山地光伏项目施工难点及应对措施

施工难点及应对措施2018年5月6日

项目概况站址区地形地貌与工程地质条件2017年11月30日，国家能源局发文《国家能源局关于公布2017年光伏发电领跑基地名单及落实有关要求的通知》（国能发新能【2017】76号），确定了10个应用领跑基地和3个技术领跑基地，其中3个技术领跑基地的情况如表1所示。本方案涉及其中的长治市平顺县技术领跑基地250MWp项目。表12017年3个技术领跑者基地概况平顺片区一主要分布在平顺县中部的虹梯关乡、东寺头乡，规划装机规模为80MW，涉及虹梯关乡3个村，东寺头乡1个村。规划光伏电站用地面积为409.204公顷，全部为未利用地。其中地块1占用的是虹梯关乡北秋房村土地，地块2占用的事虹梯关乡臭水郊村土地，地块3占用的是东寺头乡后庄村土地，地块4占用的是虹梯关乡芦芽村的土地。平顺片区二主要分布在平顺县中南部的龙溪镇、西沟乡、东寺头乡交界处，规划装机规模为110MW，涉及龙溪镇3个村，东寺头乡3个村，西沟乡2个村。规划光伏电站用地面积523.399公顷，全部为未利用地。其中地块1占用的是东寺头乡安咀村、常驮村、常峪村和西沟乡石匣村、下井村的土地，地块2占用的是龙溪镇佛堂岭村、上井村、南小沟村的土地，地块3占用的是龙溪镇佛堂岭村的土地。平顺片区三分布在平顺县东南部的杏城镇，规划装机规模60MW，涉及西罗川村、黄崖村、杏城村、赵城村5个村。规划光伏电站用地面积为375.901公顷，为未利用地。其中地块1占用的是黑虎村的土地，地块2占用的是赵城村的土地，地块3是西罗川村、黄崖村的土地，地块4占用的是杏城村的土地。2018年4月21日，我司组织测绘、勘察、结构、电气等各专业技术人员前往工程所在地进行了现场踏勘。根据踏勘了解，长治基地地形地貌以山地、丘陵为主，部分场区分布有梯田，如图1所示。除6#区域有大量人工林外，大部分地表植被稀疏。各区域坡度陡缓不一，坡度最陡的是3#地块，大多在35°以上，5#地块坡度较缓，大多在15°~25°之间。临近场区的主要道路是670、672和674县道，除5#区域外，交通均不是很方便。图1山地地貌（部分区域有梯田）图26#地块分布的比较茂密的人工林根据部分出露断面判断，长治基地的地层，除地表为薄层耕植土外，其下为风化程度不一的岩层、碎石土，典型的地层断面如图4~5所示。场区地下水埋深较深，基础施工应不受地下水的影响。图3中风化岩石地层图4碎石土地层项目面临的难点分析根据现场条件，结合我司山区电站建设的经验总结本项目施工面临的难点如下：（1）场区分散，施工组织和管理难度大。本项目总装机容量250MW，涉及10个地块，每个地块之间距离较远，且交通不方便，机械调配、物料分拣不便，增加了项目的统一指挥和管理难度。（2）部分场区山体坡度大，机械施工困难。一般平均坡度超过35°时，各类施工机械行走困难，增加了支架基础施工的难度和危险性。本项目有部分场区山体坡度超过了35°，采用机械施工困难，制约了支架基础的施工进度。（3）场区植被不发育，施工工艺应注意减少对植被的破坏项目所在地干旱少雨，且地表覆土较薄，不利于植被的生长，方案设计包括施工工艺应尽量避免对地表植被的破坏，并做到对环境的最大保护。（4）地层为岩层或密实的碎石土，支架基础施工困难。地层岩土除地表为薄层耕植土外，其下均为坚硬的岩层或密实的碎石土，无论是开挖或是钻孔，都很困难，需要采用大功率的设备。（5）交通不便，物料的运输和倒运困难。所有场区中，数5#场区交通条件最好，672县道、005乡道、村道构成一个环绕5号区域的三角状的交通网。但即使是这样，乡道和村道都很窄，无法通行大型的设备、物料运输车辆。且道路无法通往场区的所有地方，尤其是上坡和山顶。施工时，需要修筑大量的施工临时道路，且存在大量的物料二次倒运工程量。（6）缺少施工临水临电除5#场区外，其它场区内基本没有村庄，施工临水临电解决困难，需要大量使用发电机。踏勘过程中，基本未见地表水，只能借助附近村庄的深井取水。基础施工的总体思路本项目要求今年动工，明年年中完工，工期相当紧张。为确保工程的整体工期，并兼顾环保和质量，需综合考虑现场地形地貌、工程水文地质条件、交通运输条件、人文环境，制定工程施工的总体原则，尤其是需针对施工难度最大，对整体工期影响大的支架基础制定一套切实可行的施工工艺。山区建设光伏电站，一种做法是削峰填谷，进行大面积整平，然后再如平地电站一样进行施工组织，另一种做法是进行局部小面积场平，基本不改变地形地貌，采取随坡就势的支架布置方案。在国内早期的山地电站建设中，比较多的采用了前一种方案，如图5所示。采用这种方案，涉及大量的场平费用，工期也相当长，且对当地的植被是一个毁灭性的破坏。图5山区电站进行场平后采用常规混凝土基础由于进行大面积的场地平整会增加高昂的土建成本，且工期长，不利于环保，现在在山区建设光伏电站，基本不再进行大面积的场地平整，而是采取随坡就势的方式，如图6所示。这样虽然无法保证每个阵列的方位角均是正南向，会牺牲一部分的发电量，但在造价、工期、环保方面的优势是显而易见。图6山区电站采取随坡就势的方案进行建设根据本工程的地形地貌特点、工程水文地质条件，结合以往类似项目建设经验，提出本项目支架基础施工的总体原则如下：（1）不进行整体场平，采取随坡就势的支架布置方案，对局部影响设备通行的地段采取局部场地平整；（2）结合地层条件，优先采用各类桩基础，并设计成插接、双抱箍等具有支架高度可调功能的支架体系，以适应地形起伏的自然条件；（3）对于平地或是坡度较缓的区域，优先采用单立柱的方案，减少支架基础的施工工程量，可以起到节省工期、保护环境的目的；（4）优先采用钢制基础和立柱，在电站设计使用寿命到期后，可回收，避免产生大量的混凝土固体废弃物；（5）优先使用商品混凝土，最大限度地减少对临水临电的依赖，并能有利于保证工程质量和环境保护。各种基础施工工艺的灵活应用支架基础选型应根据下列因素综合确定：（1）支架结构形式和所承受荷载的特征；（2）土的性状及地下水条件；（3）施工工艺的可行性；（4）施工场地条件及施工季节；（5）经济指标、环保性能和施工工期。本项目场区分布范围广，地形各异，地层条件复杂多变，不可能采取单一一种支架基础的方案，需要根据实际条件，灵活采取多种支架基础方案。在本项目中，可能采取的支架基础形式有如下几种。微型灌注桩这种基础形式适用于岩石地层或是密实的碎石土地层。采用成孔设备，如潜孔锤，成孔，放入钢管作为加筋体，然后灌注混凝土成桩。该种工艺最初在2010年辽宁锦州7MW山地光伏电站首创采用，后来被广泛应用到各类岩石山地电站中，工艺成熟可靠，并被列入国家标准《太阳能发电站支架基础技术规范》（GB51101-2016）中。采用该类型的基础，要求地层为岩层或是密实的碎石土，确保成孔后不塌孔。根据初步踏勘了解到，本项目的工程地质条件大部分均为上述地层，因此特别适合采用微型灌注桩。图7微型钢管灌注桩的施工图8施工结束后的微型钢管灌注桩成孔需采用机械成孔，钻头一般采用潜孔锤，配备高功率的鼓风机。对于平均坡度在30°以内的，基本可采用履带式钻机成孔，对于坡度稍高的，需如图10所示，钻机需在牵引绳的牵引下确保安全的前提下施工。对于坡度更大的，可采用手持式设备成孔，或是采用其它基础形式。图9坡度陡地段钻机在牵引绳的辅助下进行施工图10为在岩石地层条件下采用微型灌注桩，安装完立柱和斜梁的场景。灌注桩采用钢管作为加筋体，立柱采用配套的圆管，插接安装，实现了高度可调，消化了场地的高低不平。该种基础方案已成功应用到了河北易县20WMp、辽宁锦州10WMp、河北曲阳50WMp、河北宣化30WMp等项目中。图10微型灌注桩立柱采用插接方式安装螺旋钢桩螺旋桩是在2010年前后从其他行业引入到光伏行业作为支架基础的，是螺旋桩的一种小型化在新能源领域创新性运用。螺旋桩由在钢管上焊接螺旋叶片组成，并由液压驱动动力头输出扭矩旋拧钻入土层中。螺旋桩具有如下优势：（1）属于预制桩，工程质量有保障；（2）机械化施工、快捷方便；无需养护，可直接受荷；（3）地层、地形、气候、季节适用范围广；（4）无需开挖、对生态破坏最低；（5）可回收、场地恢复成本低。同混凝土基础相比，具有绿色环保、快捷方便的优势。螺旋桩目前已在多个项目中得到推广应用。2010年山东东营7Mwp太阳能光伏电站是国内第一个使用螺旋桩基础的项目，全电站共设计12600根【立固】螺旋地锚，包括组件安装仅用43天施工完成。图11应用于光伏领域的螺旋桩图12螺旋桩的施工在中国，自2010年以来螺旋桩日益广泛地应用到国内太阳能光伏电站的建设中。包括国家电网、大唐、国电、中节能、中广核、华电等大型集团的众多企业均有项目实践，累计已有5G瓦以上的规模使用。螺旋桩适用于土层地质条件，根据踏勘，本项目多为岩石地层和碎石土地层。螺旋桩在本项目中适用于部分上部覆土层厚的或是碎石土层中采用微型灌注桩成孔困难（易塌孔）的地段。在本项目中施工螺旋桩，需要根据地层情况对常规施工工艺进行改进。对于直接旋拧钻进困难的情况，可采用小直径的潜孔锤预成孔，在此基础上再旋拧钻进。图13对于坚硬地层采用潜孔锤预成孔该工法采用小直径的潜孔钻钻头在桩位处预先钻成直径小于桩体直径的孔，然后再将螺旋桩旋拧钻进。该工艺属于部分挤土桩施工工艺。同上述螺旋钻预松土成桩法相比，由于桩周土体仍为原状土层，因此不存在上述沉降、负摩阻、冻胀方面的问题，现场静载试验的测试结果即反映了桩基真实、长期的承载力性状。植筋基础本基地有部分区域岩石直接出露于地表，且风化程度低。对于基岩直接出露于地表的场区，可以采用植筋基础。如图14~15所示，这种基础类似于混凝土植筋工艺一样，在岩石中成小孔，灌注植筋胶，植入钢筋，承担基础所承受的所有荷载。植筋结束后，再支模浇筑混凝土承台，并在混凝土承台中预埋与上部支架连接的钢管。同常规混凝土承台基础相比，上述承台的尺寸小很多，只是起到了一个上下结构转换的作用，避免了在电站建设中使用大量的混凝土，造成环境污染。图14在岩石中进行植筋图15植筋基础支模浇筑承台悬空式柔性支架在复杂山地中的应用在山地项目中，占地范围内不可避免存在沟、坎、壑等地形地貌，或者一些特别陡峭的地段，在这些区域无法使用常规支架基础形式进行处理，造成使用面积紧缺，甚至无法满足安装容量的需要。柔性支架的开发应用，为在这类地区建设光伏电站提供一种新的解决方案。柔性光伏支架是在钢缆上安装光伏组件的一种新型支架，在2015年前后被开发利用，最初应用于污水处理厂，后不断应用于种植业、畜牧业、水池鱼塘、屋面以及山地光伏电站项目中。图16为一个建造在污水处理厂曝气池上的光伏支架，采用的是悬空式柔性支架。图16常规悬空式柔性支架实景图悬空式柔性光伏支架主要构件包括，钢立柱、横梁、拉索、锚索、斜支撑、紧固件等。大部分柔性光伏支架离地高度2-3m，跨度10-50m，不会影响下方正常生产或运营工作。光伏板与拉索的固定形式分为横向和纵向两种，四点固定，特殊部位可适当加强。在山区电站中，采用柔性支架，可跨越沟壑等复杂地形，增加土地的可利用面积，增加装机容量；另外一方面，同常规支架相比，柔性支架的基础数量少，可减少基础施工对地表的破坏，减少固体废弃物的产生，有利于环保。目前柔性支架在光伏电站中大面积推广所面临的一个问题是，在风荷载作用下，支架在风振效应作用下的变形是否会导致组件产生隐裂还有待验证。因此在最初柔性支架的基础上，又不断开发出各类改进型的柔性支架，增加索结构的稳定性。根据地势条件，可通过锚索，拉索以及支撑部分的连接形成空间网架结构，互相依托保证结构平面内及平面外稳定性。在集中受力点，采用压块、借助地势锚固等形式，增加网架架构的附着力，起到防风卸风的作用，增加稳定性。为解决柔性支架变形大，减少其风振效应，开发出了一种“鱼腹式钢索柔性支架”体系，如图17所示。图17鱼腹式钢索柔性支架结构示意图通过设置鱼腹式钢索，实现大跨度空间；鱼腹式结构既能抵抗风压力的作用，也能抵抗风吸力的作用；鱼腹式钢索上设置撑杆和固定组件的钢索，减小了组件钢索的跨度，并且施加一部分预应力，减少钢索挠度；设置了上下两道稳定钢索，保证鱼腹式钢索平面外的稳定。采取连接构造措施，进一步减少组件隐裂：组件与固定组件的钢索间设置允许转动的连接件，并且能够限制组件的横向位移，从而消除钢索产生的扭矩传给组件，避免产生隐裂。“鱼腹式钢索柔性支架”体系与传统钢架结构和传统柔性支架相比，具有如下优势：（1）用钢量少、承重强、工期短的明显优势。相同高度和跨度的情况下，与传统钢架结构或网架结构相比，用钢量减少40%以上，在保证项目收益率的基础之上，度电成本可降低30%以上，工期缩短了35%以上。（2）稳定性好、挠度小、隐裂少：完美解决了传统柔性支架结构稳定性差，钢索挠度大，隐裂较为严重的问题。（3）检修更方便：与传统柔性支架结构相比，因为设置了检修钢索，检修更方便。鱼腹式钢索支架可实现跨度100m内的大跨度应用场地，比较经济的跨度为30~50m。利用于山区电站，可轻松跨越沟壑等地带，变不可利用地为可利用地，提高土地的利用率。图18鱼腹式钢索柔性支架效果图图19鱼腹式钢索柔性支架实景图推广使用单立柱系统根据项目所在地的地形及工程地质条件，建议在地形较缓区域推广使用单立柱系统。单立柱系统由单桩基础和上部支架组成，基础采用混凝土基础内预埋型钢形式，型钢起到立柱的作用，安装上部支架。为减少转接件的使用，斜梁与立柱直接采用插销连接。图20单立柱系统与双立柱系统相比，单立柱系统优势明显，主要表现在以下几方面：（1）降低材料及运输成本与传统地面电站双立柱系统相比，单立柱系统基础数量大大减少。本项目地处山地、丘陵地带，物料运输并不便利，采用单立柱系统可以减少基础施工所需材料，如混凝土的用量，降低运输成本。（2）节省场平费用，降低土建成本对于地势起伏的山区，往往需要大面积场平以方便施工作业，这样场平费用占土建成本的比例就会提高，不利于成本控制。采用单立柱系统，可有效减少场平面积，降低土建成本。（3）降低施工安装成本，缩短工期单立柱系统桩顶标高容易控制，一般只需保证阵列东西方向桩顶标高一致即可，而双立柱系统还要保证单阵列南北方向桩顶标高的一致性，对于山地电站，这种要求实际操作起来较为困难。另外单立柱系统支架预装度高，安装简易，施工便捷，混凝土基础预埋钢管的形式方便调节支架高度，节省工时，能极大的提升安装效率，降低安装费用。（4）与当地环境保护相协调采用单立柱系统，可大面积减少土方开挖，对原地表植被造成的破坏，采用混凝土基础预埋型钢的形式，减少混凝土用量，减少电站使用寿命期结束后混凝土固体废弃物的量，保护环境。混凝土泵送技术在基础施工中的应用本项目施工的一个难点就是山地施工，交通不便，物料运输困难。如果修筑过多的施工道路，则费用高，工期长，且对环境破坏大。在所有的物料运输中，混凝土的运输最为困难。为了解决基础施工中混凝土的运输，采取如下措施：（1）采用商品混凝土，混凝土运输车运输到山脚下；（2）采用混凝土泵泵送混凝土到施工场区。图21山区施工采用混凝土泵送技术混凝土地泵是通过管道依靠压力输送混凝土的施工设备，它配有特殊的管道，可以将混凝土沿着管道连续地完成水平输送和垂直输送，是现有混凝土输送设备中比较理想的一种，它将预拌混凝土生产与泵送施工相结合，利用混凝土搅拌运输车进行中间运转，可实现混凝土的连续泵送和浇筑，泵送高度可达100m以上，甚至能超过300m。在混凝土运输车能到达的地方，设置地泵，商混由混凝土运输车运输至现场后，倒入地泵内，泵送到山顶或山坡上直接浇筑。为方便混凝土浇筑，连接泵车的部分采用钢管，施工场区内可采用橡胶软管，便于分散浇筑。也可将混凝土集中泵送到山顶，然后采用滑槽往下实现混凝土的浇筑，如图22所示。图22采用滑槽技术解决山区混凝土的倒运滑轨技术在物料二次倒运中的应用根据以往工程经验，山地电站中物料运输是影响工期的重要因素。在山地项目中，会有部分区域由于山体形状，地势特点等原因，无法由车辆将物料运输到指定位置，需要进行二次倒运。根据现场踏勘，站址区内道路无法通往场区的所有地方，尤其是上坡和山顶，仅部分区域有乡道和村道，且很窄，无法通行大型的设备、物料运输车辆。施工时存在大量的物料二次倒运工程量。为了解决山脚至山顶的物料运输问题，我们创造性地开发出了二次倒运的滑轨技术，如图23所示。滑轨技术使用的是两根钢制轨道，上部使用带有特制轮子的运输车，由顶部电动机使用钢索进行牵引运动，可以将物料运输至轨道上的制定位置，方便施工现场物料运输。图23二次倒运的滑轨技术为了方便运输及组装，钢制轨道均为拼接形式，可以快速将已施工完毕区域的轨道拆卸搭建到指定区域进行作业。运输车使用特制轮子，在无动力的情况下可以锁紧钢制轨道，防止发生倾覆及脱轨情况。运输车动力来自于顶部的电动机，可以根据现场不同材料需要，使用不同规格的电动机进行配合，最高可以运输几吨的重量。滑轨技术的应用，使二次倒运时间缩短至原有的三分之一，大大加快了施工进度，节省成本。手持式打桩钻孔设备的应用对于坡度大，机械设备无法到达的区域，本施工方案提供一种手持式钻孔机，其结构简单，操作人员少，移动方便。手持式钻孔机应用范围广泛，包括建筑施工中的路灯杆、山体防护栏安装，地质勘探钻孔，各种矿山的钻孔、劈裂，光伏电站中基础的钻孔，打孔、打桩，以及水泥路面、柏油路面的各种劈裂、破碎等。手持式钻孔有电动式和内