張東棟，范信凌，張斌，楊宏鵬，苗博泉

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引言

近年來，隨著光伏電站裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，光伏建設(shè)用地日益緊缺，光伏用地不斷向溝谷陡坡交匯的復(fù)雜地形地貌山地拓展，索結(jié)構(gòu)柔性光伏支架憑借自身跨度大、地形適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，成為解決山地復(fù)雜地形地貌難題，建設(shè)光伏電站的發(fā)展方向。周杰等[1]研究了山區(qū)柔性光伏支架受力與變形特征，表明了預(yù)應(yīng)力拉索柔性光伏支架承載力與剛度滿足工程要求。馬文勇等[2]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了組件傾角、間距、陣列迎風(fēng)角度對(duì)風(fēng)荷載的影響，并揭示了相關(guān)關(guān)系。杜航等[3-4]針對(duì)柔性支架的風(fēng)致振動(dòng)效應(yīng)與抗風(fēng)設(shè)計(jì)問題開展了較為深入的理論與試驗(yàn)研究。目前柔性光伏支架在風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算上有較多研究，但缺乏施工方案研究，特別是缺乏指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工的規(guī)程規(guī)范。

索結(jié)構(gòu)光伏支架體系設(shè)計(jì)分析與施工建造相比于傳統(tǒng)固定式剛性支架更為復(fù)雜，特別是對(duì)于地形復(fù)雜的山地光伏，柔性支架設(shè)計(jì)方案與地形條件密切相關(guān)、施工技術(shù)亦受地形條件限制，甚至制約了山地柔性光伏電站的發(fā)展。本文以云南昆明祿勸縣某山地光伏電站的柔性光伏支架為例，剖析設(shè)計(jì)與施工過程中遇到的重難點(diǎn)問題，總結(jié)了山地柔性光伏支架的設(shè)計(jì)方案與施工工藝，提出了全建設(shè)周期設(shè)計(jì)與總承包深度融合的山地光伏項(xiàng)目管理理念，可為同類工程提供參考。

1 項(xiàng)目基本條件

1.1 項(xiàng)目概況與基本參數(shù)

項(xiàng)目所在地為云南昆明市祿勸縣，場(chǎng)址海拔高程介于2 400～3 100m之間，太陽(yáng)能資源穩(wěn)定且豐富。場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要為粉質(zhì)黏土，場(chǎng)址區(qū)基巖巖性為灰?guī)r、白云巖、頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r，場(chǎng)地整體穩(wěn)定性較好。項(xiàng)目采用540Wp的單晶硅光伏組件，組件尺寸為2 274mm×1 134mm，光伏組件傾角采用 24°。按照云南省光伏電站農(nóng)業(yè)與林地用地要求，光伏支架最低端離地高度不低于2.5m[5]。組件傾角與離地高度影響組件風(fēng)荷載[6]，進(jìn)而影響方陣布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 項(xiàng)目難點(diǎn)與柔性支架方案

由于場(chǎng)址區(qū)存在零星陡坡溝谷等難以使用的不利微地貌與農(nóng)牧用地限制，導(dǎo)致本項(xiàng)目建設(shè)用地存在很大的缺口，與此同時(shí)又面臨土地生態(tài)恢復(fù)及低產(chǎn)田改造和灌溉等土地問題帶來的巨大壓力。本項(xiàng)目采用傳統(tǒng)固定剛性支架與索結(jié)構(gòu)柔性支架相結(jié)合的靈活布置方式，通過柔性光伏支架利用了溝谷坡地、使得組件緊密排布提高了土地利用率、增加了架空高度、減少了樁基數(shù)量，在不改變?cè)型恋匦再|(zhì)的情況下將光伏與農(nóng)業(yè)、林業(yè)相結(jié)合，既能使祿勸縣豐富的太陽(yáng)能資源得到開發(fā)，又能有效地保持水土使生態(tài)脆弱地區(qū)的生態(tài)得到恢復(fù)。本項(xiàng)目使用柔性支架“光伏+農(nóng)牧”融合發(fā)展取得顯著效果，如圖1為牧民在本項(xiàng)目柔性支架方陣內(nèi)自由放牧。

圖1 場(chǎng)區(qū)柔性支架方陣“光伏+農(nóng)牧”融合實(shí)景照片

2 柔性支架設(shè)計(jì)方案

2.1 柔性支架設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目柔性支架采用了三索結(jié)構(gòu)柔性支架方案。根據(jù)地形條件考慮最低程度擾動(dòng)自然地面，確定支架主體單跨跨距為42m，單跨布置34塊組件為一個(gè)組串單元，組件離地高度2.5～6m，留足了農(nóng)牧生產(chǎn)凈空高度。

柔性支架上部結(jié)構(gòu)體系為：光伏組件通過卡扣安裝于兩根15.2mm的鋼絞線承重索之上，通過給鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力使其具備剛度獲得跨越能力；兩根承重索與1根下垂的12.7mm鋼絞線穩(wěn)定索，在42m單跨跨中通過四列C形鋼三角桁架撐桿連接，形成一榀跨越結(jié)構(gòu)單元；各榀支架結(jié)構(gòu)橫向之間由兩根C形鋼桿件將各榀支架結(jié)構(gòu)三角撐桿連接，形成桁架支撐系統(tǒng)；鋼絞線兩端通過錨具錨固于邊立柱索支撐邊梁梁身，邊梁通過斜拉桿錨定于基礎(chǔ)上平衡水平力；中間每42m設(shè)置中立柱支撐中梁承擔(dān)豎向力。

2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)條件的設(shè)計(jì)方案調(diào)整

根據(jù)前期地勘資料柔性支架場(chǎng)區(qū)覆土層厚度為0.5～1.5m。因此考慮地質(zhì)條件結(jié)合上部結(jié)構(gòu)荷載，柔性支架下部基礎(chǔ)方案為：邊錨基礎(chǔ)采用錨桿，中立柱與邊立柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。但進(jìn)入施工階段，槽挖與鉆探祥勘發(fā)現(xiàn)，柔性支架方陣所在區(qū)域地質(zhì)分布差異性大，覆土層厚度在2～7m。邊錨若仍采用錨桿基礎(chǔ)，則承載能力不能滿足；中樁與邊樁基礎(chǔ)若仍采用灌注樁基礎(chǔ)，則鉆孔深度將接近10m，不僅施工難度大，還大大增加了工程量。由此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖地質(zhì)揭露情況，調(diào)整了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。將邊錨的錨桿基礎(chǔ)調(diào)整為了拉線盤基礎(chǔ)，經(jīng)過計(jì)算承重地錨采用矩形拉線盤地錨拉盤埋深3m即可滿足要求；對(duì)于拉線盤基礎(chǔ)斜拉桿將有3m的深度埋入地下，設(shè)計(jì)采用PVC排水管包裹斜拉桿并填充水泥漿的方式防腐。中樁與邊樁基礎(chǔ)調(diào)整為了板式拓展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面低于自然地面1m即可滿足要求。對(duì)于部分存在基巖出露地質(zhì)區(qū)域，使用錨桿基礎(chǔ)仍然是最優(yōu)方案，但是考慮到現(xiàn)場(chǎng)的可實(shí)施性與經(jīng)濟(jì)性，施工方案與機(jī)械設(shè)備不宜過多，綜合考慮統(tǒng)一使用拉線盤基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目提出全建設(shè)周期設(shè)計(jì)與總承包深度融合的山地光伏項(xiàng)目管理理念。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，總承包方充分發(fā)揮設(shè)計(jì)的“龍頭”作用，讓設(shè)計(jì)充分介入工程建設(shè)全過程，指導(dǎo)采購(gòu)和施工，并吸收采購(gòu)和施工的積極反饋調(diào)整改良設(shè)計(jì)，形成高效的互動(dòng)和互促，更好地保障了工程質(zhì)量，優(yōu)化了工程量，為總承包實(shí)現(xiàn)了降本增效。

3 柔性支架施工工藝

3.1 山地光伏施工特點(diǎn)分析

山地光伏電站占地面積大，組件方陣之間被林地、耕地、墳地、生態(tài)保護(hù)地等紅線以及沖溝、山崖、山脊等復(fù)雜地形分割，導(dǎo)致電站場(chǎng)區(qū)分布零散，點(diǎn)多面廣。而山地光伏電站大部分場(chǎng)址遠(yuǎn)離交通主干道，組件、箱變，支架材料等運(yùn)輸困難，受山地復(fù)雜地形地貌的影響進(jìn)場(chǎng)道路的設(shè)計(jì)與施工較為困難，因此進(jìn)場(chǎng)道路往往由施工單位因地制宜修筑，道路轉(zhuǎn)彎半徑小坡度大，運(yùn)輸條件較差。同樣受地形的影響還存在：電纜溝需隨地形蜿蜒，繞線長(zhǎng)度長(zhǎng)、施工難度大；場(chǎng)區(qū)缺乏平地做材料堆場(chǎng)，材料只能以緩慢的速度分批運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)且周轉(zhuǎn)難度大；大型施工機(jī)械不能應(yīng)用，只能使用小型履帶式施工機(jī)械，甚至人工鉆孔與開挖，施工成本高效率低；雨季時(shí)持續(xù)降雨可能使得山區(qū)土壤濕潤(rùn)，有泥石流、滑坡和山洪等地質(zhì)災(zāi)害危害，施工組織需注重場(chǎng)區(qū)排水規(guī)劃；場(chǎng)區(qū)用水用電甚至通信困難；因缺乏大面積平整地，升壓站建設(shè)用地選址難度大，挖填方工程量大，地基處理與支護(hù)等附屬性工程措施占比大。

3.2 柔性支架基礎(chǔ)施工

本項(xiàng)目柔性支架基礎(chǔ)在施工階段根據(jù)施工地質(zhì)情況調(diào)整為了拉線盤邊錨與板式拓展基礎(chǔ)。拉線盤基礎(chǔ)與斜拉桿成90°，與地面交角成45°布置，在開挖后的3m深槽里綁扎鋼筋與支模板及澆筑的施工難度大，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整為預(yù)制拉線盤基礎(chǔ)。而山區(qū)道路運(yùn)輸條件差，不利于從混凝土預(yù)制場(chǎng)直接購(gòu)買預(yù)制件產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)又缺乏大面積平整地作為預(yù)制場(chǎng)地，若進(jìn)行場(chǎng)平則會(huì)擾動(dòng)生態(tài)環(huán)境，因此決定現(xiàn)場(chǎng)租用牧民平整場(chǎng)地作為拉線盤預(yù)制場(chǎng)地。拉線盤基礎(chǔ)的施工工序?yàn)椋含F(xiàn)場(chǎng)預(yù)制→挖槽→拉線盤吊裝→連接斜拉桿螺紋鋼→外套PVC管管內(nèi)注漿防腐→分層回填土夯實(shí)。

擴(kuò)展獨(dú)立基礎(chǔ)則使用小型履帶式挖機(jī)挖槽，開挖槽內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)綁鋼筋澆筑混凝土，施工工序?yàn)椋和诓邸＝変摻睢炷凉仓謱踊靥钔梁粚?shí)。為了方便工廠生產(chǎn)與現(xiàn)場(chǎng)安裝，柔性支架鋼立柱統(tǒng)一為一個(gè)長(zhǎng)度，而現(xiàn)場(chǎng)地形起伏，由地形導(dǎo)致的鋼立柱柱底高程差異則由與拓展板式基礎(chǔ)一起現(xiàn)澆的混凝土立柱的長(zhǎng)度差異來彌補(bǔ)。

3.3 柔性支架上部結(jié)構(gòu)安裝

本項(xiàng)目在施工前總承包組織設(shè)計(jì)，支架供貨廠家與施工各方召開了技術(shù)研討會(huì)。確定了柔性支架安裝流程為：驗(yàn)樁→安裝邊立柱/中立柱→安裝邊橫梁→安裝并緊固斜拉桿→敷設(shè)并張拉兩根上承組件索至指定預(yù)應(yīng)力→敷設(shè)下懸穩(wěn)定索至指定垂度→安裝三角桁架→安裝橫向桁架聯(lián)系桿→安裝組件→安裝南北穩(wěn)定索。

（1）驗(yàn)樁

驗(yàn)樁工作是對(duì)下部基礎(chǔ)的施工質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收，檢驗(yàn)下部基礎(chǔ)施工精度是否達(dá)到柔性支架上部結(jié)構(gòu)安裝容許誤差。安裝前應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)的定位軸線，基礎(chǔ)軸線及標(biāo)高，地腳螺栓位置進(jìn)行檢查，并應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)復(fù)測(cè)和與基礎(chǔ)施工方辦理交接驗(yàn)收。鋼立柱的支撐面預(yù)埋地腳螺栓的中心偏差不應(yīng)大于5mm。

（2）安裝中立柱與邊立柱及邊橫梁

為了減少高空安裝工作量，在起重設(shè)備能力允許的條件下，宜在地面組拼成擴(kuò)大安裝單元一起吊裝。本項(xiàng)目中立柱與立柱斜撐為工廠焊接整體構(gòu)件，現(xiàn)場(chǎng)整體安裝。安裝時(shí)，立柱中心應(yīng)與基礎(chǔ)中心盡量重合，預(yù)埋柱腳錨栓應(yīng)對(duì)立柱柱底鋼板孔位擰緊螺母。邊立柱與邊梁為分開的兩個(gè)單獨(dú)構(gòu)件，邊立柱安裝時(shí)立柱頂板斜面朝向必須為南方，以此保證組件傾角朝向?yàn)槟舷?。邊梁安裝時(shí)所有橫梁北高南低，邊梁H型鋼下翼緣板的螺栓孔與對(duì)應(yīng)邊立柱頂板螺栓孔對(duì)齊擰緊螺母。

（3）安裝斜拉桿

斜拉桿設(shè)計(jì)為螺紋鋼筋，下拉桿下端直接通過鋼筋連接器連接拉線盤地錨預(yù)埋螺紋鋼筋，上端通過鋼筋螺母卡緊U型連接件連接H型鋼邊梁。斜拉桿連接好后，通過長(zhǎng)臂扳手旋擰鋼筋螺母，控制邊梁頂部往斜拉桿方向發(fā)生5mm位移預(yù)變形。同一根邊梁的兩根斜拉桿須同時(shí)旋擰鋼筋螺母加預(yù)變形。組件安裝完成后，在組件自重荷載下，邊梁預(yù)變形消除。

（4）安裝與張拉承重索

安裝組件兩根上承組件索過程中，應(yīng)在不鎖緊中立柱橫梁蓋板的前提下緊固蓋板，使其在索敷設(shè)過程中發(fā)揮導(dǎo)向作用。敷設(shè)從邊橫梁一側(cè)向另一側(cè)邊橫梁從東向西，牽引鋼絞線。安裝過程中鋼絞線應(yīng)干凈清潔，若沾有泥污應(yīng)及時(shí)清理干凈。張拉應(yīng)使用兩個(gè)同型號(hào)液壓穿心孔千斤頂在拉索兩端東西邊梁位置同時(shí)張拉，單個(gè)設(shè)備應(yīng)至少1人操作油泵，1人操作液壓千斤頂。拉索張拉應(yīng)遵循分階段、分級(jí)、對(duì)稱、緩慢勻速、同步加載的原則。張拉完成后使用索力儀工具檢查張拉預(yù)應(yīng)力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。兩根上承組件索蓋板應(yīng)在張拉兩根上承組件索達(dá)到預(yù)緊力后鎖緊。下懸穩(wěn)定索張拉到跨中垂度為跨中三角撐桿高度即可鎖緊。千斤頂拉力與油泵表示數(shù)的換算關(guān)系如式（1）。

式中：P為油泵讀表壓強(qiáng)示數(shù)；A為千斤頂銘牌所注明張拉缸面積。

（5）安裝三角桁架與組件

以地面拼裝整體吊裝的思路，在地面將三角桁架三個(gè)部分撐桿使用螺栓拼接為三角桁架整體再與兩根組件承重索與一根組件穩(wěn)定索連接。三角撐桿安裝完畢后安裝排間橫向聯(lián)系桿上橫桿，上橫桿與三角撐桿的螺母不緊固，保證單排安裝組件后索結(jié)構(gòu)下沉，上橫桿可以轉(zhuǎn)動(dòng)。上橫桿連接完畢后安裝組件，各排組件安裝完畢后，各排索結(jié)構(gòu)下沉至同一高度，再連接排間橫向聯(lián)系桿下橫桿，并緊固上橫桿螺母。

3.4 施工問題因素分析

本項(xiàng)目在施工過程中出現(xiàn)中立柱拓展基礎(chǔ)立柱中心與上部結(jié)構(gòu)鋼立柱中心出現(xiàn)位置偏差，導(dǎo)致預(yù)埋螺栓偏位，立柱安裝困難等施工誤差問題，可見傳統(tǒng)土建施工隊(duì)伍還未適應(yīng)柔性支架安裝的高精度要求。上承組件索張拉完成幾天后，邊跨位置邊梁錨具出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致該索在邊梁錨具處滑移，因該索已通過蓋板連接于中立柱梁上，其索力作用于中立柱上，導(dǎo)致立柱腳螺栓處混凝土崩壞。經(jīng)分析，鋼絞線在放索過程中在地面牽引，沾上了泥土導(dǎo)致在張拉過程中夾片錨進(jìn)泥，另一方面該索設(shè)計(jì)張拉預(yù)應(yīng)力值較小，夾片錨咬合力較小，咬入鋼絞線的齒痕較淺，因此出現(xiàn)索滑移，本項(xiàng)目后期在錨具上加裝防脫帽。傳統(tǒng)鋼絞線及其錨具主要應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，處于封閉環(huán)境夾片銹蝕耐久性強(qiáng)，其施加預(yù)應(yīng)力較大，較少發(fā)生錨具松脫鋼絞線滑移問題；而柔性光伏支架處于露天環(huán)境，且施加預(yù)應(yīng)力較小，夾片咬入齒痕淺，特別是在長(zhǎng)期工作下夾片銹蝕與負(fù)風(fēng)壓鋼絞線松弛帶來的鋼絞線松脫隱患較大。

4 結(jié)論

本文以云南昆明某山地柔性光伏支架項(xiàng)目為例，介紹了山地柔性光伏支架的設(shè)計(jì)方案與施工工藝，剖析了建設(shè)過程中存在的重難點(diǎn)問題，主要得出以下結(jié)論可供同類工程作參考。

（1）柔性光伏支架跨度大、樁基少、凈空高，建設(shè)對(duì)環(huán)境影響小，建成后對(duì)土地原使用功能影響小，適用于多種復(fù)雜地形地貌與多種形式的土地集約化開發(fā)，本例項(xiàng)目“光伏+農(nóng)牧”融合發(fā)展取得較好效果。

（2）山地柔性光伏支架的設(shè)計(jì)方案與平面布置受地形影響較大，對(duì)基礎(chǔ)要求高，而基礎(chǔ)設(shè)計(jì)受地質(zhì)條件影響較大，但光伏項(xiàng)目往往地形測(cè)繪與地質(zhì)勘察工作較為粗放，設(shè)計(jì)容易脫離實(shí)際地形地質(zhì)條件。本例項(xiàng)目提出全建設(shè)周期設(shè)計(jì)與總承包深度融合的項(xiàng)目管理理念，設(shè)計(jì)與施工及地質(zhì)多專業(yè)深度融合及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)引領(lǐng)工程，服務(wù)總承包，降本增效效果明顯。

（3）柔性光伏支架處于露天使用環(huán)境，在風(fēng)雨光照環(huán)境侵蝕作用下，存在鋼絞線腐蝕與錨具緊固件腐蝕問題，風(fēng)振交變應(yīng)力導(dǎo)致松脫隱患較大，同類工程應(yīng)當(dāng)引起重視，設(shè)置必要防腐防松脫措施。