季节性冻土地区光伏支架基础设计分析

摘要：就目前来说，光伏设计作为现阶段应用最广泛的科学化技术之一，其不仅可以将太阳能进行数据处理并转化为电能，并且其还在一定程度上节约了我国现有的资源，使其太阳能资源的功能发挥到了极致。与此同时，在发展光伏发电的同时，太阳能光伏支架也在我国众多领域中发挥着重要的作用，其主要是为了摆放安装太阳能面板设计的特殊支架。而我国季节性冻土地区由于其自身光照相对充足，因此太阳能资源相对丰富，从而有利于光伏支架的摆放、安装与设计。

关键词：季节性冻土地区;光伏支架;基础设计

一、引言

就目前来说，我国季节性冻土地区的光照相对充足，因而在该地发展光伏支架设计是符合自然与资源相关要求的。因此，基于该特点，我国很多光伏发电工程区都对光伏支架进行了基础性的设计与改造。具体来说，由于该地区太阳能光伏支架的基础设计主要有预制桩，钻孔灌注以及独立设计、钢螺旋基础等。因此，具体的设计方法应是也该地区的基本特点与现状为参考，从而找到更适合该地设计的方案之一。与此同时，对于已建成的光伏设计，应以现在的实际情况对其进行改造并针对已经对地表产生破坏等的支架类型进行再次改造，以此来解决现有的支架问题，从而在控制成本，节约设计支出的同时，对季节性冻土地区进行全方位的光伏支架基础设计。

二、适用于季节性冻土地区的光伏支架基础分析

对于在季节性冻土地区进行光伏支架的基础设计与建造，其基础作用是为了支撑与连接光伏支架及组件，从而通过螺栓或压块来实现光伏支架与组件之间的有效连接。就目前来说，其最主要的光伏支架基础形式，主要可以涵盖为：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）基础以及微孔灌注桩基础。在选择光伏支架时，要以该地区的实际特点与现状为依据，并结合季节性冻土地区的气候与地质特点进行合理化的选择。

对于季节性冻土地区来说，其主要有以下气候与地质特点。首先，该地区的冬季气温较低且常年最低温度都在 -20℃ 。其次，该地区的土土质主要为黏土、粉质黏土等强冻胀土或特强冻胀土。最后，由于该地区的地下水位较高，且地下水含量较多。因此，在地下水较多且水位较高的同时，对于要实行浇筑混凝土的光伏支架建造难度较大，加之该地区的冬季气温常年在-20℃，因此混凝土的浇筑质量令人担忧。为此，结合各个光伏支架的形式与特点，选择最合适且性价比最高的光伏支架，是现阶段发展该地区光伏产业的首要任务。相较于几种光伏支架的基础形式，不难看出，混凝土条带基础更适合于场地平坦、地下水位低的地区（如沙漠）。在冻土地区，该基础容易出现不均匀隆起和倾斜。螺旋钢管桩基础造价高，不适用于强腐蚀环境和液体淤泥土。综上所述，在冻土地质条件下，考虑到经济和施工方便，在必要减小桩长以防止冻胀的前提下，PHC地基是较为合适的光伏支护基础。

三、有关季节性冻土地区的光伏支架基础设计方案

季节性冻土区太阳能光伏支撑基础为薄壁开敞式钢桩，结构对称，截面呈“若干”型。钢桩截面由上至下依次分为上水平段、竖向段、弯曲段和下水平段，弯曲段和下水平段向外延伸。钢桩由静态桩压机垂直压入地层，通过季节冻结区活动层固定到融化土层，相邻的钢桩采用槽钢将各台段连接为一个整体。具体来说，首先，必须保证钢桩是钢板或带钢在冷态弯曲形成的。钢桩截面上水平段宽度50～100毫米，下水平段宽度30～60毫米，下弯曲段弯角100～110°。其次，钢桩壁厚3～5毫米，长度1.5～6米，高度90～110毫米，钢桩相邻间距2.5～3米的厚度。最后，钢桩季节冻结区活动层H2厚度为现场最大冻结深度，融化段长度为现场最大冻结深度的1～1.5倍。表面段长度H1为300～500毫米。最后对钢桩整体表面进行防腐处理，对季节性冻结区活动层表面进行抛光处理，对融化土层表面进行喷砂处理。

四、冻土地质条件下PHC基础的受力分析与解决对策

（一）受力分析

基于该地区的冻胀力作用与影响，桩长方向的PHC基础主要承担永久荷载（上部支座自重、构件自重、PHC自重等）、冻土切向冻胀力、冻土下土体对PHC的锚固力。从受力分析来看，在冻胀性强或特强地区，最大冻胀深度较深时，依靠PHC锚固来避免不均匀冻胀是不经济的。

（二）防止PHC基础不均匀冻胀抬升的措施

1.防止PHC基础不均匀冻胀抬升的主要措施

减少桩上的切向胀形力对于防止PHC基的胀形至关重要。可采取措施，在设计冻结深度范围内，防止ph值基础与非常强的永久冻土直接接触，以减少永久冻土相对于桩的切向胀形力。在实践中，人们发现，在永久冻土层中，将桩周围的隆起的冰砂作为绝缘层进行充填，可以降低膨胀力。

2.其他解决PHC基础不均匀冻胀抬升的措施

采用底漆孔回填粗砂和沥青涂覆的防冻胀措施，可基本解决PHC地基隆起不均匀的问题。但在一些地质变化较大的地区，PHC仍有少量不均匀的冻胀和隆起，这将导致支架和构件的变形。这种问题可以通过减少每组支架的PHC底座数量和使用可调高度的支架来解决。

五、结语

总而言之，对于季节性冻土地区的光伏支架基础设计，是符合于现阶段自然与我国能源资源相对匮乏现状的重要举措之一，其更好地利用了当地的气候、地质特点，选择了最合适的光伏支架形式，并对其进行了合理化的设计与布局，旨在从根本上促进该地区光伏发电产业的持续化、良性发展。

参考文献：

[1]刘树民.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京：科学出版社，2017（8）：112-115.

[2]劉鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2017（10）：336-337.

作者简介： 许金亚，南京中核能源工程有限公司。