湿陷性黄土地区光伏支架基础不均匀沉降问题及解决措施

■ 苗广威 张广平 郭航 蔚博琛 柳斌

（1.中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司；2.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室； 3.兰州大学土木工程与力学学院）

0 引言

我国的黄土面积分布较广，约63.5万km2，占全球总黄土面积的4.9%[1]，而其中湿陷性黄土面积约占我国总黄土面积的60%，且大多分布在我国西北地区。我国西北地区地域面积大、光照资源丰富，并且随着光伏扶贫政策的深入落实，西北地区建设的光伏电站越来越多。但由于西北地区光伏电站大多建在黄土地基上，也有一部分是建在湿陷性黄土地基上，而湿陷性黄土地区的湿陷性会引发基础沉降，从而导致上部结构的变形甚至破坏。因此，在湿陷性黄土地区建设光伏电站时，需要对光伏支架的结构形式进行研究，以降低处理湿陷性黄土的造价，解决基础沉降及上部结构变形破坏的问题，降低湿陷性黄土对光伏支架的影响，从而可使光伏电站在保证安全运营的情况下，产生更多的经济效益。

1 湿陷性黄土地区光伏支架应用存在的问题

光伏支架的应用已相当普遍，但在湿陷性黄土分布广泛的地区，光伏支架的应用存在基础不均匀沉降、地基处理工程造价高、上部结构形式自动化程度低等问题。

1.1 基础不均匀沉降的危害

黄土遇水后，其自身结构迅速破坏并显著下沉，再加上支架自身重力的作用，黄土的强度和承载力会随之降低。光伏支架基础是光伏电站的重要组成部分，其工程量大、工程造价较高，是光伏电站土建设计的重点。在湿陷性黄土地区，部分基础会发生不均匀沉降的现象，最终导致基础被破坏。图1为光伏支架破坏现场，由图1可知，支架上部结构发生了不均匀变形，最终导致光伏组件被破坏而不能正常工作，带来了巨大的经济损失，甚至会造成较大的安全事故。

图1 光伏支架破坏现场

1.2 常见地基处理方式的缺点

光伏支架遇到湿陷性黄土时，常见的处理措施有：消除已有土层的湿陷性、基础穿透湿陷性黄土层、基础采用防水材料。表1分析了以上3种方法的处理方式及其存在的不足。

由表1可知，在湿陷性黄土地区直接处理光伏支架地基的造价较高，施工过程冗杂，施工周期长，不具经济性。因此，需对光伏支架结构形式加以研究优化，以解决湿陷性黄土地区基础不均匀沉降带来的危害。

表1 常见的光伏支架在湿陷性黄土地基的处理方式及缺点

1.3 常见光伏支架结构形式在湿陷性黄土地区应用的局限性

如何优化光伏支架结构形式，降低工程造价，使光伏支架结构的安全性与经济性并存，是湿陷性黄土地区光伏电站建设设计的难点。目前，光伏支架的形式多种多样，但是适用于湿陷性黄土地区的光伏支架还有待研究，尤其是基础不均匀沉降引起的结构变形这一问题亟待解决。

图2 固定式光伏支架

山海建等[2]介绍的固定式光伏支架如图2所示，主要由光伏组件、组件固定架及支撑杆组成。固定式光伏支架具有结构形式简单、施工难度相对较低的优点，但是在湿陷性黄土地区，地基不均匀沉降易导致上部结构破坏，因此不宜采用此种光伏支架。

黄天云等[3]提出了一种人工调节倾角的圆弧式光伏支架，如图3所示。该支架在首次安装时，旋转圆梁，将组件调到所需倾角，连接件可在相应的定位孔上将圆梁与底支撑连接。若后续需调节组件倾角，可去掉圆梁与底支撑的连接件，旋转圆梁，调节到所需倾角后，再在对应定位孔上通过连接件将圆梁与底支撑连接。该光伏支架能够通过调节倾角获得更多的发电量，但是其调节的自动化程度太低，人工操作难度较高，在调节过程中很难控制光伏支架的稳定性，并且该支架结构不能解决湿陷性黄土地区基础不均匀沉降导致的上部结构破坏的问题。

图3 圆弧式光伏支架

李秋鹏等[4]提出了一种随地形自适应可调节光伏支架，如图4所示。此光伏支架通过调节上部后支腿和下部后支腿的高度来改变不同坡度下光伏组件的倾角，以满足不同地形下光伏支架安装的条件。但该种结构调节难度较高，且湿陷性黄土地区光伏支架结构对基础形式的要求也较为严格，很难将该种支架应用于湿陷性黄土地区。

图4 自适应可调节光伏支架

上述各种光伏支架在外荷载作用下不能自动调节上部结构的高度和光伏组件的倾角，人工手动调节的难度较高，自动化程度太低，地基处理工程造价高，人工维护所用费用大，且在湿陷性黄土地区光伏支架基础不均匀沉降时会导致支架上部结构变形，从而引起光伏组件的破坏，因此，这几种支架结构均不适用于湿陷性黄土地区。

2 长圆孔式横梁-檩条光伏支架

2.1 结构形式

本文提出了一种在外荷载作用下可以使支架调节上部结构高度及自动调节檩条转角和距离的长圆孔式横梁-檩条光伏支架，系统性地解决了湿陷性黄土地区基础不均匀沉降的问题，避免了以较高的造价进行地基处理，并且实现了结构自动化调节的目标。

长圆孔式横梁-檩条光伏支架的基础结构形式简单，对湿陷性黄土进行简单处理后，采用独立基础即可，能有效降低地基处理的工程造价，缩短了施工周期。独立基础的传统施工方法为：基础开挖→支模→绑扎钢筋→浇筑混凝土，但在野外施工时，由于传统的施工方法耗时、耗力，因此，建议采用工厂预制的杯口基础，如图5所示，并将其运送至施工现场进行拼装。

图5 杯口基础

长圆孔式横梁-檩条光伏支架的优势主要体现在竖向高度可调及自动调节檩条转角和距离。

1)竖向高度可调。可改变长圆孔式横梁-檩条光伏支架高度的竖向高度可调装置如图6所示。该装置主要由支柱和可调装置组成。支柱分为上支柱和下支柱，下支柱与基础顶部连接，上支柱与竖向支架相连，结构材质均为Q235钢材；可调装置包括3个互成120°的螺杆、套筒和上下两个圆形平台，并置于上、下支柱之间。通过套筒转动螺杆，上平台跟随螺纹的转动上升或下降，从而达到改变光伏支架高度的目的。

图6 竖向高度可调装置的结构图、立面图、俯视图及可调装置正视图与立体图

2)檩条转角和距离可调。长圆孔式横梁-檩条光伏支架的转角和距离可调，如图7所示。光伏支架的钢材采用Q235钢材，由热浸镀锌工艺加工；支架系统主要包括横梁、角钢和C形檩条，角钢通过螺栓连接于支架的横梁上。

图7 长圆孔式横梁-檩条光伏支架节点

长圆孔式横梁-檩条光伏支架中，在角钢上开长圆孔，檩条与角钢通过销栓相连，檩条可绕销栓上下转动；在荷载作用和基础不均匀沉降时，檩条绕销栓转动时，会改变檩条与横梁的距离和转角，檩条可沿长圆孔水平滑动，从而保证结构的稳定和平衡，支架系统不会因内力过大而被破坏，使光伏支架的倾角可以更加安全地调整。

相比于传统的光伏支架形式，长圆孔式横梁-檩条光伏支架具有竖向高度可调及自动调节檩条转角和水平距离的特点。当基础发生不均匀沉降时，长圆孔式横梁-檩条光伏支架的节点可以改变檩条转角和水平距离，从而不至于使基础因沉降不均匀而引起上部结构的破坏，并配合调节光伏支架竖向高度，使该光伏支架适宜在湿陷性黄土地区使用，实现了自动化调节的目的，避免了处理较厚的湿陷性黄土土层，有效降低了工程造价，解决了湿陷性黄土地区基础不均匀沉降的问题，保证了光伏支架结构承载力满足要求。

下文对长圆孔式横梁-檩条光伏支架的承载力情况进行了详细分析。

2.2 承载力计算

长圆孔式横梁-檩条光伏支架采用钢结构，固定支架倾角为37°，纵向跨度为22 m，支架宽为2.17 m，高为1.70 m，檩条材质选用Q235钢材，表面处理方式为热浸镀锌。结构分析及节点校核需考虑恒载、风荷载、雪荷载及地震作用，并采用SAP2000V17钢结构分析软件进行计算分析。

表2 结构设计参数

2.2.1 荷载工况

1)结构自重。结构自重由软件自动计算。

2)恒载。考虑组件自重后恒载取值为0.15 kN/m2。

3)雪荷载。组件水平投影面上的雪荷载标准值可由式(1)计算：

式中，Sk为雪荷载标准值；μr为积雪分布系数，对于倾角为37°的光伏组件，经线性插值后，μr取0.64；S0为基本雪压，根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[5]附录中的公式E.3.4，此处取0.14。

代入数值，可得Sk=0.09 kN/m2。

4)风荷载。风荷载可由式(2)求得：

式中，wk为风荷载标准值，kN/m2；βz为高度z处的风振系数，此处取1.0；μs为风荷载体形系数，根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[6]，正风风荷载体形系数μs+=1.3，逆风μs-=-1.3；μz为风压高度变化系数，场地为B类地貌，结构最高点距地面高度小于10 m，风压高度变化系数取1.0；w0为基本风压，kN/m2。

按照规范GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[6]第6.8.7条的要求，风荷载取25年一遇的基本风压，现以兰州地区为例，则基本风压w0可表示为：

式中，w10、w100分别为10年、100年重现期的风压。

由于风荷载体形系数μs的取值不同，所以，风荷载标准值wk可分别为：wk+=1.0×1.3×1.0×0.26=0.34 kN/m2；wk-=1.0×(-1.3) ×1.0×0.26=-0.34 kN/m2。

2.2.2 SAP2000建模分析

1)荷载工况组合。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[6]第6.8条规定，荷载组合需考虑以下10种情况，具体如表3所示。

表3 荷载工况组合

2)结构设计校核。完成荷载工况定义及组合后，按照GB 50017-2003《钢结构设计规范》[7]进行结构设计校核分析。

光伏支架计算模型如图8所示。

图8 计算模型

最大工况荷载组合下的结构弯矩图、轴力图和变形图分别如图9～图11所示。

通过分析图9～图11，根据设计校核结果可知，构件挠度满足规范要求，在最大荷载工况组合作用下，支架后立柱和斜撑内力较大。为确定结构承载力是否满足要求，结合图12的结构应力比简图，来分析结构承载力。

图9 最大工况荷载组合下的结构弯矩图

图10 最大工况荷载组合下的轴力图

图11 结构变形简图

图12 最大荷载工况组合下结构应力比简图

由图12可以看出，在最大荷载工况组合下，檩条等主要受力构件的应力比＜1，这表明长圆孔式横梁-檩条光伏支架结构的承载力满足要求，可以适用于湿陷性黄土等基础易发生不均匀沉降的地区。

4 结论

本文通过对湿陷性黄土地区光伏支架应用过程中存在的一些问题进行分析，得出以下结论：

1)在湿陷性黄土地区，光伏支架基础不均匀沉降导致上部结构变形过大以至于被破坏，从而影响结构正常使用；对于湿陷性黄土地区的地基进行处理，工程造价高，而通过优化光伏支架上部结构形式的方式解决黄土湿陷性的问题更具经济性。

2)针对湿陷性黄土地区，本文通过竖向可调装置改变光伏支架高度，并通过光伏支架檩条绕销栓转动和滑动改变檩条与横梁的转角和距离的方式来改进光伏支架的形式，有效解决了基础沉降不均匀引起上部结构破坏的问题，具有结构巧妙，稳定，安装拆卸方便快捷，成本低，实用性强的特点。

3)经过计算分析，长圆孔式横梁-檩条光伏支架承载力满足要求。在湿陷性黄土地区，该光伏支架结构相比其他的光伏支架结构更具经济性，且避免了处理较厚的黄土土层，自动化水平更高。