熊光東 姜 東 譚紹鑫 張 坤 安 華

(1.湖北能源集團(tuán)西北新能源發(fā)展有限公司,陜西 西安 710075; 2.西北電力設(shè)計院有限公司,陜西 西安 710049)

0 引言

陜北地區(qū)具有豐富的煤炭資源，地表土質(zhì)多為黃土。黃土區(qū)域開采煤炭，形成大面積的采煤沉陷區(qū)，地表的濕陷性黃土在降水后發(fā)生二次沉陷。在黃土區(qū)域采煤沉陷區(qū)布置光伏，可有效利用沉陷區(qū)閑置的土地，并改善沉陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境，能夠提高社會綜合效益。黃土區(qū)域采煤沉陷區(qū)由于其沉陷特點，給光伏支架及基礎(chǔ)的選型和設(shè)計帶來新的問題。本文結(jié)合實際項目，分析了黃土區(qū)域采煤沉陷區(qū)光伏支架的選型與設(shè)計的影響因素及注意事項，為黃土地區(qū)采煤沉陷區(qū)布置光伏提供參考。

1 采煤沉陷區(qū)沉陷變形特點

受采動影響的擬建建筑場地的地表沉陷狀況通常由采煤引起的地表移動延續(xù)時間進(jìn)行分析。地表移動延續(xù)時間(地表移動期)是指地表移動開始到結(jié)束的整個時間，分為地表移動初期、活躍期和衰退期三個階段。地表移動延續(xù)時間主要取決于煤層開采深度、開采面積、工作面推進(jìn)速度、采煤方法及覆巖性質(zhì)。首先，項目礦區(qū)硬巖條件下的較硬頂板和淺煤層刀柱和倉房開采的主要破壞形式是整體一次性切冒，具有明顯的突發(fā)性，表現(xiàn)為塌陷過程時間短、破壞性大、難以預(yù)測預(yù)防。其次，當(dāng)開采深度較大時，地表沉陷形式轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛料菪?，但會出現(xiàn)一些地裂縫。再次，淺埋煤層開采時，其基巖與采厚比偏小，地表極易產(chǎn)生裂縫。

采煤沉陷區(qū)地表變形一般分為三部分，主要部分發(fā)生在開采過程中，隨開采空間變化而產(chǎn)生的變形；其次為停止開采后至穩(wěn)定的剩余變形；其余為穩(wěn)定沉陷后的地表殘余變形。地表變形多表現(xiàn)為沉陷裂縫，煤層、巖體埋深越淺，形成的裂隙發(fā)育越劇烈，傳至地表產(chǎn)生的裂縫就越明顯。而煤層、巖體埋深越深，采煤擾動對巖體的破壞傳至地表產(chǎn)生的裂縫就越少。沉陷區(qū)裂縫按照發(fā)育狀況可分為永久性裂縫和動態(tài)裂縫[1]。巖體或煤層內(nèi)部穩(wěn)定，應(yīng)力結(jié)構(gòu)不再繼續(xù)變化，裂縫不再變化，即為永久性裂縫。永久性裂縫一般位于礦區(qū)的采空沉陷區(qū)的穩(wěn)定區(qū)域和基本穩(wěn)定區(qū)域。而動態(tài)裂縫，由于后續(xù)煤層開采，巖層發(fā)育、運動，裂縫的寬度與深度隨之發(fā)生變化。動態(tài)裂縫基本位于采煤沉陷區(qū)的不穩(wěn)定區(qū)域。采煤沉陷產(chǎn)生的地表裂縫發(fā)育有多種形態(tài)，呈現(xiàn)出地表破碎展布式、地表塌陷式、地表撕裂式及地表下沉式裂縫等形態(tài)，如圖1所示。且在黃土地區(qū)，采煤沉陷產(chǎn)生地表裂縫，暴雨后易發(fā)生積水沿裂縫浸入表層黃土，表層黃土易發(fā)生濕陷破壞，地表發(fā)生二次沉降。

2 沉陷變形對光伏支架及基礎(chǔ)的影響

光伏支架及基礎(chǔ)的合理選型與正確設(shè)計，關(guān)乎光伏發(fā)電站的安全與經(jīng)濟(jì)效益。與常規(guī)場地布置光伏不同，在黃土地區(qū)采煤沉陷區(qū)布置光伏，支架及基礎(chǔ)不僅要滿足在各種荷載作用組合下對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、承載力及穩(wěn)定性的要求，還需要滿足地基土沉陷對支架及基礎(chǔ)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可調(diào)性、穩(wěn)定性的要求[2]。地表沉陷對支架及基礎(chǔ)的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面。

(1)采煤沉陷變形一般可分為水平變形和傾斜變形，水平變形產(chǎn)生地表裂縫，傾斜變形產(chǎn)生地表沉降差。地表發(fā)生不均勻沉降，支架基礎(chǔ)與地表的相對位置改變，整個結(jié)構(gòu)受到附加外部作用力，從而造成：基礎(chǔ)埋置深度減小、受力情況發(fā)生變化，基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定性降低；上部支架構(gòu)件受不均勻沉陷影響發(fā)生較大變形，致使光伏組件受拉或受扭而破壞。

(2)由于采煤沉陷產(chǎn)生的裂縫的影響，降水沿地裂縫浸入地表濕陷性黃土，發(fā)生二次沉降變形，與支架基礎(chǔ)的相對位置進(jìn)一步改變，整個結(jié)構(gòu)受到二次附加外部作用力，且黃土地基的承載力降低，從而造成：基礎(chǔ)埋置深度進(jìn)一步減小，基礎(chǔ)承載力和穩(wěn)定性進(jìn)一步降低；不均勻沉陷影響加大，支架鋼構(gòu)件的變形增大，更易造成組件破壞。且地表黃土可能發(fā)生濕陷性破壞，地表易產(chǎn)生較大孔洞，如圖2所示，造成該位置處支架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)乃至結(jié)構(gòu)傾覆。

(a)地表破碎展布式裂縫(b)地表塌陷式裂縫(c)地表撕裂式裂縫(d)地表下沉式裂縫圖1 地表裂縫形態(tài)

圖2 地表孔洞

3 光伏支架及組件的建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

采煤沉陷區(qū)對光伏廠區(qū)建(構(gòu))筑物的破壞影響主要通過采用地表傾斜、曲率和水平變形等指標(biāo)作為評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)光伏組件、光伏支架的抗變形能力分析，依據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》與指南(2017版)和《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/TD31-03-2011)，考慮項目當(dāng)?shù)夭擅撼料輩^(qū)特點，確定了該區(qū)光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。按上述分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)整個項目廠區(qū)就分為A區(qū)(適宜區(qū)域)、B區(qū)(基本適宜區(qū)域)及C區(qū)(適宜性差區(qū)域)。

表1 光伏組件和光伏支架建設(shè)適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

4 支架及基礎(chǔ)的選型與設(shè)計

4.1 支架及基礎(chǔ)的選型

項目按照政策要求，綜合考慮廠區(qū)沉陷特點、組件離地高度、成本與可靠性等因素，項目采用2種固定支架，即單立柱支架和雙立柱支架[3]。其中單立柱支架采用PHC管樁，雙立柱支架采用鋼螺旋管樁；并針對地表沉陷的影響，在支架上增加了可調(diào)節(jié)功能。

單立柱支架具有安裝節(jié)點少、施工誤差?。磺抑Ъ芑A(chǔ)數(shù)量少，與地基土接觸面積變小，減少了地基土堆基礎(chǔ)的影響，從而減小了支架結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)變形。雙立柱支架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，地表變形過大或出現(xiàn)孔洞后，不易發(fā)生傾覆，使得運維具備足夠的反應(yīng)時間，且便于后期維護(hù)和檢修。

根據(jù)光伏廠區(qū)光伏組件、光伏支架的抗變形能力分析，按照前述光伏支架建設(shè)適宜區(qū)分類，確定在A區(qū)(適宜區(qū)域)和B區(qū)(基本適宜區(qū)域)布置光伏支架。并綜合考慮項目礦區(qū)的沉陷變形特點，重點關(guān)注預(yù)測地表變形過大或出現(xiàn)孔洞的區(qū)域，即采煤沉陷盆地的工作面邊緣、開切眼及停采線附近區(qū)域。根據(jù)采煤沉陷區(qū)穩(wěn)定性報告中針對上述地表變形較大區(qū)域的評估結(jié)果，確定在地表水平變形大于2.0mm的區(qū)域采用雙立柱支架方案；其他區(qū)域由于地表沉陷變形較小，選用單立柱支架方案，單立柱支架布置示例如圖3所示。

圖3 單立柱支架示例

4.2 支架及基礎(chǔ)設(shè)計

首先，綜合考慮沉陷變形特點、組件離地高度、成本與可靠性等因素，在沉陷變形較小的區(qū)域可采用單立支架，但應(yīng)盡量減小單個支架陣列基礎(chǔ)數(shù)量，以減少地基土對支架基礎(chǔ)的影響；對地裂縫較多、沉陷大，可能出現(xiàn)地表孔洞的區(qū)域，采用穩(wěn)定性高、抗傾覆性好的雙立柱支架。

其次，設(shè)計時應(yīng)減少支架各個連接處的剛性連接，采用鉸接，提高支架適應(yīng)變形的能力，從而減小各支架構(gòu)件間的次生應(yīng)力和局部變形[4]。設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定抗變形設(shè)計，如單立柱支架在PHC管樁頂處預(yù)留調(diào)節(jié)余量、雙立柱支架在鋼柱柱腳處預(yù)留調(diào)節(jié)余量，保證組件不被破壞。

此外，考慮地表沉陷為不可控因素對支架及基礎(chǔ)穩(wěn)定性及安全性影響極大，可在支架變形較大位置設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變計，同時監(jiān)測基礎(chǔ)的標(biāo)高、垂直度，不同片區(qū)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點，建立數(shù)字化的沉陷監(jiān)測系統(tǒng)。跟蹤煤礦的開采計劃，運維期間重點監(jiān)測影響區(qū)域，一方面提前對支架緊固件進(jìn)行松綁，拆除部分組件，減少組件損壞；另一方面加強(qiáng)巡視和監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)較大地面裂縫和孔洞，及時處理。

5 結(jié) 語

(1)采煤沉陷區(qū)的地表變形表現(xiàn)為沉陷裂縫，裂縫發(fā)育狀況與煤層、巖體的深度相關(guān)，呈現(xiàn)地表破碎展布式、地表塌陷式、地表撕裂式及地表下沉式裂縫等多種形態(tài)。

(2)在黃土區(qū)域采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏電站，需要選擇合適的光伏支架型式，以適應(yīng)黃土區(qū)域采煤沉陷變形的特殊要求。首先，選擇的支架結(jié)構(gòu)能適應(yīng)一定的地表沉陷變形；其次，針對可能發(fā)生較大地表沉陷變形的區(qū)域，預(yù)留可調(diào)余量，減少組件損壞；另外，針對可能出現(xiàn)地表孔洞的區(qū)域，能夠具有一定抗傾覆能力和穩(wěn)定性，為巡視和檢修爭取時間，降低損失。

(3)選擇支架結(jié)構(gòu)上設(shè)置變形監(jiān)測設(shè)備，根據(jù)不同區(qū)域的沉陷變形特征合理設(shè)置監(jiān)測點，建立科學(xué)的數(shù)字化沉陷監(jiān)測系統(tǒng)，及時準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)狀況，迅速處理和檢修，降低人力成本，提高運維效率。