山地柔性光伏支架设计方案与施工工艺

张东栋，范信凌，张斌，杨宏鹏，苗博泉

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

近年来，随着光伏电站装机规模的扩大，光伏建设用地日益紧缺，光伏用地不断向沟谷陡坡交汇的复杂地形地貌山地拓展，索结构柔性光伏支架凭借自身跨度大、地形适应性强的优点，成为解决山地复杂地形地貌难题，建设光伏电站的发展方向。周杰等[1]研究了山区柔性光伏支架受力与变形特征，表明了预应力拉索柔性光伏支架承载力与刚度满足工程要求。马文勇等[2]通过风洞试验研究了组件倾角、间距、阵列迎风角度对风荷载的影响，并揭示了相关关系。杜航等[3-4]针对柔性支架的风致振动效应与抗风设计问题开展了较为深入的理论与试验研究。目前柔性光伏支架在风荷载与结构计算上有较多研究，但缺乏施工方案研究，特别是缺乏指导设计与施工的规程规范。

索结构光伏支架体系设计分析与施工建造相比于传统固定式刚性支架更为复杂，特别是对于地形复杂的山地光伏，柔性支架设计方案与地形条件密切相关、施工技术亦受地形条件限制，甚至制约了山地柔性光伏电站的发展。本文以云南昆明禄劝县某山地光伏电站的柔性光伏支架为例，剖析设计与施工过程中遇到的重难点问题，总结了山地柔性光伏支架的设计方案与施工工艺，提出了全建设周期设计与总承包深度融合的山地光伏项目管理理念，可为同类工程提供参考。

1 项目基本条件

1.1 项目概况与基本参数

项目所在地为云南昆明市禄劝县，场址海拔高程介于2 400～3 100m之间，太阳能资源稳定且丰富。场区覆盖层主要为粉质黏土，场址区基岩岩性为灰岩、白云岩、页岩、泥质灰岩，场地整体稳定性较好。项目采用540Wp的单晶硅光伏组件，组件尺寸为2 274mm×1 134mm，光伏组件倾角采用 24°。按照云南省光伏电站农业与林地用地要求，光伏支架最低端离地高度不低于2.5m[5]。组件倾角与离地高度影响组件风荷载[6]，进而影响方阵布置与结构设计。

1.2 项目难点与柔性支架方案

由于场址区存在零星陡坡沟谷等难以使用的不利微地貌与农牧用地限制，导致本项目建设用地存在很大的缺口，与此同时又面临土地生态恢复及低产田改造和灌溉等土地问题带来的巨大压力。本项目采用传统固定刚性支架与索结构柔性支架相结合的灵活布置方式，通过柔性光伏支架利用了沟谷坡地、使得组件紧密排布提高了土地利用率、增加了架空高度、减少了桩基数量，在不改变原有土地性质的情况下将光伏与农业、林业相结合，既能使禄劝县丰富的太阳能资源得到开发，又能有效地保持水土使生态脆弱地区的生态得到恢复。本项目使用柔性支架“光伏+农牧”融合发展取得显著效果，如图1为牧民在本项目柔性支架方阵内自由放牧。

图1 场区柔性支架方阵“光伏+农牧”融合实景照片

2 柔性支架设计方案

2.1 柔性支架设计方案

本项目柔性支架采用了三索结构柔性支架方案。根据地形条件考虑最低程度扰动自然地面，确定支架主体单跨跨距为42m，单跨布置34块组件为一个组串单元，组件离地高度2.5～6m，留足了农牧生产净空高度。

柔性支架上部结构体系为：光伏组件通过卡扣安装于两根15.2mm的钢绞线承重索之上，通过给钢绞线施加预应力使其具备刚度获得跨越能力；两根承重索与1根下垂的12.7mm钢绞线稳定索，在42m单跨跨中通过四列C形钢三角桁架撑杆连接，形成一榀跨越结构单元；各榀支架结构横向之间由两根C形钢杆件将各榀支架结构三角撑杆连接，形成桁架支撑系统；钢绞线两端通过锚具锚固于边立柱索支撑边梁梁身，边梁通过斜拉杆锚定于基础上平衡水平力；中间每42m设置中立柱支撑中梁承担竖向力。

2.2 基于现场条件的设计方案调整

根据前期地勘资料柔性支架场区覆土层厚度为0.5～1.5m。因此考虑地质条件结合上部结构荷载，柔性支架下部基础方案为：边锚基础采用锚杆，中立柱与边立柱基础采用钻孔灌注桩基础。但进入施工阶段，槽挖与钻探祥勘发现，柔性支架方阵所在区域地质分布差异性大，覆土层厚度在2～7m。边锚若仍采用锚杆基础，则承载能力不能满足；中桩与边桩基础若仍采用灌注桩基础，则钻孔深度将接近10m，不仅施工难度大，还大大增加了工程量。由此根据现场开挖地质揭露情况，调整了基础设计方案。将边锚的锚杆基础调整为了拉线盘基础，经过计算承重地锚采用矩形拉线盘地锚拉盘埋深3m即可满足要求；对于拉线盘基础斜拉杆将有3m的深度埋入地下，设计采用PVC排水管包裹斜拉杆并填充水泥浆的方式防腐。中桩与边桩基础调整为了板式拓展基础，基础底面低于自然地面1m即可满足要求。对于部分存在基岩出露地质区域，使用锚杆基础仍然是最优方案，但是考虑到现场的可实施性与经济性，施工方案与机械设备不宜过多，综合考虑统一使用拉线盘基础。

本项目提出全建设周期设计与总承包深度融合的山地光伏项目管理理念。在项目实施过程中，总承包方充分发挥设计的“龙头”作用，让设计充分介入工程建设全过程，指导采购和施工，并吸收采购和施工的积极反馈调整改良设计，形成高效的互动和互促，更好地保障了工程质量，优化了工程量，为总承包实现了降本增效。

3 柔性支架施工工艺

3.1 山地光伏施工特点分析

山地光伏电站占地面积大，组件方阵之间被林地、耕地、坟地、生态保护地等红线以及冲沟、山崖、山脊等复杂地形分割，导致电站场区分布零散，点多面广。而山地光伏电站大部分场址远离交通主干道，组件、箱变，支架材料等运输困难，受山地复杂地形地貌的影响进场道路的设计与施工较为困难，因此进场道路往往由施工单位因地制宜修筑，道路转弯半径小坡度大，运输条件较差。同样受地形的影响还存在：电缆沟需随地形蜿蜒，绕线长度长、施工难度大；场区缺乏平地做材料堆场，材料只能以缓慢的速度分批运输至施工现场且周转难度大；大型施工机械不能应用，只能使用小型履带式施工机械，甚至人工钻孔与开挖，施工成本高效率低；雨季时持续降雨可能使得山区土壤湿润，有泥石流、滑坡和山洪等地质灾害危害，施工组织需注重场区排水规划；场区用水用电甚至通信困难；因缺乏大面积平整地，升压站建设用地选址难度大，挖填方工程量大，地基处理与支护等附属性工程措施占比大。

3.2 柔性支架基础施工

本项目柔性支架基础在施工阶段根据施工地质情况调整为了拉线盘边锚与板式拓展基础。拉线盘基础与斜拉杆成90°，与地面交角成45°布置，在开挖后的3m深槽里绑扎钢筋与支模板及浇筑的施工难度大，因此现场调整为预制拉线盘基础。而山区道路运输条件差，不利于从混凝土预制场直接购买预制件产品，现场又缺乏大面积平整地作为预制场地，若进行场平则会扰动生态环境，因此决定现场租用牧民平整场地作为拉线盘预制场地。拉线盘基础的施工工序为：现场预制→挖槽→拉线盘吊装→连接斜拉杆螺纹钢→外套PVC管管内注浆防腐→分层回填土夯实。

扩展独立基础则使用小型履带式挖机挖槽，开挖槽内现场绑钢筋浇筑混凝土，施工工序为：挖槽→支模绑钢筋→混凝浇筑→分层回填土夯实。为了方便工厂生产与现场安装，柔性支架钢立柱统一为一个长度，而现场地形起伏，由地形导致的钢立柱柱底高程差异则由与拓展板式基础一起现浇的混凝土立柱的长度差异来弥补。

3.3 柔性支架上部结构安装

本项目在施工前总承包组织设计，支架供货厂家与施工各方召开了技术研讨会。确定了柔性支架安装流程为：验桩→安装边立柱/中立柱→安装边横梁→安装并紧固斜拉杆→敷设并张拉两根上承组件索至指定预应力→敷设下悬稳定索至指定垂度→安装三角桁架→安装横向桁架联系杆→安装组件→安装南北稳定索。

（1）验桩

验桩工作是对下部基础的施工质量进行验收，检验下部基础施工精度是否达到柔性支架上部结构安装容许误差。安装前应对基础的定位轴线，基础轴线及标高，地脚螺栓位置进行检查，并应进行基础复测和与基础施工方办理交接验收。钢立柱的支撑面预埋地脚螺栓的中心偏差不应大于5mm。

（2）安装中立柱与边立柱及边横梁

为了减少高空安装工作量，在起重设备能力允许的条件下，宜在地面组拼成扩大安装单元一起吊装。本项目中立柱与立柱斜撑为工厂焊接整体构件，现场整体安装。安装时，立柱中心应与基础中心尽量重合，预埋柱脚锚栓应对立柱柱底钢板孔位拧紧螺母。边立柱与边梁为分开的两个单独构件，边立柱安装时立柱顶板斜面朝向必须为南方，以此保证组件倾角朝向为南向。边梁安装时所有横梁北高南低，边梁H型钢下翼缘板的螺栓孔与对应边立柱顶板螺栓孔对齐拧紧螺母。

（3）安装斜拉杆

斜拉杆设计为螺纹钢筋，下拉杆下端直接通过钢筋连接器连接拉线盘地锚预埋螺纹钢筋，上端通过钢筋螺母卡紧U型连接件连接H型钢边梁。斜拉杆连接好后，通过长臂扳手旋拧钢筋螺母，控制边梁顶部往斜拉杆方向发生5mm位移预变形。同一根边梁的两根斜拉杆须同时旋拧钢筋螺母加预变形。组件安装完成后，在组件自重荷载下，边梁预变形消除。

（4）安装与张拉承重索

安装组件两根上承组件索过程中，应在不锁紧中立柱横梁盖板的前提下紧固盖板，使其在索敷设过程中发挥导向作用。敷设从边横梁一侧向另一侧边横梁从东向西，牵引钢绞线。安装过程中钢绞线应干净清洁，若沾有泥污应及时清理干净。张拉应使用两个同型号液压穿心孔千斤顶在拉索两端东西边梁位置同时张拉，单个设备应至少1人操作油泵，1人操作液压千斤顶。拉索张拉应遵循分阶段、分级、对称、缓慢匀速、同步加载的原则。张拉完成后使用索力仪工具检查张拉预应力是否达到设计要求。两根上承组件索盖板应在张拉两根上承组件索达到预紧力后锁紧。下悬稳定索张拉到跨中垂度为跨中三角撑杆高度即可锁紧。千斤顶拉力与油泵表示数的换算关系如式（1）。

式中：P为油泵读表压强示数；A为千斤顶铭牌所注明张拉缸面积。

（5）安装三角桁架与组件

以地面拼装整体吊装的思路，在地面将三角桁架三个部分撑杆使用螺栓拼接为三角桁架整体再与两根组件承重索与一根组件稳定索连接。三角撑杆安装完毕后安装排间横向联系杆上横杆，上横杆与三角撑杆的螺母不紧固，保证单排安装组件后索结构下沉，上横杆可以转动。上横杆连接完毕后安装组件，各排组件安装完毕后，各排索结构下沉至同一高度，再连接排间横向联系杆下横杆，并紧固上横杆螺母。

3.4 施工问题因素分析

本项目在施工过程中出现中立柱拓展基础立柱中心与上部结构钢立柱中心出现位置偏差，导致预埋螺栓偏位，立柱安装困难等施工误差问题，可见传统土建施工队伍还未适应柔性支架安装的高精度要求。上承组件索张拉完成几天后，边跨位置边梁锚具出现松动，导致该索在边梁锚具处滑移，因该索已通过盖板连接于中立柱梁上，其索力作用于中立柱上，导致立柱脚螺栓处混凝土崩坏。经分析，钢绞线在放索过程中在地面牵引，沾上了泥土导致在张拉过程中夹片锚进泥，另一方面该索设计张拉预应力值较小，夹片锚咬合力较小，咬入钢绞线的齿痕较浅，因此出现索滑移，本项目后期在锚具上加装防脱帽。传统钢绞线及其锚具主要应用于预应力混凝土构件中，处于封闭环境夹片锈蚀耐久性强，其施加预应力较大，较少发生锚具松脱钢绞线滑移问题；而柔性光伏支架处于露天环境，且施加预应力较小，夹片咬入齿痕浅，特别是在长期工作下夹片锈蚀与负风压钢绞线松弛带来的钢绞线松脱隐患较大。

4 结论

本文以云南昆明某山地柔性光伏支架项目为例，介绍了山地柔性光伏支架的设计方案与施工工艺，剖析了建设过程中存在的重难点问题，主要得出以下结论可供同类工程作参考。

（1）柔性光伏支架跨度大、桩基少、净空高，建设对环境影响小，建成后对土地原使用功能影响小，适用于多种复杂地形地貌与多种形式的土地集约化开发，本例项目“光伏+农牧”融合发展取得较好效果。

（2）山地柔性光伏支架的设计方案与平面布置受地形影响较大，对基础要求高，而基础设计受地质条件影响较大，但光伏项目往往地形测绘与地质勘察工作较为粗放，设计容易脱离实际地形地质条件。本例项目提出全建设周期设计与总承包深度融合的项目管理理念，设计与施工及地质多专业深度融合及时调整设计方案，设计引领工程，服务总承包，降本增效效果明显。

（3）柔性光伏支架处于露天使用环境，在风雨光照环境侵蚀作用下，存在钢绞线腐蚀与锚具紧固件腐蚀问题，风振交变应力导致松脱隐患较大，同类工程应当引起重视，设置必要防腐防松脱措施。