概要:“农光互补”光伏电站以其特有的结构和功能正逐步成为国内光电新能源项目的重要组成部分。本文以广西崇左某150MWp农光互补光伏项目为例,对常用桩基础结构的承载力、地质条件适用性、桩身质量控制、运维需求、施工工序、施工成本等因素进行了比较分析;结合项目特点,通过对比分析选择了最优的结构型式。本方法可为类似的工程项目结构选型提供参考。

  在当前“碳达峰、碳中和”大背景下,积极推动以光伏发电为代表的绿色能源对于调整能源结构具有积极的意义。随着光伏技术的不断提高以及土地政策性的调控紧缩,近年来以“农光互补”为代表的新型光伏电站逐步成为国内光伏发电市场的主力军。“农光互补”光伏电站兼具了光伏发电与农业种植的需求,其工程结构与常规光伏电站相比有较大的区别,其中光伏立柱基础的合理选型是“农光互补”光伏电站成功的标志之一,也是承载力、农业种植条件及施工可行性的焦点内容。

  “农光互补”光伏电站具有占地面积大,地质结构复杂的特点,合理进行桩基础结构选型对于项目实施及成本管理具有决定性的作用。为此,本文通过具体项目案例,结合不同桩基础结构特点进行分析,为“农光互补”桩基础结构选型提供一种思路。

  某150MWp农光互补项目位于广西壮族自治区崇左市,工程占地面积190.5万m²,光伏支架采用单立柱(桩基础+固定支架)结构形式(见图1),光伏系统最低点距离地面高度不小于2.5m,设计桩基础数量约8.4万根。

  项目建成后,在25年寿命周期内,每年年均发电量约为183608.03MWh,相当于每年节约标准煤消耗5.06万t,减排碳排放13.5万t,是中国西南地区较大的光伏电站。

  本项目属孤峰平原地貌,自然边坡坡度在5°~30°,场地上部覆盖土层主要为耕土,地表普遍可见石灰岩出露,局部地段出露密集成片分布。地勘资料显示,本项目各土层分布如下:第一层是耕土,成分主要为黏性土,层厚0.20m~0.50m;第二层为局部红黏土,零星分布于拟建项目地表;大部分为较完整灰岩,样品抗压强度平均值39.1MPa,岩体基本质量等级为Ⅲ级,岩体完整程度属较完整。

  “农光互补”电站基础基本由基础主体+光伏支架组成。综合工程造价、结构高度、场地条件、农业种植需求及施工可行性等因素,目前常用的“农光互补”支架基础主体结构有预应力管桩结构及机械成孔微型桩结构两种类型。预应力管桩结构与常规建筑工程预应力管桩工艺相同,通过机械设备将高强度钢筋混凝土预制桩(一般为圆桩)压入地基,使其具备一定承载力的施工工艺。微型桩一般是指桩径小于300mm,长细比大于30的灌注桩。

  相比于常规灌注桩,微型桩在工作性能、桩土间的相互作用、破坏模式及工程应用中有自己的特点,因此对于微型桩的设计计算也应区别于常规灌注桩。但由于微型桩的设计计算理论滞后,微型桩通常采用常规灌注桩的设计计算方法。对于同尺寸的两种桩体结构,光伏系统材料、安装方式、布局、上部荷载基本相同。通过对比灌注桩与预应力管桩的结构特点,预应力管桩的水平承载性能优于灌注桩,但抗拔能力弱于灌注桩。由于光伏系统顶部荷载主要有系统自重、风荷载、雪荷载以及温度荷载等。φ300mm的预应力管桩与微型桩均能满足光伏系统受力要求。

  预应力管桩的沉桩方式是利用外力(如锤击、静压、振动等)将桩体压入土层中,直至满足相关参数(如标高、贯入度或承载力等)要求。预应力管桩对土壤敏感性高,主要适用于软弱土层,当土层中存在强度较高地质(如花岗岩等)时,容易产生断桩、桩身倾斜等质量隐患。微型桩是利用专用钻孔及清孔设备(常用如潜孔钻机+空压机组合)完成桩孔施工后,进行钢筋笼安装、模板安装、混凝土浇筑及养护的施工工艺。微型桩施工几乎不受地质条件限制,适用范围更广。

  预应力管桩桩体采用工厂预制,桩身混凝土强度较高,养护条件好,钢筋笼安装准确性高,混凝土保护层控制效果好,有更好的耐候性和耐腐蚀性,桩身完整性好。管桩施工机械化程度高,桩体垂直度及平面偏差精度易于控制。在考虑施工成本及减少水土流失的前提下,“农光互补”光伏项目以原始地貌为主,必要时进行局部修整。因此在地坪标高不同但桩顶标高相同的条件下,对桩长及桩体入土深度的控制要求更高,难度也较大。锤击预制桩施工会产生一定的噪声污染和振动,但相对于空旷的野外环境,噪声污染及振动对环境影响小。微型桩施工工序基本与钻孔灌注桩相同。关键工序施工如孔深控制、清孔质量、钢筋笼及模板安装、混凝土浇筑等受环境条件(如温度)和作业人员工作技能影响大,易出现桩体外观圆度低、垂直度偏差大以及桩体外观的蜂窝、麻面等质量通病。但微型桩浇筑高度控制灵活,更适用于地坪标高不一致条件下的桩体顶标高控制。

  光伏电站设计寿命一般为25年,在寿命周期内,运维内容会直接影响到运维成本。预应力管桩与微型桩桩体本身不需要进行维护。但两种结构衍生的立柱与光伏支架的连接不同。预应力管桩结构与光伏支架采用焊接连接,在户外条件下,对焊缝的防腐处理要求高,尤其在中国西南地区环境潮湿,焊缝更容易腐蚀。根据运维经验,一般间隔5-7年需要对焊缝进行检查或者加强处理,需要重新防腐,难度大,成本高。微型桩通过预埋立柱套管,并采用螺栓固定的方式将立柱固定在桩身之上,本身不产生新的焊缝,更有利于系统的整体防腐性能。

  比较预应力管桩施工工序主要包括测量放线设备就位插桩沉桩桩顶控制等。主要施工设备为履带式挖掘机,设备性能成熟,且具有良好的复杂地貌通行能力。微型桩主要施工工序包括测量放线钻孔清孔钢筋笼安装混凝土浇筑地面部分支架及圆形模板安装地面部分混凝土浇筑桩身养护等。主要施工设备为潜孔钻机及空压机,设备行走能力略差于履带式挖掘机。微型桩施工工序较多,复杂性较高,难度大,如自然地面以上2.5m高度的圆形模板支护、混凝土浇筑和振捣。受混凝土养护周期限制,微型桩施工周期普遍较长。

  以施工中常用的PHC300-A-70预应力管桩与φ300mm微型桩(混凝土强度C25)为例,常规地质条件下的市场价格(直接成本)对比见表1。通过对比可知,微型桩工艺在施工成本上优于预应力管桩工艺。

  根据项目结构计算书,本项目在单立柱间距4.3m条件下,采用PHC300-A-70预应力管桩与φ300mm微型桩(强度C25)均满足GB50011-2010《建筑抗震设计规范》及GB50797-2012《光伏发电站设计规范》需求,因此两种施工工艺均能满足本项目需要。

  根据地勘资料,本项目下层为III级岩体,取样平均抗压强度39.1MPa,采用履带式挖掘机振动锤施工工艺,易产生沉桩难或断桩情况,不满足当前地质需求。采用微型桩工艺可以满足本项目地质需求,因此本项目选择微型桩工艺。

  预应力管桩工艺桩体采用预制结构,桩身完整性好,且施工质量易控制。微型桩施工受环境及作业人员操作技能影响大,质量控制难度较大,但在严格遵守各项施工及质量验收规范的条件下,微型桩施工质量仍处于可控状态。预应力管桩质量控制优于微型桩,但两种工艺均能满足项目需求。

  预应力管桩与微型桩桩体本身均不需要维护。预应力管桩工艺衍生的与光伏支架的焊缝需要定期进行除锈及维护。微型桩与光伏支架不产生焊缝。微型桩在后期运维管理上更优于预应力管桩。在对焊缝定期维护的前提下,两种工艺均能满足项目需求。

  预应力管桩与微型桩相比,施工成本略高。因此,在综合考虑承载力、地质条件、桩体质量控制、运维需求、施工工序及施工成本条件下,本项目最终选择微型桩作为本项目桩体结构。

  预应力管桩与微型桩相比各有优缺点,在进行桩基础选型时,设计人员易侧重于在承载力校核上进行结构选型而忽略了现场条件对施工工艺限制,导致设计方案不能实施。因此,在结构选型时必须充分考虑施工技术可行性以及施工工期、施工条件、施工成本等各项因素,通过综合比较,选择更优的施工工艺,确保工程项目顺利开展。