山地光伏支架基础灌注桩适应性选择探讨

吴龙生，关永明，石亚

摘 要：因山地地形地质条件的限制，光伏支架基础选型合适与否对整个光伏发电项目的建设影响很大。文章依托某山地光伏发电项目工程案例，首先通过对四种常用山地光伏支架基础进行比选，选择微孔灌注桩基础作为支架基础形式，然后探讨此基础形式下单、双桩基础选型，对比分析出单、双桩基础形式各自的优缺点、适用地形地质条件，确定本次光伏发电项目电站支架的单、双桩基础选型，同时，为类似的山地光伏发电项目提供一定的借鉴与参考。

关键词：光伏发电;山地;光伏支架基础选型;单、双桩基础选型

中图分类号：TU476 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0145-04

Discussion on the Adaptive Selection of Photovoltaic Support Foundation Cast-in-place Pile in Mountainous Area

Wu Longsheng， GuanYongming， Shi Ya

（Guiyang Engineering Corporation Limited of Power China， Guiyang 550002， China）

Abstract：Due to the limitation of mountain terrain and geological conditions， the appropriate selection of photovoltaic bracket foundation has a great impact on the construction of the whole photovoltaic power generation project. The article relies on a mountain photovoltaic power generation project engineering case， first， through the comparison of the four commonly used mountain photovoltaic bracket base， the micro-hole cast-in-place pile base was selected as the bracket basis form. Then discusses the basic order and double pile base selection， compare and analyze the advantages and disadvantages of single and double pile base forms， applicable topographic and geological conditions， and determine the single and double pile base selection of the power station support of this photovoltaic power generation project. At the same time， to provide a certain reference and reference for mountain photovoltaic power generation projects.

Key words： photovoltaic power generation; mountain area; photovoltaic support base selection; single， double pile foundation selection

0 引言

隨着人类社会的不断发展与进步，传统能源（煤炭、天然气、石油等）的储备量在高速消耗的情况下日益减少[1]。因此，可再生能源的开发利用已成为世界各国调整能源结构、促进可持续发展的有力措施。在可再生能源领域中，利用太阳能的光伏发电产业已经成为继风力发电产业后发展最快、最大的产业[1]。我国70%以上的国土光照充足且光能资源分布较为均匀，为光伏发电产业发展提供了良好的资源基础。我国光伏发电技术最先起步太阳能电池的研究，进入21世纪后，光伏发电产业经国家一系列政策支持得到快速发展[2]。在光伏电站的组成中，支架基础是尤为重要的一个部分，它直接关系到支架系统的结构安全、施工难度、施工速度和造价成本等问题，因而支架基础的选型对于整个光伏发电项目的建设十分重要。

1 山地光伏电站特点及支架基础类型

1.1 山地光伏电站特点

如图1所示，山地光伏电站建设场址多选址在沙化、石漠化和荒漠化的山地，其地表大都起伏不平、朝向各异、基岩裸露、覆盖层零散分布，且多为强风化砂砾岩、片岩等较为坚硬的地质条件，这些都将导致山地光伏电站建设和施工难度更大、施工周期更长，造价成本更高。但是，由于山地多处于人烟稀少的偏远地区，土地征用成本低、土地利用受限少、管理方便等优势也让其具有很大的开发利用价值[3]。山地光伏电站因受地形地质条件限制，与地势平缓、地质条件较好地区的光伏电站相比，其光伏支架基础选型合适与否对整个光伏发电项目的建设影响更大，故在山地光伏电站建设开始前，选择兼具结构安全、施工简单且快速、造价经济的光伏支架基础是顺利且高质量建设山地光伏电站的关键。

1.2 山地光伏支架基础类型对比

目前，广泛采用的山地光伏支架基础包括钢筋混凝土独立基础、螺旋管桩基础、预应力管桩基础和微孔灌注桩基础[4-8]。表1对山地光伏支架常用基础类型的主体结构组成、受力特点、施工工艺特点以及适用范围进行了对比。结果如表1所示。

2 山地光伏支架基础选型案例分析

2.1 项目概况

某山地光伏发电项目位于贵州省黔西南州贞丰县挽澜镇境内，项目建设场址分为东西两区，两区域总体呈不规则多边形展布，其中东区东西最长约1.7 km，南北最宽约0.8 km，场内原始地面高程为1 550～1 770 m;西区东西最长约2.0 km，南北最宽约1.4 km，场内原始地面高程为1 200～1 455 m。整体高差在200～250 m，属低中山地貌。场址区自然坡度平缓，地形坡度在5～30°，基岩裸露，覆盖层仅见零星分布，其中东区基岩表面散布着松动块石，块石直径在0.3～3.0 m。整个场地地形东区较为平整，地形坡度不超过15°，但孤石林立，多为次坚石、坚石，场平工作量较大;西区地形起伏不断，地形坡度最大约30°，交通较为不便，但基本满足机械设备通行条件。整个场区植被较发育，场区范围未见规模较大滑坡体、崩塌堆积体、泥石流等分布。拟建山地光伏发电项目场址地形地貌如图2所示。

项目总装机49.2 MW，共14个方阵，单个方阵324组串，单个组串布置28块光伏组件。为保证光伏发电效率的最大化，光伏组件阵列排布根据所处地形应采取依山就势、顺坡布置的方式，且严格控制其倾角和方位角。

2.2 山地光伏支架基础选型分析

根据光伏发电项目建设场址的地形地貌分析可知，整个场址自然坡度较为平缓，基本上满足上述各类支架基础施工所需条件。进一步分析：对于混凝土独立基础，混凝土用量较大且施工时开挖土方量较大，虽然机械设备可到场，但是山地场址地形起伏不利于运输设备和开挖设备的长时间使用，且混凝土养护周期较长影响整体施工工期，故不采用此基础类型;对于螺旋钢管桩基础，由于项目场址位于南方，地表常年潮湿，支架基础易被腐蚀，且场址表面分布较多坚石不利于该支架基础打孔施工，故不采用此基础类型;对于预应力管桩基础，机械引孔会带来较高的成本，且该基础类型适用地形地质条件较为局限，故不采用此基础类型;对于微孔灌注桩基础，该基础类型适用地形地质条件较广泛、开挖量较小、成孔较为方便、混凝土钢筋用量较小、施工工艺较为成熟，故此基础类型较合适。

根据上述分析，结合光伏发电项目实际情况、综合造价成本等因素，本项目采用微孔灌注桩基础作为光伏支架基础选型。基于此，本文将进一步探讨此基础形式下单、双桩基础选型，对比分析出单、双桩基础形式各自的优缺点、适用地形地质条件，确定本次光伏发电项目电站支架的基础选型，单、双桩基础方案示意图如图3所示。

2.3 山地光伏支架微孔灌注桩—单桩、双桩基础选型分析

本次光伏发电项目设计基础采用微孔灌注桩基础，其中单桩基础采用直径为300 mm的灌注桩，双桩基础采用直径为150 mm的灌注桩，地下部分桩长均为1.5 m，地上部分桩长为0.3～0.5 m。它们的典型断面图如图4所示。本次光伏发电项目建设所涉及的主要施工包括：场地平整、基础造孔、孔桩灌注、支架及组件安装等。本文将在施工质量控制、施工工期、施工工程量、施工工程造价等方面对比分析单、双桩基础设计方案在有差异施工项目上各自的优缺点。

2.3.1 場地平整对比分析

根据本光伏发电项目实际情况与需求，单桩基础布置在一条轴线上，场平要求平整的宽度仅需满足施工要求即可，设置为3.0 m;而双桩基础由于前后排间距2.2 m，考虑施工作业需求，场平宽度设置在4.5 m以上。因而，单、双桩基础方案在场地平整项目上的施工工程量和施工工程造价方面有差距：单桩基础方案场平工程量为27.32 万m2，工程造价为204.91 万元;双桩基础方案场平工程量和工程造价分别高达40.98 万m2和307.37 万元，均为前者的1.5倍（单价均为7.5 元/m2）。另外，单桩基础方案在场地平整项目上除了工程量和工程造价较低外，在同样的施工人力和设备情况下，其施工工期也明显缩短。

2.3.2 基础造孔对比分析

由于基础形式的不同，双桩基础现场测量放孔位、钻孔量是单桩基础的2倍。另外，由于每个钻孔孔深为1.5 m，钻机就位的时间较长，故双桩基础钻机就位时间消耗过大，台班浪费过多;而单桩基础在每个组串的基础造孔耗时很短，但是由于桩径较大、成孔难度更大，其造孔单价高达85元/m，双桩基础造孔单价仅为38元/m。因而，在基础造孔项目上：单桩基础方案基础造孔工程量为34 020 m，工程造价为289.17万元;双桩基础方案基础造孔工程量和工程造价分别为68 040 m 和258.55 万元。由此可知，在基础造孔项目上，与双桩基础方案相比，单桩基础方案虽然工程量小，施工工期短，但是由于成孔难度大等施工质量因素使得其造孔单价过高，导致施工工程造价反而更高。

2.3.3 孔桩灌注对比分析

由于基础形式的不同，单桩基础桩径较大，孔桩灌注项目中的钢筋和混凝土用量明显高于双桩基础用量，故其工程造价也明显高于双桩基础工程造价。单、双桩基础方案的钢筋用量分别为310.58 t和166.91 t，造价分别为210.88和108.49万元;混凝土用量分别为3 525和1 454 m3，造价分别为423.02和174.50万元。由此可知，与单桩基础方案相比，双桩基础方案在孔桩灌注项目上的施工工程造价低，但是其布置的桩位数量多，故对该方案下的孔桩灌注施工质量控制提出了更高的要求。如钢筋笼绑扎、下放、定位以及桩身混凝土的浇筑、振捣等都有要求。

2.3.4 支架及组件安装对比分析

由于基础形式的不同，对于单桩基础，其每组串支架立柱仅有5根，支架横梁依靠三角支撑调节，这样易于调整、方便快捷，节约人工成本;而双桩基础由于立杆数量成倍增长（每组串支架立柱10根），倾角调节全靠立杆长短控制，施工难度大，立杆损耗高，且山地场址地形不平整，需要更多的加长立杆，故支架立杆的人工及材料较单桩基础成本增长，其支架及组件安装单价高达580元（组串），而单桩方案支架及组件安装的单价仅为400元（组串）。因而，在支架及组件安装工程量均为4 536组串情况下，单、双桩基础方案在该项目上的工程造价分别为181.44和263.09万元。由此可知，在支架及组件安装项目上，与双桩基础方案相比，单桩基础方案施工难度低、施工工期短、施工工程量和工程造价小，在各方面较具优势，但是双桩基础支架在安装后整体稳定性好，抗风载能力强。

2.3.5 综合分析

本光伏发电项目单、双桩基础工程量及造价对比如表2所示。由表2可知，两种基础方案在各项施工项目上的工程量、单价、总价都互有不同，单桩基础方案的综合造价较双桩基础方案高188.42万元（16.94%）。根据前面对比分析。另外，考虑到场地地形地质条件对交通运输机械进场的限制，地形较平缓（地形坡度不超过25°）、地质条件较好的场地，交通运输机械进场方便，基础造孔可以采用机械成孔的方式，采用单桩基础方案更适合;反之，若地形起伏大（地形坡度超过25°）、地质条件差，交通运输机械进场困难，需要人工采用小型机械钻孔，则造孔孔径更小的双桩基础方案更适宜。

综上所述，在本次光伏发电项目中：场地地形较为平缓的东区（地形坡度不超过15°）采用单桩基础方案，而地形起伏不断的西区（地形坡度最大约30°）采用双桩基础方案。

3 结论

文章依托贵州省某山地光伏发电项目工程案例，首先根据项目选址场地地形地质条件、基础适应性、施工难度、施工工期等因素，对4种常用的光伏支架基础形式进行对比，选择微孔灌注桩基础作为该项目支架基础形式，然后对基于微孔灌注桩基础形式的单、双桩基础方案进行进一步分析：

（1）单桩基础方案虽然综合造价成本略高，但是具备施工难度小、施工质量易控制、施工工期短的优势，适用于地形较平缓（地形坡度不超过25°）、地质条件较好、交通运输机械进场方便的场地。

（2）双桩基础方案虽然在施工难度、质量控制、工期方面具有劣勢。

但是其综合造价低、造孔孔径小的特点使其适用于地形起伏大（地形坡度超过25°）、地质条件差、因交通运输机械进场困难而需要人工采用小型机械钻孔的场地。最后，确定本次光伏发电项目的场址东区采用微孔灌注桩单桩支架基础方案，西区采用微孔灌注桩双桩支架基础方案。

参考文献

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