垃圾填埋场地光伏支架基础设计研究

江赛雄，赵婷婷，严 旭

(1. 中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021；2. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611130)

0 引言

随着城市建设的发展，全球垃圾年产量逐年增加，目前绝大多数的垃圾处理均采用填埋方式，但是垃圾填埋场会长时间占用大量土地，对环境污染严重，且填埋场维护成本高，不利于生态环境可持续发展。近几年，在垃圾填埋场上新建太阳能光伏发电站是国内外普遍的一个研究趋势。在垃圾填埋场上新建光伏电站不仅可以提高土地利用率，还能增加垃圾的填埋量、产生电能、减少温室气体排放，具有明显的经济效益和社会效益。但是由于垃圾填埋场的特殊地质条件，垃圾成分的不确定性、复杂性、特异性，导致场地极易发生整体沉降或者不均匀沉降，不仅会对发电效率及发电量造成不利影响，也会损坏光伏支架结构及光伏支架基础。目前，垃圾填埋场上新建光伏电站实际应用还相对较少，对其研究还停留在初步阶段。文章结合相关实际工程经验，介绍国内垃圾填埋场光伏电站研究及应用现状，并对支架基础设计优化进行分析研究。

1 研究现状及工程概况

1.1 研究现状

近年来，国内专家学者、设计院、建设单位对垃圾填埋场及修建在其上的光伏发电站进行了一些研究和实践[1-3]。

文献[4]对重庆地区的城市垃圾填埋场进行了调查研究，推导出垃圾填埋物的本构关系，并在取得大量数据的基础上，利用三维有限元数值方法模拟垃圾场的沉降变形过程，提出了对即将严重破坏场内设施和周边建筑的变形区采取的相应治理措施和具体方案。文献[5]对城市垃圾填埋场的沉降模型进行了分类，介绍了经验模型和传统理论的计算方法，分析出经验模型和传统理论模型的不足之处，指出垃圾填埋场沉降计算新的发展方向。文献[6]对金口垃圾填埋场内垃圾土的压缩特性、承载力特性及抗剪强度进行了研究，并对场地内新建建筑物的基础进行了选型分析，提出了相关设计方案和施工措施，以保证工作人员及建筑物的安全。文献[7]对比了两种国外垃圾填埋场太阳能光伏电站系统形式，详细介绍了该类项目在设计安装时需要考虑的问题和解决办法，最后提出了场地坡度设计、薄膜覆盖方法、太阳能电池安装、面积设计、填埋气体收集等相关设计原则。

1.2 工程概况

某光伏发电站拟修建于海边垃圾填埋场。该场地在1986年是一个采石场，在经过14 a开采后，被政府改造为垃圾填埋场，之后生活垃圾、市政垃圾、农业垃圾以及无污染工业废物被填埋在该场地，废物垃圾从2000年开始堆积至今，其中大部分是城市固体垃圾。原始场地未设基层衬砌系统、滤液收集系统以及垃圾废弃收集排气系统，垃圾层及以下石渣层没有经过压实，仅依靠推土机自然堆积。垃圾填埋场地实景如图1所示。

图1 垃圾填埋场地实景图

经过对拟建场地的初步探查，光伏场地较为平整，但是场地下垃圾层厚度差异较大，垃圾厚度6～15 m不等，且垃圾成分差异较大。垃圾覆盖层厚度示意图如图2所示，勘察探坑实景图如图3所示。

图2 垃圾覆盖层厚度分布示意图

图3 勘察探坑实景图

该工程采用的单位光伏板设计尺寸为16.306 m×4.02 m， 由 32块 高 效 单晶硅400 Wp组件组成，组件尺寸约为2 000 mm(长 )×991 mm(宽 )×35 mm(厚 )，组件自重每块约26.9 kg。光伏组件离地最低高度不小于650 mm。光伏板倾角20°。该地区终年无雪，50 a设计基准期超越概率10%的地震加速度值约0.05g。观测到空旷平坦地面上10 m高度处10 min平均风速约31.2 m/s。

2 基础设计研究

2.1 场地处理及基础选型

由于垃圾填埋场地地质条件差，承载力低、垃圾层厚度分布不均匀、且并未完全固结。在修建光伏电站前，为保证地基承载力达到设计要求、处理并收集垃圾沼气、设置场地排水设施，需要对该垃圾填埋场进行预先地基处理。目前垃圾填埋场的封场处理措施比较成熟，先对垃圾层上的覆土进行碾压，然后铺设HDPE膜及土工布，将地下废气及废水与上部隔绝，并在适当的地方设置排气孔和滤水排水设施，最后在面层铺设约600 mm厚的素土并压实。垃圾填埋场地基处理典型剖面如图4所示，项目地基处理实景如图5所示。

图4 垃圾填埋场地基处理典型剖面图

图5 垃圾填埋场地基处理实景图

由于单轴跟踪式光伏支架成本太高，经过业主确认选择固定支架方案。本工程风荷载较大，经过方案比较后采用前后双支柱结构形式，且双支柱方案抵抗地基不均匀沉降能力也比单支柱强。横向前后支柱柱距3 000 mm，柱顶设斜梁连接，纵向支架柱距3 150 mm，一个单位光伏板共设12个支柱，在后支柱平面内斜梁与支柱间设一道垂直支撑，斜梁上共设4根纵向檩条。钢材均采用冷弯薄壁型钢，钢材强度为Q235B。

为保证地基处理效果，光伏支架基础不能埋置于压实后的表面覆土层以下，且任何基础形式均不能穿破土层下方的土工膜。因此桩基础在本工程不适用，只能选择直接放置于隔离层以上的扩展基础。基础形式主要考虑独立基础、横向条形基础、纵向条形基础和网状基础。

2.2 基础计算及分析

2.2.1 受力分析

根据我国NB/T 10115—2018《光伏支架结构设计规程》[8]、GB 51101—2016《太阳能发电站支架基础设计规范》[9]等规范相关要求，对于光伏支架扩展基础应进行受压承载力计算、抗拔承载力计算、抗滑移验算、抗倾覆验算。由于光伏支架及光伏板自重轻，所受恒荷载小，主要受力荷载为风荷载，风荷载在光伏板面上产生的双向力可以分解为水平力Fx和竖向力Fy。光伏支架受力简图如图6所示。取3.15 m×4.02 m为一个计算单元，光伏组件自重考虑0.25 kN/m2，钢筋混凝土基础容重考虑24 kN/m3。

图6 光伏支架风荷载受力简图

2.2.2 基础方案

根据《太阳能发电站支架基础设计规范》要求，基础埋深不小于500 mm，可以不考虑基础抗滑移验算。因此为节约钢筋混凝土工程量、节省土建造价，部分基础考虑埋入表面覆土中，支架基础底面标高考虑为-0.5 m。图7～图10分别为独立基础方案、横向条形基础方案、纵向条形基础方案、网状基础方案的平面布置图及横向剖面图。

1)独立基础方案

独立基础方案每一根钢支柱下分别设置一个混凝土基础，由于受力特性差异，前支柱基础较小，尺寸为0.7 m(长)×0.5 m(宽)×0.5 m(高)，后支柱基础较大，尺寸为 0.7 m(长)×0.8 m(宽 )×0.5 m(高)，如图7所示。

图7 独立基础方案示意图

2)横向条形基础方案

横向条形基础方案每一横列前后支柱共用一个条形基础，基础尺寸为3.7 m(长 )×0.4 m(宽 )×0.5 m(高 )，两支柱中间部分基础宽度收缩为0.4 m，高度收缩为0.3 m，如图8所示。

图8 横向条形基础方案示意图

3)纵向条形基础方案

纵向条形基础方案每一纵列前支柱共用一个条形基础，每一纵列后支柱共用一个条形基础。基础尺寸为16.15 m(长)×0.3 m(宽)×0.3 m(高)，在钢支柱柱脚处0.4 m宽度范围内基础高度加大为0.5 m，如图9所示。

图9 纵向条形基础方案示意图

4)网状基础方案

网状基础方案钢支柱横向及纵向均用条形基础连接，基础宽度及高度均为0.3 m，基础高度均为0.3 m，在钢支柱柱脚处0.3 m宽度范围内基础高度加大为0.5 m，如图10所示。

图10 网状基础方案示意图

2.2.3 基础计算结果及分析

分别计算光伏支架前支柱抗拔、后支柱抗拔、负压工况后支柱抗倾覆、负压工况前支柱抗倾覆、正压工况后支柱抗倾覆、正压工况前支柱抗倾覆。光伏支架基础安全系数计算结果见表1所列。

根据相关规范要求，基础稳定性验算结构安全系数不应小于1.60，从表1可见，各基础设计方案安全系数均大于1.60，满足相关规范规程稳定性要求。独立基础最小安全系数为负压后支柱抗倾覆系数，数值为1.74；横向条形基础最小安全系数为负压后支柱抗倾覆系数，数值为1.60；纵向条形基础最小安全系数为负压后支柱抗倾覆系数，数值为1.88；网状基础最小安全系数为负压后支柱抗倾覆系数，数值为2.47。由于光伏支架基础断面还需要满足一定的结构构造以及安装尺寸，因此并不能所有方案安全系数均按1.60设计，综合考虑，以上基础方案截面为最优断面。统计每个计算单元所需要的钢筋混凝土工程量见表2所列。

表1 光伏支架基础安全系数计算结果

表2 计算单元基础钢筋混凝土工程量统计表

经分析，可以得到如下三个结论：

1)独立基础方案钢筋混凝土工程量最小，为2.73 m3，横向条形基础次之，为2.92 m3，网状基础钢筋混凝土工程量最多，为4.51 m3，纵向条形基础工程量位于横向条基与网状基础之间，为3.195 m3。

2)独立基础由于基础之间协调性差，其抵抗地基不均匀沉降能力最差；横向条形基础由于横向钢支柱都位于同一基础上，其抵抗地基不均匀沉降能力强于独立基础方案；而纵向条形基础整个光伏板前支柱在同一基础上，后支柱也在同一基础上，基础长度更长，整体性更好，因此其抵抗地基不均匀沉降能力强于横向条形基础方案；网状基础则是整个光伏板所有支柱均置于同一基础上，基础协调性和整体性最好，极大减小了光伏支架由于沉降造成的钢结构拉坏的风险，从抵抗地基不均匀沉降方面来说是本工程最优的基础设计方案。

3)需要注意的是，如果垃圾填埋场地并不是局部沉降，而是自身大面积整体沉降，无论哪种基础设计方案，均不能完全解决沉降造成的光伏板角度改变的问题，有可能会造成光伏电站发电量损失，这部分风险需要在项目前期有所考虑。

综上，在垃圾填埋场这类特殊软弱场地上修建光伏电站项目，为尽量减轻场地自身沉降对光伏电站发电量的影响以及保证光伏支架的结构安全，势必会造成光伏支架基础工程量的增加。对于如何在安全性与经济性之间找到一个平衡点，这需要专业的垃圾填埋场研究机构针对具体的项目场地进行安全性评估与风险评估。结合勘察资料与评估建议，设计人员再从各设计方案中选择最适宜的工程设计方案，在保证结构安全的前提下，以求达到最佳经济效益。

3 设计及应用建议

虽然垃圾填埋场场地条件有很多天然的劣势和不足，但在垃圾填埋场地上新建太阳能光伏电站实现了土地资源的二次利用，其仍将是未来光伏项目发展的趋势。由于目前国内相关工程实践较少，相关研究、设计及工程建设仍存在一些问题。针对不足，提出如下一些设计及应用建议：

1)从结构专业角度出发，为尽量减小垃圾填埋场不均匀沉降对光伏支架安全以及发电量的影响，光伏阵列支架可以采用小阵列、多支架的设计方案。比如可以减小光伏板纵向长度，减小每一块光伏板上布置的光伏组件数量，甚至可以选择竖向单排的组件布置形式，这样的布置可以使局部场地产生沉降对周边相邻光伏板的影响较小。但小阵列、多支架的布置方式可能会对项目总装机容量造成一定影响，因此，采用此类布置需要和电气或总图专业密切配合。

2)通常垃圾填埋场地基处理由第三方专业地基处理公司完成。因此，在场地地基处理之前，双方应密切配合，设计单位应根据设计方案，确定所需地基处理后地基承载力特征值、垃圾层上覆盖土层厚度及压实系数等相关设计参数提供给地基处理公司，其再根据设计需求进行场地处理设计。

3)目前国内设计规程和规范针对在垃圾填埋场上新建光伏电站项目的相关内容较少，应尽快完善规范体系和规范内容，为类似工程设计提供指导，对于不同光伏规范上存在的矛盾条款应进行修订或者更改。

4)减轻垃圾填埋场地沉降对光伏支架破坏以及对光伏发电量影响的风险，势必会导致土建工程费用增加，必要时专业技术人员应和业主方密切沟通，对工程造价、光伏支架安全性、发电量稳定性、总装机发电量之间的矛盾问题进行取舍与决策。达到最优的经济效益目标。

4 结语

本文介绍了国内垃圾填埋场相关研究现状，并根据实际工程对不同的基础设计方案进行了稳定性验算，对不同的基础设计方案进行了土建工程量比较，分析了不同基础设计方案的优缺点，并指出了其在设计和应用中存在的一些问题，为垃圾填埋场光伏电站项目将来的建设与研究提供借鉴和参考。