锚杆灌注桩基础在山地光伏电站光伏支架基础中的应用研究

明小燕，奚 泉，周 毅

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，昆明 650051)

0 引言

云南省的太阳能资源仅次于西藏自治区、内蒙古自治区、青海省等省区，为我国太阳能资源最丰富的省份之一。云南省内大部分地区的地势较高，山地、高原占全省总面积的94%，地形条件复杂，平地资源有限，因此可进行太阳能资源开发的土地多为山地。

光伏支架基础作为光伏发电项目极其重要的组成部分，其形式多样，数量庞大。而如何为复杂多变的山地地形选择安全、经济、适用的光伏支架基础，已成为山地光伏电站土建设计的重点。

本文以云南省楚雄州双柏县某山地光伏电站工程的实际情况为例，结合该光伏电站所在地地形多为坡陡、冲沟的特点，进行光伏支架基础选型研究，针对大型钻孔设备无法到达的区域，提出了一种安全、经济、适用于山地光伏电站的新型光伏支架基础形式—— 锚杆灌注桩基础，并对其进行了拉拔试验。

1 光伏支架基础的受力分析

本山地光伏电站采用310 Wp单晶硅光伏组件，单块光伏组件的尺寸为1635 mm×992 mm×35 mm，重量为19.5 kg；电站采用固定式光伏支架，支架的倾角为27°；20块光伏组件串联成1串光伏组串，以“10列×2行”的形式布置在1个光伏支架上。单个光伏支架的示意图如图1所示。

图1 光伏支架示意图Fig. 1 Schematic diagram of PV bracket

根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》，按50年一遇的风荷载进行取值，本山地光伏电站的风荷载取0.35 kN/m2[1]。根据GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[2]中第6.8.7条的要求，对光伏支架的荷载效应进行组合，所有光伏支架受到的荷载主要为以下4种荷载组合：

1) 1.2×自重荷载+1.4×1.0×正风荷载；

2) 1.2×自重荷载+1.3×水平地震力+1.4×0.6×正风荷载；

3) 1.0×自重荷载+1.4×1.0×逆风荷载；

4) 1.0×自重荷载+1.3×水平地震力+1.4×0.6×逆风荷载。

本山地光伏电站中光伏支架基础受力采用同济大学空间钢结构系统CAD软件系列中的3D3S软件进行计算[3]。通过建立光伏支架模型，计算得到光伏支架基础在各荷载组合下的承载力。通过计算可知，正风荷载作用工况是光伏支架基础承载力最大的工况；单根光伏支架基础承受最大上部荷载为6.4 kN。逆风荷载作用工况为光伏支架基础抗拔最不利工况，经计算，保证光伏支架稳定所需的光伏支架基础抗拔力极限值为9.6 kN。

2 本光伏电站中光伏支架基础的选型

2.1常见的光伏支架基础形式

目前常见的光伏支架基础形式主要有混凝土独立基础、混凝土条形基础、螺旋桩基础、微孔灌注桩基础及预制桩基础[4]。各种光伏支架基础形式的设计控制荷载、施工工艺及其所适用的地形、地质条件等信息如表1所示。

表1 不同光伏支架基础形式的特点及适用条件对比表Table 1 Comparison of characteristics and applicable conditions of different PV bracket foundation forms

2.2 本山地光伏电站的地质条件

本山地光伏电站场址的海拔在1460～1560 m之间；场址位于数个小山坡上，坡地总体为南向坡；场地总体平缓开阔，局部为坡陡，坡度可达到30°，同时场区位于冲沟发育地区。

本山地光伏电站的地基承载力受岩(土)体性质影响较大，根据该山地光伏电站场区的地质特性，将地基岩土分为4层，地层特征自上而下描述如下：

1)第1层为粉土夹碎石：呈灰褐色、褐黄色，碎石成分为紫红色砂岩，呈松散-稍密状，地层厚度一般为0.2～0.5 m，具有一定的承载力，可作为浅基础的持力层。

2)第2层为全～强风化泥岩：呈紫红、灰紫色，地层厚度一般为15～20 m，可作为光伏支架基础的持力层。

3)第3层为全～强风化砂岩：主要为石英砂岩、泥质粉砂岩，呈灰紫、灰绿色，地层厚度一般为15～20 m，可作为光伏支架基础的持力层。

第4层为弱风化砂岩：主要为石英砂岩、泥质粉砂岩，呈紫红色，弱风化，具有较高的承载力，可作为光伏支架基础的持力层。

本山地光伏电站场区内的岩土力学参数如表2所示。

表2 山地光伏电站场区内的岩土力学参数Table 2 Geotechnical parameters of mountain PV power station

2.3 锚杆灌注桩基础的设计

该山地光伏电站场区内整体上无制约工程建设的滑坡、崩塌、泥石流等不良物理地质现象发生，自然山坡稳定；虽然场区内有布置光伏阵列的地形、地质条件，但施工条件较差。

考虑到本山地光伏电站的实际情况，费时、费水、难于调平的混凝土独立基础和混凝土条形基础，以及对地质条件要求高、施工难度大的螺旋桩基础并不适合；同时，由于地层较硬，预制桩基础容易出现无法压桩的情况，因此该基础形式也不适用于本光伏电站。结合项目实际的地质情况，初步考虑本山地光伏电站的光伏支架基础采用微孔灌注桩基础。由于微孔灌注桩基础需采用专用的大型钻孔设备进行施工，虽然该山地光伏电站中绝大部分场区可采用此种大型钻孔设备，但对于少数坡陡和冲沟大的区域，此种大型钻孔设备无法到达，导致微孔灌注桩基础在这些区域也就无法使用。因此，需要专门设计可应用于此种区域的光伏支架基础形式。

通过现场地勘发现，无法应用微孔灌注桩基础的区域的表层土较浅，下伏基岩为全～ 强风化、弱风化的泥岩、砂岩，承载力及侧摩阻力较高，而本山地光伏电站的光伏支架主要承受风压荷载，对光伏支架基础的承载力及抗拔力要求不高，因此本山地光伏电站参照岩石锚杆的工程使用经验，设计了一种新型的光伏支架基础形式——锚杆灌注桩基础作为大型钻孔设备无法到达区域的光伏支架基础。此种基础钻孔时可采用体积较小的空压手风钻进行成孔，施工方便、快捷、经济性较好，能有效保证施工的质量及进度。

图2 锚杆灌注桩基础的平面图(单位：mm)Fig. 2 Floor plan of anchor rod cast-in-place pile foundation(Unit: mm)

本项目采用的锚杆灌注桩基础的平面图如图2所示。其中，该基础拟定桩长1.2 m，桩身穿过第1层粉土夹碎石层，桩端置于第2层全～强风化泥岩层；桩基钻孔直径为70 mm，钻孔深度为1.0 m，锚杆采用Φ25 mm的三级带肋钢，钻孔空隙灌入M25水泥砂浆。锚杆桩身伸出地面0.2 m，采用直径0.3 m的C25素混凝土圆柱体将露出地面部分的锚杆桩身进行包裹，以增加锚杆与预埋钢板的接触面积，从而增加锚杆灌注桩基础的抗弯性能。

锚杆灌注桩骨架的实物图、锚杆灌注桩基础的实物图分别如图3、图4所示。

图3 锚杆灌注桩骨架的实物图Fig. 3 Photo of skeleton of anchor rod cast-in-place pile

图4 锚杆灌注桩基础的实物图Fig. 4 Photo of anchor rod cast-in-place pile foundation

3 锚杆灌注桩基础的拉拔试验

由于该山地光伏电站场区的地质条件复杂，根据GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》[5]的要求，在光伏电站内进行锚杆灌注桩基础施工前，需在不同地质片区内布置试验桩，在试验桩灌注28天达到设计强度后，对试验桩进行拉拔试验，试验桩拉拔试验合格后方可进行光伏支架基础的施工。锚杆灌注桩基础试验桩的拉拔试验如图5所示。

图5 锚杆灌注桩基础试验桩的拉拔试验现场图Fig. 5 On-site photo of pull-out test of test pile of anchor rod cast-in-place pile foundation

根据本山地光伏电站中锚杆灌注桩基础使用区域的地质情况，在2个片区各布置3个锚杆灌注桩基础作为试验桩。其中，片区1表层的杂草较多，粉土夹碎石覆盖层较厚，约为0.3～0.5m；试验桩编号为①～③。片区2为全～强风化泥岩裸露区域，试验桩编号为④～⑥。锚杆灌注桩基础试验桩的拉拔试验结果如表3所示。

表3 锚杆灌注桩基础试验桩的拉拔试验结果Table 3 Pull-out test results of test piles of anchor rod cast-in-place pile foundation

由表3中的试验结果可知，本工程所采用的锚杆灌注桩基础满足设计要求。

4 结论

本文结合各种光伏支架基础形式的特点，针对云南省某山地光伏电站的实际情况进行了光伏支架基础选型研究，提出了适用于该山地光伏电站的安全、经济、适用的光伏支架基础形式。同时，针对该光伏电站中部分区域坡陡、冲沟多，导致大型钻孔设备无法到达的情况，结合岩石锚杆的工程使用经验，提出了一种新型的光伏支架基础形式—— 锚杆灌注桩基础，有效地解决了施工难题，且在满足经济性的情况下保证了工程的质量及进度，为复杂多变的山地光伏电站中光伏支架基础选型提供了新的思路。