浅谈条形基础在光伏电站工程中的应用

2013-10-22 03:28中国华电工程集团有限公司李建标高旭英

太阳能 2013年24期

中国华电工程(集团)有限公司 ■ 李建标高旭英

一引言

煤炭、石油等化石燃料，由于资源储备和环境污染问题，将难以满足人类社会发展对能源的持续增长性需要，新的清洁绿色能源发电将逐步取代传统能源。太阳能是一次能源，又是清洁的、可再生的，对环境没有污染。人类利用太阳能的历史非常久远，目前光热发电和光伏发电已经成为太阳能的主要利用方式。中国太阳能资源非常丰富，理论储量每年达1.7×1012t标准煤，拥有巨大的开发潜能。近年来，在我国政府出台政策大力扶持下，光伏技术有了飞跃性的进步，光伏组件及其他辅助设备价格大幅下降，我国的光伏发电产业获得了非常好的发展空间。

太阳能光伏发电站是以光伏发电系统为主，包含各类建(构)筑物及检修、维护、生活等辅助设施在内的发电站。光伏组件是光伏发电站的基本组成部分。在光伏电站工程中，光伏组件支架基础作为光伏电站基础设施中的主要工程内容，由于其数量庞大、所占成本比例大，如何优化光伏组件支架基础、提高支架基础的经济性和施工速度，已成为控制土建工程的关键问题。

二设计注意问题

1 指导规范

光伏支架属轻钢结构，光伏支架基础主要有受风荷载和自重荷载等，由于其受力较小，荷载作用较简单。一直以来，光伏组件基础设计没有得到行业的重视。随着近年来我国光伏发电场的大力建设，我国于2012年发布了GB50797-2012《光伏发电站设计规范》，这也是我国光伏发电基础设计的主要指导规范。

2 设计控制标准

目前，光伏支架基础常见的有独立基础、条形基础、预制桩基础、灌注桩基础、钢螺旋状基础。独立基础与条形基础的控制标准主要是基础底面脱开面积比、地基承载力、基础抗倾覆稳定及基础抗滑移；桩基础的控制标准主要是单桩竖向承载力、抗拔力、及桩基水平力承载力。由于支架竖向力很小，地基承载力和单桩竖向承载力一般影响不大。

3 场地条件

光伏发电站比普通工业建筑占地面积大，建设厂区大部分处于戈壁、草原、滩涂等荒漠人烟稀少之地，地势的起伏、地层岩性、冻土深度、地基土的腐蚀性评价等直接影响光伏支架基础方案的确定，进而影响土建成本造价。

新疆地区位于我国西北边陲，由于其特定的地理位置和自然条件，太阳能资源非常丰富，很适合建设大规模光伏电站。本文结合新疆石城子光伏发电站工程的设计经验，通过工程实例，探讨了构造式条形基础在光伏电站支架基础中的应用。

三设计主要技术参数

1 场地基本资料

(1)场地地质条件

光伏场区地质条件是光伏支架设计的主要依据。本工程场地地势较平坦，根据勘探揭露，场地为第四系冲洪积形成的角砾层，中密－密实，充填物主要为中粗砂及粉土，级配良好，厚度稳定。岩土层物理力学指标为：角砾：fak=250kPa、γ=20kN/m3、工程建设场地地形平缓开阔，场区及周边无滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、采空区等不良地质现象，场地内无液化地层。综合评价：本工程建程场地、地基稳定性良好，适宜工程建设。

场地存在季节性冻土，最大冻土深度为127 c m。

(2)地下水及腐蚀性

场区地下水属富水程度弱的松散岩类孔隙含水岩组，属地下水荒无区，潜水埋藏深度大于80m，可不考虑地下水对支架基础的影响。

本项目的场地环境类别是Ⅲ类，根据试验综合评定，地基土对混凝土结构呈中等腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋也呈中等腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。

(3)场地地震效应

依据中国地震局1∶400万《中国地震动反应谱特征周期区划图》、《中国地震动峰值加速度区划图》、GB50011-2010《建筑抗震设计规范》，场址设计基本地震加速度为0.10 g，地震基本烈度为7度，设计地震分组为第二组。中硬土，场地类别为Ⅱ类场地，地震动反应谱特征周期为0.40 s。

2 光伏组件阵列布置

本工程采用单片为245Wp的多晶硅电池组件，40块组件组成一个阵列，横向有20列，竖向为2行。支架倾角，采用横梁、斜梁、立柱、斜撑组成，跨度为2700mm，前后立柱之间间距为1900mm。如图1、2所示。

四支架基础设计

本工程地基土具有中等腐蚀性，螺旋钢管桩除应满足基础强度要求外，还需满足腐蚀性要求，不适合本工程；若采用桩基础，场地土质较硬，需投入大量专用机械设备，以及后续还存在成孔问题。故本工程为了减少大量开挖土方，加快施工进度，选用条形基础设计方案。由于基础土质较好，场地土为不冻胀土，基础放置于地面上。

条形基础承受支架传来的力，支架结构如图2所示，通过对支架进行各种工况下的荷载组合计算，影响支架基础设计的控制组合见表1，条形基础常规设计即对称布置(方案一)受力图如图3所示。

1 设计控制指标及影响因素

表1 荷载控制组合标准值

对条形基础进行强度、变形、抗倾覆、抗滑移验算，影响基础截面的控制指标主要为基础脱开面积比、倾覆稳定值、滑移稳定值，见表2。

表2 地基基础计算的控制指标

为了得到合理的条基方案，优化混凝土用量。通过计算分析条形基础不同宽度、高度、长度变化对基础设计的影响。图4为高度、长度相同，不同宽度的条形基础在荷载控制组合作用下的影响曲线；图5为宽度、长度相同，不同高度的条形基础在荷载控制组合作用下的影响曲线；图6为宽度、高度相同，不同长度的条形基础在荷载控制组合作用下的影响曲线。由图可看出，此控制荷载组合作用下，同时满足3个指标基础截面设计的关键因素为滑移计算。

通过计算分析，由图4～6可看出滑移指标与条基体积成正比，如果不改变条基形式，这一指标直接决定了条形基础混凝土用量。

2 优化基础设计方案

本工程通过改造条基形式，利用支架基础前后立柱受力不均使条形基础偏心布置，并增加防滑键来抵抗基础滑移，从而达到减少混凝土用量的目的。图7为改造后的条形基础形式受力示意图，改造后的条形基础称之为构造式条型基础(方案二)。采用上面的荷载控制组合对方案二进行受力分析，图6 b为同一截面下，不同长度的构造式条形基础在控制荷载组合作用下的影响曲线。对比方案一(图6 a)可看出，采用构造式条基基础体积明显减低。