谈山西境内光伏电站的岩土勘察特点和方法

张 伟 时

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)



谈山西境内光伏电站的岩土勘察特点和方法

张 伟 时

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司，山西 太原 030001)

介绍了山西境内光伏电站岩土勘察前资料搜集的主要内容，从地质调绘、勘探和取样、原位测试、室内试验等方面，阐述了现场勘察的方法，为光伏电站的岩土勘察工作积累了经验。

光伏电站，岩土工程勘察，地质调绘，原位测试

0 引言

近年来，光伏发电作为可再生的新兴能源受到国家和地方的重视，由于其建设条件受制约的因素少，建设速度快，甚至作为一种扶贫项目进行推广。而光伏电站的岩土工程勘察目前基本上是执行GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)。该规范对于光伏场地的勘察有很大的局限性，且在勘察施工中的可操作性不强。作为一项发电站厂区的岩土勘察项目，由于其具有占地范围广、上部结构荷载轻、基础埋深浅及勘察施工周期短等特点，因此在勘察方法手段和工作量的布置方面与传统的火电又有着很大的差别。

首先，光伏电站的占地面积大，以30 MW为例，达0.3 km2，而在山区实际的覆盖范围达1.5 km2，光伏板的设置需要在光照相对充足的方向；第二，上部结构轻，据相关资料，上部结构荷载一般1.2 kN/m2，加上可变荷载其总荷载一般不大于3.5 kN/m2，远小于一般的工业级民用建筑物；第三，基础底面埋深一般小于2.0 m，由于光伏组件支架对地基的下压荷载小，主要考虑基础的上拔和抗倾覆作用。

作者根据近年来诸多光伏电站项目勘察工作，对山西光伏电站勘察特点及方法进行一个简单的表述。

1 资料搜集

由于光伏场地占地面积大，而国家对建设用地的控制越来越紧，各地的开发高技术开发区及工业规划区基本上不包括光伏电站的占地，因此，光伏场地的选址多位于湿陷性黄土地区、煤矿采空区、矿山排土场等岩土工程条件较差的地段。场地的资料收集是光伏场地勘察中十分重要的工作。

1)矿区的资料。山西素有“煤铁之乡”之称，煤层的分布区域几乎占了全省总面积的2/3，煤层开采后形成的采空区将导致地表的严重变形，对光伏组件基础的稳定性有极大的影响。对特定采空区区域进行稳定性评价是一项复杂、细致且周期较长的工作，而光伏场地勘察周期短的特点则要求我们主要依靠搜集到的资料去完成。按照GB 51044—2014煤矿采空区岩土工程勘察规范，采空区场地工程建设适宜性评价可采用工程类比法、采空区特征判别法、活化影响因素分析法和地表剩余变形判别法等方法。搜集和调查场地地下煤层的分布和开采情况是最主要的内容。煤层的空间分布，如顶板埋深、顶板岩性、煤层厚度、煤层数量、煤层产状、煤层所在地层(山西的可采煤层在北部以侏罗系、中部及南部以石炭系地层为主)以及煤层的开采规划、开采方式、开采年代、采厚比、采空区的地表变形特征及发展趋势地表移动变形值等。多年的沉降观测资料也是判定场地稳定性的重要依据之一。

除煤矿矿区外，山西的铁矿也分布广泛。山西的铁矿一般分为两种，一种是位于石炭系底部的风化式沉积铁矿，另一种是前寒武纪的变质铁矿。风化式铁矿多伴有铝土矿，矿区分布范围广，但规模一般较小，多为露天开采，少数为矿洞开采；变质铁矿分布范围相对较小，但规模较大，开采方式为露天开采。对于铁矿区的资料搜集主要应掌握其矿区分布范围，可以避开即可。

除上述两种主要矿产之外，采石场也是勘察阶段需要调查和资料搜集的内容。山西的采石场主要分布于变质岩、岩浆岩和石灰岩分布区。采石场的规模一般较小，但分布广泛。开采方式多为露天开采。采石场对光伏场地的隐患主要是露天爆破。因此，采石场的调查不仅要通过现场踏勘更要搜集其相关的合法的采区范围和开采手续。

其他矿种的分布范围和规模相对较小，涉及光伏场地的地段也应进行必要的资料搜集工作。

2)矿山排土场和发电厂贮灰场。排土场的填土厚度从十几米到上百米不等，作为布置光伏组件的场地，应充分调查排土场堆积物的组成、厚度、堆积年限等；发电厂贮灰场场地主要由粉煤灰组成，其堆积厚度、堆积年限也应通过资料搜集取得。

3)当地建筑经验。目前山西境内的高压输电线路网密布，加上发电厂、变电站众多，新建光伏场地常常与已建线路位于同一地貌单元，地基土类别、地基土工程性质及空间分布类似，特别是黄土分布的地区，可以通过对其他工程项目资料的搜集定性甚至定量的评价新建线路的杆塔地基土的性质和参数。当然除电力工程以外的其他工业、民用项目的建设经验同样有参考价值。

2 现场勘察

1)地质调绘。

对于各级复杂等级的光伏场地，地质调查与测绘是最主要的手段之一。目的是查明场地内的微地形地貌、地层岩性组成、地层的产状及空间分布、地质构造及是否存在不良地质现象等，为场地的稳定性评价提供依据。

山西位于中国黄土高原的东部，黄土广泛分布于吕梁山和太行山的山前、山间黄土丘陵区及汾河谷地的高阶地。山西的黄土地区受风化剥蚀严重，往往是冲沟、落水洞等不良地质作用发育，边坡陡峭、地形破碎，首先应须确定的是光伏组件场地的地质稳定性。由于光伏组件等上部结构的荷载较小，基础埋深浅，勘探深度一般小于10.0 m，对于基岩出露广泛的场地，应充分调查岩石的岩性、产状、岩石节理裂隙的发育程度、岩石的完整性、强风化层的厚度等；在黄土地区，查明黄土的地质年代、空间分布和厚度。通过现场的地质测绘，进行工程地质条件分区，测绘成果作为勘察的基础信息反映在相应的图件里，为光伏场地类别的判定和地基基础设计选型提供依据。

2)勘探和取样。

由于光伏组件的荷载较小，基础埋深浅，占地面积大，但上部结构单一，地基基础设计在地基类型类似的情况下也尽可能一致，以简化施工工艺，易于质量控制，降低工程造价，因此定性的划分出地基土的组成和空间分布、提供场地内主要的地基持力层和下卧层的物理力学指标是主要目的。就常规的勘测手段来看，钻探工作主要针对场地相对平坦、地下水水位埋深较浅的地段，如山西北部的大同、朔州一带盐渍土发育地区。由于主要是针对浅部土层，因而大多可以采用轻便钻探；钻探也适用于人工填土形成的场地，如矿山排土场和发电厂贮灰场等。在同一地貌单元，勘探点可依据地层的复杂程度有针对性的布置，间距100 m～200 m或者更大，同样勘探线间距150 m～300 m或更大；而探井一般布置于黄土地区，同一地貌单元，可安排2个～4个勘探点。按照设计要求，湿陷性黄土地基，需全部或部分消除湿陷性。其中，Ⅰ级非自重湿陷性土层一般不做处理，其他的Ⅱ级及以上的自重或非自重湿陷性黄土处理深度一般1.0 m～3.0 m，常用的处理方式为采用人工地基，做短桩基础。因此，对于非软土地段，勘探点的深度一般为5.0 m～8.0 m；在完全由岩石组成的光伏场地，只要不存在断层、滑坡等可能产生不良地质作用的情况，可不布置勘探点，通过现场工程地质测绘即可满足勘察要求。

山西省境内的光伏电站，一般都位于低中山区及山前黄土丘陵，也有少数位于煤矿的采煤沉陷区(如阳泉光伏发电示范区)或矿区排土场和发电厂的贮灰场。对于岩石地基，其工程性质基本满足光伏组件支架天然岩基的要求，可直接采用经验值；黄土地基则可通过人工探井取原状土样，并进行土工试验获得岩土参数；而钻探取原状土样主要针对地下水埋深较浅的场地。排土场和贮灰场等人工填土场地一般取扰动土样进行室内试验。

3)原位测试。

众所周知，光伏组件基础具有荷载小、埋深浅的特点。在工程实践中，我们认为相对适合的且可操作性较强的原位测试项目一般为轻型动力触探、标准贯入试验和静力触探，其中轻型动力触探、标准贯入试验适合于一般粘性土、黄土、人工填土等场地；静力触探一般适用于软土场地，而且还可以考虑增加十字板剪切试验。当然，原位测试成果的应用还应根据地区经验，综合分析，为地基基础设计提供合理的参数。

4)室内试验。

原状土样一般用于土的常规物理力学试验，除此之外，黄土地区的人工探井土样还需进行湿陷性试验；扰动土则以击实试验为主，必要时进行颗粒分析，如地基土地震液化判定所需。

对于土的腐蚀性评价应按照GB 50021—2001岩土工程勘察规范(2009年版)进行。根据多年黄土地区的勘察经验，黄土对建筑材料均为微腐蚀，因此在没有外来污染源的情况下，可不取样进行腐蚀性分析；而对于地势低洼的盐碱场地、曾经受矿井及其他工业污水排水影响的场地土层则应取样分析。光伏支架基础位于水中时，应取水样进行腐蚀性分析。

3 结语

1)山西省内已建的光伏电站多位于中低山和黄土丘陵区，场地的工程地质条件相对较好，岩土工程勘察方法一般以资料搜集工程地质调查、测绘为主，按照地貌单元布置少量的勘探点，如轻便钻探和井探作为辅助手段，基本满足光伏组件地基基础的设计要求。

2)对位于煤矿采空区的光伏场地，应当充分搜集矿区资料，包括采空区类型、开采方式及顶板管理方式、终采时间、地表移动变形特征、煤层采厚比等，定性、定量相结合的方法评价场地的稳定性和适宜性。

3)位于矿山排土场和发电厂贮灰场的光伏电站场地的勘察方法以钻探为主，现场工程地质调查和测绘及资料搜集作为辅助手段。

4)现场勘探点的间距宜根据场地的复杂程度确定，以能够定性的查明场地的地基土类别和空间分布为准，勘探点的深度应满足提供地基持力层和下卧层的设计所需的岩土参数为限。

[1] GB 50021—2001,岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

[2] GB 50797—2012,光伏发电站设计规范[S].

[3] 周 颖.光伏电站支架及基础设计[J].中国科技信息，2014(21)：87-88.

Discussion on the characterstics and methods of geotechnical investigation of photovoltaic power station in Shanxi

Zhang Weishi

(ChinaEnergyEngineeringGroupShanxiElectricPowerEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

The thesis introduces main data collecting contents before photovoltaic power station geotechnical survey within Shanxi province, and describes in-situ surveying methods from aspects of geological prospecting, exploration and sampling, in-situ test and indoor test, which has accumulated experiences for geotechnical survey of photovoltaic power station.

photovoltaic power station, geotechnical engineering survey, geological prospecting, in-situ test

1009-6825(2017)14-0047-02

2017-03-03

张伟时(1958- )，男，高级工程师

P624

A