地面光伏电站支架基础选型与设计

戴维斯，杨帆，牛延宏

（1.上海电力设计院有限公司，上海200025；2.同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 引言

光伏支架基础是将安装光伏组件的支架结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分。与建筑结构的基础相比，光伏电站支架基础所承受的荷载相对较小，设计、施工难度不大，但数量庞大，其安全性、经济性对整个工程的影响很大。支架基础的选型与设计需综合考虑工程地质条件、水文条件、上部支架结构类型、荷载条件、施工工艺，并应结合工期要求和地方经验进行优化和调整。

2 支架基础形式

根据不同的地质条件，光伏支架基础有多种形式。按荷载传递形式分，光伏支架基础主要有扩展式基础、桩基础和锚杆基础等。支架基础选型时，既要与支架形式相匹配，满足其所承受的荷载条件和使用要求，又要考虑地质情况、水文条件。由于光伏电站一般有并网时间节点要求，建设工期较短，基础选型还应考虑施工工艺的快捷性与方便性，并兼顾经济指标和环保要求。

2.1 扩展式基础

扩展式基础有独立基础和条形基础2种。扩展式基础一般采用现浇混凝土，如果现场浇筑不便，或冬季施工时，还可以考虑采用工厂预制的方式，减少现场湿作业和养护。扩展式基础底面积大，基底压力小，刚度大，整体性好，对地基沉降变形有较好的适应性，适用于压缩模量较小、承载力较低的软弱土地区和采煤沉陷区、湿陷性黄土地区、新近回填的欠固结土等特殊地质条件。但是，扩展式基础需开挖土方，工程量大，造价较高；破坏地表植被和形貌，不利于生态环境保护；在地下水位较高的地区施工困难。因此，在地面光伏电站中已较少采用。

2.2 桩基础

桩基础有混凝土灌注桩基础、混凝土预制桩基础、钢桩基础等，是目前应用最广泛的支架基础形式。光伏支架采用桩基础时，一般不设置承台，支架立柱与基础通过插接、焊接、预埋锚栓、法兰盘等形式连接，或直接采用桩柱一体形式。

灌注桩基础采用机械化成孔，施工方便，人工用量较少，对地表土破坏及扰动小，可穿透坚硬的土层。基础顶面标高可以调节，以适应地形起伏变化。由于支架所采用的灌注桩基础桩径较小，一般采用干作业成孔，需满足成孔过程中不塌孔的条件，不适用于软弱土、松散砂土、碎石土和地下水位较高的场地。灌注桩需现场浇筑混凝土，在冬季施工中养护困难，也不宜采用。

混凝土预制桩基础可在工厂预制，批量生产，现场无须开挖，施工速度快，冬季施工无须养护，成桩质量好，可根据地面起伏调整桩顶标高。在工厂制作时可根据需要掺入防腐蚀的外加剂，耐久性好。适用于黏性土、粉土场地。如遇卵砾石地层时则沉桩困难，易偏心或断桩，不宜采用。预制桩基础还适用于近海滩涂、“渔光互补”等水上光伏电站。混凝土预制桩施工依赖打桩或压桩机械，适用于较平整的场地，不适用于山地光伏电站。偏远地区还需考虑运输成本。

钢桩基础有型钢桩基础、螺旋钢管桩基础等类型。钢桩基础施工不受季节影响，无须土方开挖，无须预成孔，施工完成后无须养护，施工便捷。在光伏电站达到设计使用年限时，场地恢复容易，绿色环保，废旧的钢桩可以回收利用，产生较好的经济效益和社会效益。型钢桩基础还可以与支架立柱一体化设计，受力性能更优。但钢材易发生腐蚀，在地基土和地下水有较强的腐蚀性时，需采取有效措施对钢桩进行防护。

2.3 锚杆基础

锚杆基础是由设置在岩土中的锚杆和混凝土承台或型钢承压板组成的基础。岩石地基上的锚杆基础有2种：一种是植筋锚杆基础，在岩石中钻小孔，采用植筋工艺，通过灌注黏结剂将锚杆锚固在岩石中；另一种是岩石锚杆基础，采用凿岩设备成孔，灌注砂浆或细石混凝土，将锚杆锚固。锚杆基础适用于岩石埋深较浅或直接出露的场区，岩石风化程度需为中等风化～未风化，完整程度为较完整～完整，有地下水时不宜采用[1]。

3 支架基础的设计要点

支架基础的选型、受力分析和设计与上部支撑光伏组件的支架形式密切相关。目前，应用较多的支架形式有固定式、倾角可调式、平单轴跟踪式、斜单轴跟踪式等。固定式支架可采用双立柱和单立柱2种形式，其他几种支架一般采用单立柱形式。作用在支架上的荷载主要为永久荷载、风荷载和雪荷载，传递到基础顶面时主要为竖向荷载、水平荷载和弯矩。支架基础设计需注意以下几点：

1）各类型的基础均需进行竖向承载力计算。竖向荷载是作用在基础上的主要荷载，决定了扩展基础的底面积、桩基础的桩径和桩长、锚杆基础的截面积和长度，对工程量影响最大。

2）作用在基础顶面的水平荷载主要是由风荷载产生的。采用驱动轴的跟踪支架基础，还需承受较大的水平推力。对桩基础而言，其截面尺寸往往受水平承载力控制，可采用m法验算单桩水平承载力。在采用单立柱单桩基础时，需将桩基础视为压弯构件，按桩身最大弯矩验算其抗弯承载力。

3）为保护环境，减少土方工程量，光伏场区通常不做场平，因此，地形往往有起伏。对不具备高度可调节功能的上部支架，基础顶标高有较为严格的要求。此时，为保证支架顺利安装，基础实际出地面高度会与按理想水平地面计算的高度发生变化，力的作用点也发生了变化。计算时需考虑上述因素进行包络设计，并在设计文件中注明基础顶面允许变化的范围。

4 典型光伏电站支架基础设计

4.1 山地光伏电站

某领跑者光伏电站场址位于太行山中部，地貌上属剥蚀中山-黄土丘陵区。场地范围内地势起伏，冲沟发育，地面标高一般在1 130～1 300m。地基土主要由二迭系上统石千峰组砂岩夹薄层页岩组成，多数场地局部或整体地段覆盖第四系中、上更新统黄土（Q2+3），厚度一般为2.0 ～3.0 m，湿陷特征不显著。地下水位埋深一般大于10m。

光伏组件布置有竖排2（排）×13（块）和2（排）×16（块）两种形式，采用固定倾角36°，支架为固定式支架，前后排双立柱布置。由于山地地形起伏，坡度不一，光伏子单列布置采用随坡就势，支架基础需具备一定的标高调节能力，才能使支架适应地形变化，实现设计倾角。因此，本项目采用预埋钢管灌注桩基础。灌注桩直径180mm，入土深度根据不同区域地层厚度变化通过计算确定，采用1～1.8 m不等，出地面0.1 m。混凝土强度等级C30。预埋钢管外径76mm，壁厚4.0 mm，总长0.6 m，埋入灌注桩0.45 m，露出桩顶0.15 m[1]。钢管顶部设1个对穿螺栓孔和4个锁紧螺栓孔，底部焊接钢筋笼。支架立柱外径略小于预埋钢管内径，安装时，立柱插入钢管后，选择合适的排孔位置，安装对穿螺栓，通过锁紧螺栓紧固，安装完成后刷防腐漆防腐。通过调节立柱埋入预埋钢管中的深度，实现立柱高度的多级可调，从而适应不同的地形起伏。

4.2 荒漠戈壁光伏电站

某领跑者光伏电站位于祁连山山系的宗务隆山脉南麓，总体地形开阔平坦，北高南低，地貌上属高原荒漠戈壁滩。地面高程约为3 000～3 150m。地基土主要由第四系角砾（Q4al+pl）组成，厚度6.0 ～7.8 m。勘察场地未见地下水。

光伏组件布置采用固定式支架和平单轴跟踪支架2种。固定式支架采用预埋钢管灌注桩。平单轴跟踪支架立柱间距较大，基础所承受的荷载大于双立柱固定支架基础。靠近驱动轴的立柱基础还需承受较大的水平荷载。平单轴组件离地高度需满足±45°倾角时不小于0.5 m，因此，桩基础出土高度约在1m。综合考虑地质条件、支架结构形式和施工条件，平单轴支架基础采用干作业成孔灌注桩。桩径300mm，入土深度2m，出地面1m。出地面部分桩基础受力状态接近压弯构件，桩纵筋配置根据桩身最大弯矩确定，并配置螺旋式箍筋抵抗桩身剪力。桩顶预埋钢板，与支架立柱焊接。

4.3 水上光伏电站

某领跑者光伏电站位于江西省，光伏阵列所在区域全部为湖泊。光伏电站建设容量250MWp，防洪等级为Ⅱ级，防洪标准为≥50 a一遇的高水位[2]。湖区水位受上游来水和外湖水位的双重影响，勘察期间湖面标高为14.5 m（1985国家高程，下同），湖水深度0.00 ～4.00 m，根据二维数学模型计算的50 a一遇洪水位为17.5 m。场地表层为湖水，下部为残积粉质黏土，下伏基岩为白垩系泥质砂岩。

光伏组件布置采用固定式支架、平单轴跟踪支架、斜单轴跟踪支架和漂浮浮体式。因湖水较深，水域面积大，基础施工需采用水上作业。根据上述特点，本工程支架基础采用预应力高强混凝土管桩。桩顶标高按组件最低点高于50 a一遇洪水位0.5 m确定。桩长根据水下地形图分区域计算，桩端持力层进入粉质黏土层不小于3.5 m。因桩基础出土高度较高，受力状态接近长悬臂压弯构件，桩型选择需根据桩身受弯承载力设计值和按标准组合计算的桩身抗裂弯矩双重控制，保证桩处于弹性状态。对斜单轴跟踪支架，其前后立柱和桩端平面形成四面体，立柱相对桩基础的刚度较小，对桩顶位移较为敏感。因此，在受水平力较大的2根后立柱桩顶增设了1根拉杆，使其对桩顶的侧向力自平衡，增强了体系的稳定性。

4.4 冻土地区光伏电站

某示范基地光伏电站位于坝上高原，受地表水面流的侵蚀作用，地形起伏不大。地面高程约为1 300～1 350m。地层主要由粉土、细砂、中粗砂、黏土、强风化玄武岩组成。场地内存在的特殊性岩土主要为季节冻土及盐渍土。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》及其附录F“中国季节性冻土标准冻深线图”，该地区季节性冻土标准冻深为200 cm，结合当地建筑经验和地层岩性，判断地基土冻胀性类别为弱冻胀，冻胀等级为Ⅱ级。场地地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性；钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下具弱腐蚀性，在干湿交替条件下具强腐蚀性。场地土对混凝土结构有弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。

光伏组件布置采用固定式支架、平单轴跟踪支架和固定倾角可调支架。由于地下水在干湿交替条件下对混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性，根据GB/T 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计标准》，如采用灌注桩，在混凝土硬化过程中腐蚀性介质会进入桩身，因此，支架基础可选用预应力高强混凝土管桩。桩身混凝土掺入抗硫酸盐外加剂、阻锈剂。确定桩的入土深度时，除验算单桩竖向承载力，还需按季节性冻土上的短桩基础验算其抗冻拔稳定性。在弱冻胀条件下，表层粉土的切向冻胀力达到30～60 kPa[3]，如果单纯增加桩长来抵抗冻拔力，所需桩长较长，经济性较差。为此，采取构造措施，桩基施工前采用预钻孔，孔径略大于桩径，沉桩完成后，在桩周围回填密实的中粗砂，以消除冻胀力影响。

5 结语

在支架基础设计时，应根据上部支架结构形式和地质情况，结合施工条件进行合理选型。并且还需要考虑现场实际情况，按支架基础实际受力状态确定计算模型，在保证安全的前提下进行合理的优化设计。