曹 亮，吳永忠，王世峰

(水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

近年來，為了改善大氣環(huán)境，減少對(duì)礦物燃料的過度使用，清潔能源得到了飛速發(fā)展。光伏發(fā)電作為目前具有較好經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要清潔能源同樣得到了快速發(fā)展，僅2013年全國(guó)就新增裝機(jī)容量約10.5 GW[1]。光伏電站主要以地面電站的形式，建在土地資源和太陽能資源豐富的西北地區(qū)，如內(nèi)蒙古、甘肅、新疆、青海等地。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到60 GW[1]。

雖然光伏發(fā)電是清潔能源，很少產(chǎn)生污染，對(duì)環(huán)境破壞較小，但由于光伏發(fā)電項(xiàng)目占地規(guī)模較大，對(duì)水土流失的影響也較大[2]。這些光伏電站多建設(shè)在我國(guó)的西北地區(qū)，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤和植被受到擾動(dòng)后極難恢復(fù)[3]，而光伏電站的建設(shè)會(huì)不可避免地對(duì)當(dāng)?shù)氐乃亮魇Мa(chǎn)生影響，尤其是在光伏陣列基礎(chǔ)施工過程中，基礎(chǔ)的開挖、回填等活動(dòng)會(huì)對(duì)區(qū)域水土流失產(chǎn)生較大的影響[4]?；A(chǔ)類型不同，對(duì)水土流失的影響有著明顯的差異。地面光伏電站的陣列基礎(chǔ)可以分為螺旋鋼樁基礎(chǔ)、混凝土灌注樁基礎(chǔ)、鋼筋混凝土基礎(chǔ)3種，在這里筆者就不同基礎(chǔ)類型對(duì)水土流失的影響進(jìn)行分析。

1 螺旋鋼樁基礎(chǔ)

螺旋鋼樁基礎(chǔ)是最近幾年才發(fā)展起來的基礎(chǔ)類型。其施工原理是利用機(jī)械將事先加工好的螺旋鋼樁直接擠壓進(jìn)地下，光伏板的布置方式、荷載要求、地質(zhì)條件不同，其樁徑和長(zhǎng)度也有所不同。該類基礎(chǔ)具有施工速度快、工期短、不需要水電、施工人員少、施工費(fèi)用低、不需要進(jìn)行場(chǎng)平(可以調(diào)整鋼樁的長(zhǎng)度以消除場(chǎng)地不平整對(duì)光伏板布置方式的影響)，沒有土方開挖、回填，施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)地質(zhì)條件、地下水的腐蝕性有一定要求。

施工工藝為樁機(jī)安裝→樁機(jī)移動(dòng)就位→吊樁→插樁→錘擊下沉→接樁→擊至設(shè)計(jì)深度→內(nèi)切鋼管樁→割樁頭修坡口→焊樁蓋。由螺旋鋼樁的施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以看出，施工時(shí)樁機(jī)來回移動(dòng)會(huì)碾壓地表植被，破壞表土資源，造成土壤疏松及理化性質(zhì)改變，產(chǎn)生嚴(yán)重風(fēng)蝕，其余環(huán)節(jié)均不會(huì)對(duì)光伏電站場(chǎng)地產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失影響。

內(nèi)蒙古某40 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目光伏陣列支架基礎(chǔ)為螺旋鋼樁基礎(chǔ)，每個(gè)支架方陣單元由2排共20個(gè)光伏板組成，設(shè)有16個(gè)螺旋鋼樁基礎(chǔ)，每個(gè)光伏方陣長(zhǎng)10.37 m、寬3.33 m。該項(xiàng)目共有8 820個(gè)支架方陣，141 120個(gè)螺旋鋼樁基礎(chǔ)。根據(jù)螺旋鋼樁施工工藝，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，螺旋鋼樁施工時(shí)因樁機(jī)來回移動(dòng)對(duì)鋼樁外側(cè)寬0.75 m范圍內(nèi)的土地產(chǎn)生較嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，破壞了表土資源，造成土壤理化性質(zhì)下降，易產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失，其余區(qū)域只會(huì)產(chǎn)生輕微擾動(dòng)。如圖1所示。該項(xiàng)目占地119.24 hm2，其中施工嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)占地13.72 hm2，約為總占地面積的11.5%，其余大部分區(qū)域土壤、植被基本未受嚴(yán)重影響。在后期進(jìn)行水土流失防治措施布設(shè)時(shí)，嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)域需實(shí)施土地整治等措施[3]，其余輕微擾動(dòng)區(qū)域若采取土地整治措施反而會(huì)破壞土壤植被，只要撒播草種即可[3]。由以上分析可以看出，采用螺旋鋼樁基礎(chǔ)只對(duì)項(xiàng)目區(qū)極小部分區(qū)域產(chǎn)生非常嚴(yán)重的水土流失影響，大部分區(qū)域的土壤、植被未受到嚴(yán)重的破壞。

圖1 螺旋鋼樁基礎(chǔ)施工擾動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)

2 混凝土灌注樁基礎(chǔ)

在西北地區(qū)，混凝土灌注樁的前樁一般比后樁短，前樁埋深一般為1.2～2.7 m，后樁埋深一般為1.5～3.0 m，依最大凍土深及光伏陣列的穩(wěn)定性要求確定。其施工原理是利用樁機(jī)直接在樁位上就地成孔，然后在孔內(nèi)澆筑混凝土或安放鋼筋籠再澆筑混凝土成樁。具有施工噪聲和震動(dòng)小、適用地基范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工質(zhì)量的好壞對(duì)樁的承載力影響很大、質(zhì)量較難控制等。

施工工藝為場(chǎng)地平整→樁位放線→開挖漿池、漿溝→護(hù)筒埋設(shè)→鉆機(jī)就位、孔位校正→成孔、泥漿循環(huán)、清除廢漿、泥渣→清孔換漿→終孔驗(yàn)收→下鋼筋籠和鋼導(dǎo)管→澆筑混凝土→成樁。在沖孔時(shí)應(yīng)隨時(shí)測(cè)定和控制泥漿密度，如遇較好土層可采取自成泥漿護(hù)壁。灌注樁的質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)較其他類樁嚴(yán)格，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的監(jiān)測(cè)手段要先落實(shí)。灌注樁的沉渣厚度應(yīng)在鋼筋籠放入后、混凝土澆注前測(cè)定，成孔后，放鋼筋籠、混凝土導(dǎo)管都會(huì)造成土體跌落，增加沉渣厚度。施工過程中，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到28 d齡期以上方可進(jìn)行安裝。

內(nèi)蒙古某地30 MWp光伏電站光伏陣列支架基礎(chǔ)為鋼筋混凝土灌注樁基礎(chǔ)，灌注樁樁徑300 mm，前樁長(zhǎng)1.5 m、埋深1.2 m，后樁長(zhǎng)1.8 m、埋深1.5 m。每個(gè)支架方陣單元設(shè)16個(gè)支架基礎(chǔ)，該項(xiàng)目共有65 600個(gè)混凝土灌注樁。

根據(jù)施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，混凝土灌注鉆機(jī)在施工移動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)樁基周圍0.49 m2范圍內(nèi)的土壤植被造成較嚴(yán)重破壞，其余部分只產(chǎn)生輕微擾動(dòng)，并未破壞表土資源、土壤植被，如圖2所示。該項(xiàng)目區(qū)占地85.18 hm2，其中施工嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)3.2 hm2，約為總占地面積的3.8%，其余部分土壤、植被未受大的影響。因此，采用該方法進(jìn)行施工時(shí)，對(duì)土地的擾動(dòng)較小，對(duì)地表植被的破壞和造成的水土流失也輕。在后期進(jìn)行水土流失防治時(shí)，只需在施工擾動(dòng)嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行土地整治后撒播草種即可，在其他區(qū)域由于施工只產(chǎn)生輕微擾動(dòng)，并未破壞表土、地表植被、土壤理化性質(zhì)，因此直接撒播草種即可[3]。

圖2 混凝土灌注樁施工擾動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)

3 鋼筋混凝土基礎(chǔ)

鋼筋混凝土基礎(chǔ)是最傳統(tǒng)的一種基礎(chǔ)形式，其安全性較高。在地下水位較高、地表石頭較多的地方，一般都用鋼筋混凝土基礎(chǔ)。相比之下，其施工工期較長(zhǎng)、費(fèi)用高，需進(jìn)行大量的土方開挖、回填，對(duì)土地?cái)_動(dòng)大，產(chǎn)生的水土流失也較嚴(yán)重。

內(nèi)蒙古某10 MWp光伏發(fā)電項(xiàng)目由于項(xiàng)目區(qū)最大凍土深度達(dá)到2.4 m，淺層地表主要為石頭，且地下水位較高，因此，采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)?？紤]到地基土承載能力、凍脹性和建筑物抗傾斜要求，基礎(chǔ)埋深為1.0 m，基礎(chǔ)尺寸為1.2、0.6、1.0 m。根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥李愋?，基坑開挖邊坡比為1 ∶0.75。因此，一個(gè)單位方陣基礎(chǔ)開挖的面積為34.02 m2，單位方陣基礎(chǔ)土方開挖量為13.23 m3，堆土區(qū)、施工機(jī)械嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)面積約11.6 m2。該項(xiàng)目總占地30.61 hm2，鋼筋混凝土基礎(chǔ)施工所產(chǎn)生嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū)域面積17.34 hm2，約為總占地面積的56.6%。由此可見，鋼筋混凝土基礎(chǔ)施工時(shí)對(duì)土地嚴(yán)重?cái)_動(dòng)范圍較大且對(duì)地表植被、土壤理化性質(zhì)破壞嚴(yán)重，造成土壤抗蝕性下降，產(chǎn)生的水土流失面積很大。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié) 語

由以上分析及現(xiàn)場(chǎng)施工圖可以看出，在水土流失影響、工期、施工成本方面，螺旋鋼樁基礎(chǔ)、混凝土灌注樁基礎(chǔ)都優(yōu)于鋼筋混凝土基礎(chǔ)，但是前兩者對(duì)土質(zhì)、地下水位有一定要求，其適用范圍有一定的局限性。在滿足要求的前提下，從水土流失影響角度考慮應(yīng)優(yōu)先采用螺旋鋼樁、混凝土灌注樁。但由于太陽能發(fā)電是最近10年才興起的，因此螺旋鋼樁、混凝土灌注樁的使用時(shí)間也都只有10年左右，遠(yuǎn)未達(dá)到光伏電站設(shè)計(jì)年限(25年)的要求，其耐久性、穩(wěn)定性仍然有待觀察。

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