山地光伏电站支架基础类型分析及选型探讨

南方电网综合能源有限公司 ■ 罗民 翁军华 郑海兴 龙慧 李达

0 引言

广东省是能源电力消费大省，2017年广东省使用的化石能源所发电量占其全部所用电量的比例约为56.5%。但由于化石能源在发电过程中会产生有害气体，对人的身体健康会造成较大危害，同时，随着人民生活水平的提高，对生活环境的要求也在提高，因此，对绿色清洁能源的呼声越来越高。根据《广东省能源发展“十三五”规划》，广东省将进一步优化能源结构，逐步降低化石能源电量的占比，大力发展太阳能、风能、抽水蓄能、核能和天然气等绿色清洁能源，提高绿色清洁能源电量的占比。

光伏发电提供的是一种绿色清洁能源，并且可以解决日趋严重的能源需求问题。在光伏电站中，支架基础是重要的组成部分，且数量非常大，因此，支架基础类型直接关系到支架系统的结构安全、现场的施工进度和整个光伏发电项目的造价成本等。本文针对山地光伏电站的支架基础类型进行了分析，以期可以为山地光伏电站的设计及建设提供借鉴。

1 山地光伏电站支架基础类型分析

目前山地光伏电站支架基础类型较多，主要有螺旋钢管桩基础、混凝土独立基础、微孔灌注桩基础和预应力管桩基础[1-3]等，下文将对各种基础类型逐一进行分析。

1.1 螺旋钢管桩基础

螺旋钢管桩基础是一种较常使用的山地光伏电站支架基础，如图1所示，其主体结构为1根钢管，地面以下部分的钢管周边焊接有螺纹状的叶片。螺旋钢管桩基础的受力特点是利用其叶片上覆土重、土自身的剪切力及其与土的摩擦力抵抗支架的上拔力，利用桩侧土的嵌固作用抵抗水平力。

图1 螺旋钢管桩基础

此种基础的施工方便，通过专门的打孔机械将孔打好，然后将螺旋钢管桩插入孔中即可。上部支架与基础采用插入式连接，在上、下钢管连接部位采用密封胶圈密封。

螺旋钢管桩基础的结构和受力特点决定了其主要适用于高密度粉土和粉质黏土等表层土，周围环境为较干燥和微腐蚀区域。

1.2 混凝土独立基础

混凝土独立基础的结构较为简单，主要由混凝土、钢筋和地脚螺栓组成，如图2所示。由于支架自重较轻，对基础的抗冲切力和抗剪切力较小，支架基础主要受支架的上拔力控制，利用自身和覆土的自重抵抗支架的上拔力。

此类基础施工时开挖面积较大，需要绑扎钢筋和支模，后期还需要较长时间的养护和拆模，施工速度较慢。

混凝土独立基础主要适用于地质承载力较高的土层或岩石区域，同时要求基础持力层埋深较浅，基础开挖深度不宜过大。

图2 混凝土独立基础

1.3 微孔灌注桩基础

微孔灌注桩基础具有较好的承压和抗拔承载力，被广泛应用于光伏发电项目中。其结构如图3所示，桩身为圆柱体，桩直径为100～300 mm，主要由细石混凝土、钢筋和地脚螺栓组成。基础浇筑完成后，混凝土、钢筋和地脚螺栓形成一个受力整体，立柱的拉力、压力和剪力通过地脚螺栓传递给基础，基础中的桩身和纵筋承受抗压和抗拔承载力，螺旋箍筋承受抗剪承载力。

此类基础施工时通过专门的打孔机钻孔，然后将钢筋笼放入孔中。钢筋笼可提前预制好，混凝土可采用商品混凝土或现场搅拌，施工方便。

微孔灌注桩基础主要适用的地质条件为粘性土、粉土、季节性冻土、膨胀土、密实砂土、松散至中密碎石土、强风化岩等，适用范围较广。

图3 微孔灌注桩基础

1.4 预应力管桩基础

预应力管桩基础为预制成品，如图4所示，桩径一般为300～400 mm，桩长为3～9 m。桩身采用高强混凝土预制而成，桩内配置钢筋。该类基础一般采用先张法工艺。

预应力管桩基础主要用于地表土层为填土、软土和粘性土的区域，若应用于地表为砂土或强风化岩区域时，则需要先进行机械引孔。

图4 预应力管桩基础

2 某山地光伏电站的支架基础类型选择分析

2.1 项目概况

某山地光伏电站项目位于广东省梅州市五华县境内，海拔高度约为140 m。五华县位于粤东丘陵地带，北回归线横跨县境南端，属中低纬度南亚热带季风性湿润气候；日照充足，年均日照时数为1996.6 h，太阳总辐射平均值为1405 kWh/m2，太阳能资源较丰富，属于Ⅲ类太阳能资源地区。项目所在地为丘陵地带，山势平缓，地形坡度基本在5°～20°之间，具体情况如图5所示。

本项目总装机容量为30 MWp，每个组串布置24块组件，组件阵列排布采用依山就势、顺坡布置的方式，同时严格控制光伏组件的倾角和方位角，以保证光伏发电系统发电效率最大化。光伏支架采用热镀锌防腐[4]，支架布置如图6所示。

图6 支架布置图

2.2 主要技术参数

1)50年基本风压荷载标准值为0.3 kN/m2，地面粗糙度为B类。

2)场地的地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地土类型为Ⅱ类[5]。

3)地面以上结构的环境类别为一类，地面以下结构的环境类别为二类a。

2.3 支架基础的选择及分析

根据地勘报告和现场踏勘情况可知，光伏场区地表有一层20 cm的土层，土层下为强风化岩，人工开挖难度较大，必须采用机械开挖。由于项目位于南方区域，地表较潮湿，且光伏支架需要使用25年，若采用螺旋钢管桩，支架基础易被腐蚀，再加上上、下支架连接处需采用橡胶圈密封，而橡胶圈无法保证可使用25年，且其后续不易更换，因此，该项目不采用此种基础类型。若采用混凝土独立基础，则需要较多混凝土，但由于现场为山地，场地不平整，不利于混凝土的现场运输，且混凝土基础的养护周期较长，因此，该项目也不建议采用混凝土独立基础。若采用预应力管桩基础，在该场地必须进行机械引孔，而引孔成本较大，且预应力管桩材料和施工费均较贵，因此综合考虑后认为，该基础类型不经济。

综上分析，结合本项目的现场实际情况、各种基础类型适用条件及综合成本造价，本项目采用微孔灌注桩基础。地下部分桩长为1.5 m，孔径为150 mm，地上部分桩长为0.3 m，桩径为300 mm，桩内配置3根φ12的钢筋及 相应的箍筋，桩顶预埋U形螺杆。

经核算，单桩竖向抗拔承载力特征值为15 kN，光伏支架立柱拉拔力最大值为9.5 kN，单桩的抗拔承载力满足设计要求。

3 结论

当前光伏电站所在地的地质条件多样，针对各种地质条件，支架基础的选择亦不同。本文对山地光伏电站4种常用支架基础进行了分析，并针对某山地光伏电站进行综合考虑分析，选择出其适用的支架基础，对于类似山地光伏电站的支架基础类型选择可提供一定的参考和借鉴。