白淑娟，陳華鋒，李林林

（中國電建集團貴州電力設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

煤礦行業(yè)發(fā)展的同時給當?shù)刭Y源、環(huán)境均造成較為嚴重的影響，為推動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，緩解環(huán)境資源壓力，圍繞光伏發(fā)電“領跑者”計劃的新能源建造項目越來越多，光伏電站建造便是其中之一。但是采煤沉陷區(qū)地基結構較差，安全穩(wěn)定性不高，因此，在建造光伏電站時要把握關鍵技術要點，從而實現(xiàn)建造綜合效益。

1 采煤沉陷區(qū)相關概述及基于該區(qū)域建造光伏電站的意義和難點

1.1 采煤沉陷區(qū)相關概述

采煤沉陷區(qū)也被稱為采煤塌陷區(qū)，是采煤后下陷的區(qū)域。一般情況下，沉陷區(qū)所在城市均具有較大礦產(chǎn)資源存儲量，過去的生產(chǎn)活動對周邊環(huán)境造成嚴重影響，具體體現(xiàn)為地表形態(tài)被破壞、土壤養(yǎng)分加速流失、土地肥力下降等，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境惡化。采煤沉陷區(qū)沉陷的嚴重情況與當?shù)氐叵滤疃染哂兄苯雨P系，若是地下水位較低，那么沉陷區(qū)為陸地地形，整體結構較為簡單；若是地下水位較高，那么采煤沉陷區(qū)的出現(xiàn)將會導致地下水回灌，對當?shù)赝恋刭Y源造成嚴重損害，不利于生態(tài)系統(tǒng)的運作[1]。

1.2 建造光伏電站的意義

從采煤沉陷區(qū)治理現(xiàn)狀來看，無論是非充填治理還是開采復墾同步治理方式等，均存在土地利用單一化的不足，且整體經(jīng)濟效益也不夠理想。但是通過在采煤沉陷區(qū)建造光伏電站，利用太陽能這一具有清潔性、長壽性、經(jīng)濟性等優(yōu)勢特征的可再生能源治理采煤沉陷區(qū)，能夠優(yōu)化當?shù)啬茉串a(chǎn)業(yè)結構。除此之外，由于采煤沉陷區(qū)地表植被條件較差，通過建造光伏電站能夠為林光互補一體設計方案的實現(xiàn)提供支持，進而通過科學規(guī)劃和全局統(tǒng)籌為當?shù)仄髽I(yè)創(chuàng)造投資環(huán)境，推動資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展。

1.3 建造光伏電站的難點

采煤沉陷區(qū)極易出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象，根據(jù)當前形成的靜態(tài)地表沉陷情況，可以將其劃分為3 個區(qū)域，分別是：沉陷盆地中間區(qū)域位于盆地中央部分、沉陷盆地內(nèi)邊緣區(qū)域位于采空區(qū)邊界附近到最大下沉點之間、沉陷盆地外邊緣區(qū)域位于邊界到盆地的邊界之間。前兩種地表一般不出現(xiàn)明顯裂縫，但第三種水平拉伸變形較為嚴重，一旦超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)裂縫，進而對上方建筑物、構筑物造成嚴重影響。雖然采煤沉陷區(qū)在長期沉降中整體穩(wěn)定性有所提高，但是仍有部分區(qū)域處于相對活躍的沉降變形階段，影響土體整體結構，最終造成地表不均勻沉降、塌陷或裂縫等不良現(xiàn)象。若是直接建造光伏電站，將會直接給構筑物帶來安全隱患，因此，采煤沉陷區(qū)光伏電站的主要難點就是地基穩(wěn)定性。因此，要做好該區(qū)域各個區(qū)塊的勘察工作，并對其進行劃分，以大同市為例，當?shù)夭擅撼料輩^(qū)在建設光伏電站時，將其劃分為建設適宜性中等和好區(qū)域，從而初步保證地基相對穩(wěn)妥性。圖1 為光伏電站地塊建設適宜性分區(qū)。

圖1 光伏電站地塊建設適宜性分區(qū)

2 分析采煤沉陷區(qū)建造光伏電站的關鍵技術

由于采煤沉陷區(qū)極大地破壞了當?shù)氐耐恋厣鷳B(tài)環(huán)境，因此光伏電站的建造不僅要嚴格按照相關標準展開，還要收集《地質(zhì)災害危險性評估》等報告，掌握光伏電站建造關鍵技術要點，以此確保新建建筑和構筑物的安全穩(wěn)定性。

2.1 光伏電站構筑物設計

首先，科學選用光伏支架。相關技術人員要規(guī)范計算常規(guī)地基承載力和基礎抗風性，尤其是抗傾覆、滑移和上拔等計算內(nèi)容。以大同市為例，為保證光伏電站整體安裝性，主要選用樁基礎或聯(lián)合條形技術，采用預應力混凝土管樁并選擇靜力沉樁等施工技術。其中，聯(lián)合條形基礎形式主要應用于較為活躍的沉陷區(qū)，這是因為該技術能夠抵抗地基不均勻沉降對支架的危害。其次，設計常規(guī)光伏支架結構。盡可能縮短光伏支架單元長度，例如，可以選用2×11 m 豎排組串光伏支架，總長度和樁基礎間距分別控制在11 m和3.2 m，為進一步避免不均勻沉降時光伏支架樁基礎受到的拉裂變形，可以將光伏支架樁基數(shù)量控制在8 根，并盡可能縮短支架，減少樁基礎數(shù)量。為增強樁基與上部支架連接之間的調(diào)節(jié)性能，可以落實鋼套管式高低調(diào)節(jié)措施。最后，逆變器和箱變基礎。使用磚砌等形式進行地下坑池結構施工，但是要區(qū)別常規(guī)的墻下條形基礎，為協(xié)調(diào)采煤沉陷區(qū)地基變形、逆變和箱變基礎采用筏板基礎[2]。

2.2 承載結構設計及施工技術

由于采煤沉陷區(qū)光伏電站要保證整體結構穩(wěn)定、安全，但是該區(qū)域中淺水、灘涂和深水區(qū)交錯分布情況較為復雜，光伏電站中光伏組件承載形式和錨固形式需要建立在綜合考慮區(qū)域平均水深和工程效益等方面的基礎上。

（1）長樁或短樁與固定支架或跟蹤支架組合技術。對于采煤沉陷區(qū)而言，砂石土層、粉質(zhì)黏土層是陸地土質(zhì)的主要構成，為保證光伏電站建造工作的有序展開，同時將施工效率和施工成本控制在理想水平，該區(qū)域的陸地地形光伏組件承載結構形式可以采用短樁加固定支架或跟蹤支架的技術方式。而針對該區(qū)域的灘涂地形，若是水深在2 m 以下，則采用長樁加固定支架或跟蹤支架技術。

（2）浮筒加恒應力系統(tǒng)錨固技術。針對2~4 m 的深水地形應采用浮筒漂浮式光伏電站組件承載結構，這是因為區(qū)域沉陷狀況仍不穩(wěn)定，比較容易出現(xiàn)大幅變形情況。若是該區(qū)域水位上升，那么錨塊或者水下樁基將與浮筒之間產(chǎn)生拉力，最終影響到錨固效果；若是該區(qū)域水位下降，將會增加光伏方陣漂移幅度，因此，相較于其他施工設計和技術，浮筒加恒應力系統(tǒng)錨固技術能夠更為理想地應對深水地形。在該技術和設計組件實際落實過程中，主要采用頂部滑輪組件和管樁構成恒應力系統(tǒng)錨固裝置，同時，錨塊和滑輪組件之間、漂浮陣列和滑輪組件之間前后限位塊。

（3）浮筒加水下樁基錨固技術。為進一步保證后續(xù)施工作業(yè)安全、有序展開，相關工作人員應根據(jù)現(xiàn)有的地勘資料控制水深在4 m 的區(qū)域。一般情況下，該區(qū)域沉陷較為穩(wěn)定，基本上不會出現(xiàn)明顯或者大幅度的變形，出于對工程整體效益的考慮，使用水下錨固技術形式。值得注意的是，若是采煤沉陷區(qū)水底具有較大起伏地形，不可選擇錨塊加鋼絲繩技術形式，這是因為無法對鋼絲繩長度進行確定。在浮筒加水下樁基錨固技術實施過程中，相關工作人員應保證水下樁基施工至同一標高[3]。

2.3 具體錨固技術要點

在實施具體水下樁基錨固與浮筒這一組合技術時，應把握以下技術要點。

（1）水面上的樁基礎施工要點。對于采煤沉陷區(qū)光伏電站建設而言，該技術形式下的樁基主要由打樁船開展施工作業(yè)，樁錘、船體是構成打樁船的主要部分。其中，樁架前部平行的豎直導桿之間是樁錘，由提升吊鉤吊升；而樁架要選擇鋼結構材質(zhì)的塔架，后部進行卷揚機的設置，以此支撐起吊樁和樁錘的運用。在實際施工過程中，根據(jù)施工設計使用卷揚機將樁錘和管樁提升至合理高度，之后讓樁錘自由落下，在重力和自重的作用下，其重力勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，從而完成打樁施工?/p>

（2）安裝錨固件。完成管樁施工作業(yè)后，一般會進行錨固件安裝作業(yè)，但是這一施工流程不適用于水下樁基錨固型式，水下作業(yè)不僅效率較低，施工質(zhì)量也無法得到有效保證，甚至在施工過程中還可能引發(fā)安全事故。因此，相關施工人員應采用水下錨固件安裝工藝技術，當管樁還在水面以上時就在管樁上安裝錨固件，將該施工工序前移。完成錨固件安裝作業(yè)后，將浮漂系在錨繩的另一端，以此減少后續(xù)施工的錨固時間，省去尋找錨繩的時間。值得注意的是，相關施工人員要做好水下管樁位置的標記工作，進一步提高施工效率，降低施工難度。

（3）水面下的樁基施工要點。為進一步保證光伏電站建設施工效率，施工人員可以提前將部分管樁施工至水面以上，并規(guī)范落實錨固件安裝和送樁器安裝作業(yè)。其中，在選擇送樁器時，要綜合考慮該區(qū)域水深和頂樁高度，并在施工前做好樁器與樁機之間的固定作業(yè)，固定完畢后將其壓至樁頭上，一次將已施工至水面以上位置的管樁施工至水下設計要求深度。值得注意的是，于送樁器上標出刻度，可以為后續(xù)打樁深度的控制提供便利。

（4）管樁垂直度檢測。在使用浮筒加水下樁基錨固組合技術時，為保證整體施工質(zhì)量，所使用的送樁器最好為水下預應力高強混凝土（PHC）管樁施工用送樁器，但是在實際施工過程中，技術人員要明確掌握水下PHC 管樁垂直度對光伏電站整體穩(wěn)定性的影響，嚴格按照相關標準開展質(zhì)量檢測工作。在檢測過程中，技術人員要結合采煤沉陷區(qū)實際地形特征，同時參考陸上樁基檢測技術方法，保證水下PHC 管樁樁身垂直度檢測結果的準確性和有效性。在條件允許下，技術人員可以結合水上PHC 管樁垂直度檢測工藝設計水下PHC 管樁樁身垂直度檢測裝置（圖2）。

圖2 水下PHC 管樁樁身垂直度檢測裝置

該裝置由操作把手、刻度盤、尺身主體和伸縮桿構成，使用卡槽將管樁樁身鎖住，在此類裝置的使用下，能夠?qū)敳靠潭缺P數(shù)值進行讀取，實現(xiàn)對樁身垂直度的有效檢測。雖然該裝置無法測量水下不清晰的樁基，其余情況下均可幫助技術掌握樁基樁身垂直度[4]。

2.4 水上安裝關鍵技術

對于采煤沉陷區(qū)光伏電站建設工程，由于地層結構相對脆弱，光伏電站整體穩(wěn)定性成為施工要點，而光伏組件及其支架的安裝質(zhì)量，直接關系到該電站運行的穩(wěn)定狀態(tài)。以往傳統(tǒng)的水上安裝方法雖然能完成施工任務，但是整體安全性較差，且效率也不高，整體效果不夠理想。因此，為增強采煤沉陷區(qū)光伏電站水面施工的整體穩(wěn)定性，并便于各項高處安裝作業(yè)的開展，可以使用水上機械化施工平臺開展工作，主要依托于管樁兩側雙平臺和管樁共同固定方式，在該情況下，作業(yè)面穩(wěn)定性得到有效保證。而且，在當前時代背景下，自動化、智能化技術的應用越發(fā)廣泛，因此，還可以將液壓升降系統(tǒng)與水上機械化施工平臺相結合，從而實現(xiàn)施工設備和工作人員的自動升降，保證施工安全的同時也實現(xiàn)了光伏電站水上機械化安裝。

該平臺組成部分主要是底部平臺、頂部平臺、浮筒模塊、液壓升降系統(tǒng)等，平臺浮力主要依托于浮筒模塊，具體模塊使用數(shù)量要參考其承載力規(guī)模。在搭建該平臺時，浮筒模塊上方為底部平臺，為給高處施工提供方便，將液壓升降系統(tǒng)安裝于平臺上，同時滿足高低處施工需要。液壓升降系統(tǒng)由油缸構成，油缸同步，數(shù)量為4 個，為不同高度的安裝作業(yè)的平穩(wěn)高效完成提供技術支持。

3 結語

綜上所述，光伏電站建設在采煤沉陷區(qū)能夠有效改善當?shù)丨h(huán)境、資源問題，帶動當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。但是在實際建設過程中，應綜合勘查區(qū)域內(nèi)具體情況，做好構筑物設計、浮筒與水下樁基錨固施工作業(yè)等，以此保證建設安全質(zhì)量。