，地表以下桩长埋深3 m即可满足设计要求。具体施工方法为：先用钻机引孔，钻头比桩径大10～20 cm，引孔完成后再用静压锤将已涂刷沥青的PHC沉至设计标高。为避免塌孔，沉桩完成后需立即在桩周范围回填中粗砂至密实状态，密压实系数不小于0.94，必要时可插入振捣棒振动密实。

3.2 其他解决PHC基础不均匀冻胀抬升的措施

采取引孔回填中粗砂及涂刷沥青的防冻胀措施基本能解决PHC基础大范围不均匀冻胀抬升的问题。但对于一些地质变化较大的区域，一些PHC仍可能出现小量的不均匀冻胀抬升现象，进而导致支架和组件变形。对于该类问题，可采取减小每组支架的PHC基础数量和采用可调节高度的支架的措施来解决。

1)减小每组支架的PHC基础数量，从而降低PHC基础不均匀冻胀抬升发生的概率。在每组串为20块组件的情况下，采用4根PHC作为基础较为经济，且发生不均匀冻胀抬升的概率也较低。也可以采用2组独立支架及基础支撑组串，即每10块组件由2根PHC基础支撑，这样可进一步降低每根PHC基础不均匀冻胀抬升的概率。但该方案会增加一定的支架工程量，且该增量大小需视具体情况复核确定。

2)采用可调节高度的支架，即支架设计为与桩抱箍固定的形式。在个别桩发生冻胀时，可通过调节抱箍式支架的高度来调平支架及组件，避免支架和组件的变形破坏。

图1 防不均匀冻胀抬升的PHC基础及抱箍式支架设计图(单位：mm)

4 结论

通过对冻土地区的光伏支架基础设计进行分析发现，采取对冻深范围内的桩周土回填中粗砂的方式能够减小冻土对PHC基础的切向冻胀力，从而大幅减小PHC的设计长度，节约工程造价。此外，通过控制每组支架的PHC基础数量及采用抱箍式可调节高度的支架，能进一步解决部分PHC基础出现不均匀冻胀抬升从而对组件造成破坏的问题。

本文中计算回填后中粗砂对桩体的切向冻胀力参考了JGJ 118-2011《冻土地区建筑地基基础设计规范》附录表C.1.1[3]切向冻胀力标准值中的弱冻胀土取值，由于光伏组件与建筑地基基础存在一些差异，中粗砂对桩周土的切向冻胀力的实际大小需根据项目的实际情况，通过试验确定更为准确。通过项目初步试验，回填中粗砂对桩的切向冻胀力与引孔回填的孔径大小、中粗砂本身冻胀特性、密实度、含水量及桩身侧表面粗糙程度等有关。

对于光伏支架基础而言，在保证大幅消减冻胀力的前提下，还要使方案具有经济性，并便于施工。因此，对于减小桩身切向冻胀力时选择的回填材料仍可进一步分析研究。试验表明，在桩周涂刷1～2 cm的沥青的材料也可较好地消减切向冻胀力，具体涂刷沥青厚度应根据不同工程地质条件及环境温度来确定。