北京中節(jié)智行能源技術(shù)咨詢有限公司 ■ 張長(zhǎng)存

北京聚合電力工程設(shè)計(jì)有限公司 ■ 馬思娟

0 引言

隨著人類社會(huì)對(duì)煤層、礦藏等能源的渴求，大量開采便成為趨勢(shì)，地面塌陷等災(zāi)害也隨之而來。后期治理困難、治理費(fèi)用高，會(huì)使土地?fù)碛姓叨嗍菬o可奈何地選擇閑置，從而造成浪費(fèi)。能否利用及如何更好地利用是擺在每個(gè)建設(shè)者面前的一道難關(guān)，解決好此類問題，也就成了設(shè)計(jì)者的必然職責(zé)。

隨著光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)行，建設(shè)區(qū)呈多樣化發(fā)展，受耕地、礦產(chǎn)、林地、風(fēng)景區(qū)等眾多因素影響，工程中多利用山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)的閑棄土地進(jìn)行建設(shè)，這也是多方努力、變廢為寶的趨勢(shì)。

工程區(qū)選址時(shí)會(huì)遇到采空塌陷區(qū)的問題，擁有者以此類土地閑置可惜而撓頭，開發(fā)者也為如何利用而苦惱。當(dāng)前工程用地日趨緊張，光伏項(xiàng)目能否利用及如何利用此類土地，是決策時(shí)關(guān)注的焦點(diǎn)，已成為設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的課題。

鑒于此類工程地質(zhì)問題的特殊性，本文結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行設(shè)計(jì)方法探討。

1 采空區(qū)塌陷危害及特點(diǎn)

煤層、礦藏的不斷開采，會(huì)使地下巖層空置，為上部巖層塌陷提供了發(fā)展空間，進(jìn)而對(duì)地表的建筑、人員、設(shè)備的安全產(chǎn)生危害。

1.1 塌陷危害

采空區(qū)會(huì)引起房屋等建筑坍塌，發(fā)生人員傷害事件。如國內(nèi)某村受煤礦開采的影響，農(nóng)戶的窯洞出現(xiàn)了傾斜問題，住戶生命財(cái)產(chǎn)的安全受到了危脅。國內(nèi)某鎮(zhèn)發(fā)生過因房屋下部采空區(qū)突然發(fā)生塌陷，造成職工休息室內(nèi)數(shù)名礦工被埋的事件。

如果前期對(duì)塌陷嚴(yán)重性估計(jì)不足，致使地下開采常常伴有不科學(xué)、不規(guī)范的現(xiàn)象，而后期塌陷危害嚴(yán)重又使當(dāng)事者忙亂慌張，無所適從，不能科學(xué)對(duì)待。

1.2 塌陷特點(diǎn)

1.2.1 發(fā)展過程不可逆

采空區(qū)塌陷的危害性逐漸被社會(huì)所認(rèn)識(shí)，但由于引發(fā)源在地下，發(fā)展過程均不可逆，一般可分為初始期、活躍期和衰退期[1]，如圖1所示。

1) 初始期：地表移動(dòng)開始至活躍期開始階段。

圖1 地表變形分期圖

2) 活躍期：在移動(dòng)過程的延續(xù)時(shí)間內(nèi)，地表下沉速度大于50 mm/m(煤層傾角小于45°)或地表下沉速度大于30 mm/m(煤層傾角α大于45°)，可認(rèn)為是活躍期。

3) 衰退期：活躍期結(jié)束到移動(dòng)期結(jié)束后。

1.2.2 治理困難

采空區(qū)的地質(zhì)條件一般均較復(fù)雜，且地下巷道多縱橫交錯(cuò)，同時(shí)可能伴有煤層自燃、突涌水等現(xiàn)象，因此后期治理難度很大。

1.2.3 治理費(fèi)用高

治理時(shí)先需收集資料、分析原因，找出處理措施。因?yàn)榍捌谑占Y料難度大，且處理對(duì)象在地下深部，故而治理費(fèi)用高。處理時(shí)常常會(huì)有突發(fā)事件發(fā)生，這又進(jìn)一步加大了治理費(fèi)用。

2 塌陷區(qū)勘測(cè)評(píng)價(jià)

對(duì)塌陷區(qū)上的工程建筑進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，建立在對(duì)其進(jìn)行客觀勘測(cè)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上。

2.1 進(jìn)行塌陷區(qū)的變形分帶

開采常常在地下幾百米，有的埋深甚至達(dá)到上千米，由地下開采位置至地表，一般分為如圖2所示幾個(gè)區(qū)域。

圖2 塌陷區(qū)變形分區(qū)

1) 冒落帶(I)：采空區(qū)頂板在上覆巖體壓力下完全塌落，形成冒落帶，冒落帶的巖土體雜亂堆積，其高度主要受頂板碎脹系數(shù)和開采厚度影響，一般為開采厚度2～6倍。

2) 裂隙帶(II)：冒落帶上部巖體下沉后，會(huì)加大原有裂隙張開程度或形成新斷裂帶，但仍保持地層原結(jié)構(gòu)特征。其高度主要受巖性和開采厚度影響，一般為開采厚度9～28倍。

3) 彎曲帶(III)：巖土體下沉順序?yàn)橛上轮辽?，至地表后，則以彎曲變形為主要特點(diǎn)，變形會(huì)改變其原有應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而重塑地形。此種彎曲形態(tài)可通過測(cè)量來取得，一般分為中間區(qū)和內(nèi)、外邊緣區(qū)[2](見圖2)：中間區(qū)位于沉陷區(qū)正上方，以地表下沉為主，傾斜、水平變形較?。粌?nèi)邊緣區(qū)位于沉陷區(qū)外側(cè)上方，以壓縮為主，存在垂直、傾斜、水平變形；外邊緣區(qū)位于沉陷區(qū)外側(cè)礦層上方，產(chǎn)生拉伸變形，甚至形成張裂縫，以傾斜、水平變形為主。

建筑物布置時(shí)，先對(duì)彎曲帶地表進(jìn)行分區(qū)，利用不同分區(qū)的不同變形特征分別對(duì)待，以期趨利避害。

2.2 估算地表移動(dòng)參數(shù)

從上述變形形態(tài)的分析可知，沉陷變形主要表現(xiàn)為沉降、傾斜和水平變形等3個(gè)方面，可以分別用參數(shù)表示，如圖3所示。其中：沉降值為ηB-ηA；水平移動(dòng)為 ζA-ζB；傾斜為 (ηB-ηA)/l；水平變形為 (ζA-ζB)/l。

圖3 塌陷區(qū)地表移動(dòng)變形示意圖

以上參數(shù)由工程區(qū)地質(zhì)條件及實(shí)測(cè)變形資料求得。

2.3 穩(wěn)定性分區(qū)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)。當(dāng)?shù)乇韮A斜3～10 mm/m或水平變形為2～6 mm/m的地段作為建筑場(chǎng)地時(shí)，應(yīng)評(píng)價(jià)其適宜性，此類變形區(qū)定義為穩(wěn)定性較差區(qū)(Ⅱ區(qū))；當(dāng)變形小于上述范圍值時(shí)，基本適宜建筑，此類變形區(qū)定義為基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū))。

求解出地表移動(dòng)參數(shù)，并按上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)后，可著重對(duì)升壓站綜合樓及光伏陣列區(qū)的建(構(gòu))筑物進(jìn)行必要的變形計(jì)算，以確定設(shè)計(jì)方案。

3 光伏項(xiàng)目建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)

3.1 功能區(qū)組成

光伏發(fā)電工程主要由光伏陣列區(qū)(含逆變器)、升壓站兩個(gè)功能區(qū)組成，其間布設(shè)線纜連接。

3.1.1 光伏陣列區(qū)

光伏板排放上部，光伏板下設(shè)支架，對(duì)光伏板起抬高、固定作用(見圖4)。光伏板按最優(yōu)傾角布置，布置時(shí)需考慮地形因素、遮擋因素。

圖4 光伏支架

支架一般由鋁合金等金屬材料組成，與一般地面建筑物相比，具有易組裝、質(zhì)輕、可承受較大變形等特點(diǎn)。

可通過如下措施，減少變形區(qū)對(duì)組件的不利影響：組件方向應(yīng)盡量與變形等高線平行；加大支架高度，減少沉陷影響；減小組件長(zhǎng)度，避免變形積累。

3.1.2 升壓站區(qū)

主要由升壓區(qū)、配電室及操作或運(yùn)行維護(hù)人員辦公區(qū)組成。配電室及人員辦公場(chǎng)所簡(jiǎn)單，可設(shè)為一層建筑物。建筑物基礎(chǔ)應(yīng)采用抗變形能力較大基礎(chǔ)。

3.2 功能區(qū)連接

功能區(qū)間以纜線連接。

上述光伏陣列區(qū)、升壓站區(qū)的建(構(gòu))筑物不同，對(duì)變形的要求也不同，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在塌陷區(qū)的勘測(cè)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上分別對(duì)待。

4 塌陷區(qū)評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)方法實(shí)例

受成本投入及建設(shè)周期控制，光伏發(fā)電工程設(shè)計(jì)時(shí)，通常不考慮對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行預(yù)治理，塌陷區(qū)的評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)均是基于現(xiàn)有開采情況。

4.1 開采條件

通過調(diào)查，開采地層埋深600～1000 m，開采厚2.5～5.0 m。地表巖層以第四系砂土為主，厚200～300 m。

4.2 塌陷基本參數(shù)

采空區(qū)勘察是以調(diào)查及搜集相關(guān)變形觀測(cè)資料等方式，通過模擬計(jì)算來取得地表移動(dòng)的基本參數(shù)。

結(jié)果表明，場(chǎng)地內(nèi)地表最大剩余沉降量發(fā)生在西北側(cè)(見圖5)，約為2400 mm/m，向東南呈變小趨勢(shì)；地表剩余傾斜最大值發(fā)生在西側(cè)中部(見圖6)，約為4.5 mm/m；地表剩余水平變形最大值發(fā)生西北側(cè)(見圖7)，約為-4.5 mm/m。

圖5 地表剩余沉降量等值線示意圖

圖6 地表剩余傾斜等值線示意圖

圖7 地表剩余水平變形等值線示意圖

4.3 進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)

根據(jù)地表變形值將場(chǎng)區(qū)分為基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū))和穩(wěn)定性較差區(qū)(Ⅱ區(qū))，詳見圖6～7。其中基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū))地表傾斜、水平變形分別小于3 mm/m、 2～6 mm/m，穩(wěn)定性較好。

4.4 建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)

4.4.1 總體布置調(diào)整

進(jìn)行光伏區(qū)、升壓站區(qū)布置時(shí)，一般需考慮地形、地質(zhì)、地類、交通、送電接入條件等因素。

鑒于場(chǎng)區(qū)東側(cè)變形小的特點(diǎn)，建(構(gòu))筑物應(yīng)優(yōu)先布置在基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅰ區(qū))內(nèi)，升壓站區(qū)建筑抗變形能力較差，應(yīng)盡量布置在變形最小區(qū)域。

4.4.2 光伏組件排列

加大支架高度，增至1 m，抵消沉陷影響；根據(jù)地表變形參數(shù)，確定組件長(zhǎng)度，避免光伏板變形破壞。

4.4.3 建筑物基礎(chǔ)

盡量減少建筑物基礎(chǔ)面積，并應(yīng)采用抗變形能力較大基礎(chǔ)類型，如整體板狀基礎(chǔ)。

4.4.4 變形觀測(cè)

進(jìn)行變形觀測(cè)，驗(yàn)證前期結(jié)論，對(duì)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、論證。

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實(shí)際情況，以場(chǎng)址的塌陷評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，針對(duì)光伏建(構(gòu))筑物的固有特點(diǎn)，首先對(duì)工程進(jìn)行穩(wěn)定性分區(qū)，在最穩(wěn)定的地區(qū)優(yōu)先放置抗變形能力弱的建筑物；其次對(duì)建(構(gòu))筑物變形進(jìn)行驗(yàn)算，確定組件排列長(zhǎng)度及建筑物基礎(chǔ)類型等重要設(shè)計(jì)方案，從而使閑置土地得到利用成為可能。

毋庸置疑，地面塌陷惡化了場(chǎng)區(qū)原地質(zhì)條件，有時(shí)會(huì)與水體、滑動(dòng)土體及其他不良地質(zhì)因素疊加，形成復(fù)雜的作用。這也是設(shè)計(jì)時(shí)難以把控的，因而安排變形觀測(cè)工作便不可或缺，觀測(cè)值除可驗(yàn)證前期設(shè)計(jì)的合理性外，也為今后此類工程的設(shè)計(jì)積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。

[1] ISBN 7-5020-1662-7/TD7-65，建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[S].

[2] ISBN 978-7-112-08828-7，工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[S].

[3] GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009版)[S].