劉喆，樊森輝，路大衛(wèi)，趙偉通

摘 要：在采煤塌陷區(qū)水域建設(shè)水面漂浮式光伏電站，可有效利用閑置廢棄的水域，解決了在電力缺口較大且土地資源緊張的地區(qū)建設(shè)傳統(tǒng)地面光伏電站的難題。水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣在風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的水平荷載，其錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)，同時(shí)也是漂浮系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵點(diǎn)。以某采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站為例，對(duì)比分析了其錨固方案分別采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土（PHC）管樁和普通重力式混凝土錨固塊時(shí)的構(gòu)造設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性，并分析了與兩種錨固方案配套使用的鋼絲繩構(gòu)造，最終選出最具經(jīng)濟(jì)性的錨固方案。分析結(jié)果表明：1）通過計(jì)算，錨固方案采用PHC管樁時(shí)，錨固設(shè)計(jì)主要由水平承載力控制；2）為適應(yīng)光伏方陣在水位變化時(shí)產(chǎn)生的位移，錨固方案采用PHC管樁時(shí)，其樁頭可采用“抱樁器+上下限位”的構(gòu)造設(shè)計(jì)；錨固方案采用普通重力式混凝土錨固塊時(shí)，需要在鋼絲繩下增加一段彈力繩；3）在錨固點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，在平均水深約為5 m的淺水區(qū)域，錨固方案采用PHC管樁可以提供更強(qiáng)的錨固力，且經(jīng)濟(jì)性較好。

關(guān)鍵詞：采煤塌陷區(qū)；水面漂浮式光伏電站；錨固計(jì)算；預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁；構(gòu)造設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)性分析

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

對(duì)人口及商業(yè)密集、電力缺口較大的中國(guó)中東部地區(qū)，有限的土地資源為大規(guī)模開發(fā)地面光伏電站帶來難度，而水面漂浮式光伏電站不會(huì)占用土地資源，越來越受到行業(yè)內(nèi)的重視并成為熱門方向[1-2]。中國(guó)于2016年開始逐步推廣采煤塌陷區(qū)水上光伏發(fā)電項(xiàng)目，與日本、美國(guó)等國(guó)家相比，起步相對(duì)較晚但發(fā)展迅速。

煤炭作為中國(guó)最重要的能源，其大規(guī)模的利用和開采對(duì)礦區(qū)地表產(chǎn)生了一定的破壞，造成地表移動(dòng)與變形。隨著礦區(qū)的煤炭資源逐漸匱乏，利用采煤塌陷區(qū)水域開發(fā)水上光伏電站，不僅可以將已閑置的水面資源進(jìn)行高效利用，不占用耕地、林地和草地等土地資源，同時(shí)光伏發(fā)電具有清潔、太陽(yáng)能供應(yīng)源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢(shì)，可以提高當(dāng)?shù)氐那鍧嵞茉蠢盟?，有助于?jié)約煤炭資源和降低溫室氣體排放，對(duì)改善采煤塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境具有積極促進(jìn)作用。在采煤塌陷區(qū)的水域開發(fā)水面漂浮式光伏電站，可有效利用塌陷區(qū)閑置廢棄的水域，改善水域生態(tài)環(huán)境，避免占用寶貴的土地資源，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化[3]。水體對(duì)光伏組件有冷卻作用，且光伏組件下方無遮擋，東西方向通風(fēng)良好，開闊的水域面積還可以提高太陽(yáng)光利用率；另外，光伏組件覆蓋在水面上可抑制藻類繁殖，有助于減少水體蒸發(fā)和保護(hù)水資源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)家相關(guān)政策的引導(dǎo)下，在采煤塌陷區(qū)的水域開發(fā)水面漂浮式光伏電站具有廣闊的應(yīng)用和開發(fā)前景[4]。部分采煤塌陷區(qū)水上光伏發(fā)電項(xiàng)目的規(guī)劃已通過水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院組織的評(píng)審，并上報(bào)國(guó)家能源局等待批復(fù)。

水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣在風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的水平荷載，導(dǎo)致其錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為難點(diǎn)，同時(shí)也是漂浮系統(tǒng)能否可靠工作的關(guān)鍵點(diǎn)?；诖耍疚囊阅巢擅核輩^(qū)水面漂浮式光伏電站為例，對(duì)其錨固方案分別采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土（PHC）管樁和普通重力式混凝土錨固塊時(shí)的構(gòu)造設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)兩種錨固方案配套使用的鋼絲繩構(gòu)造進(jìn)行分析，最終選出最具經(jīng)濟(jì)性的錨固方案。

1? 荷載計(jì)算

本文算例所選的采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站場(chǎng)址區(qū)域的原始地貌類型為沖洪積、湖積平原，由于地下煤炭開采，在采空區(qū)上方塌陷成盆地，后來積水成湖。地下煤層于2015年前后停止開采，現(xiàn)地面沉降基本達(dá)到穩(wěn)沉，采煤塌陷區(qū)水域的平均水深約為5 m，局部最深處約為8 m。

水面漂浮式光伏電站的漂浮系統(tǒng)主要由主浮筒、過道浮筒、支撐縱梁、光伏支架立柱、連接螺栓等構(gòu)成。本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站中，單塊光伏組件的尺寸（寬×高）為2278 mm×1134 mm，重量為27.5 kg；光伏組件采用單排橫向布置，光伏組件安裝傾角為15°（向北側(cè)傾斜）。1個(gè)光伏方陣的東西向總長(zhǎng)度約為260 m，南北向總長(zhǎng)度約為125 m，共布置7072塊光伏組件。單塊光伏組件在漂浮系統(tǒng)上的布置示意圖如圖1所示。

單個(gè)光伏方陣中，光伏組件按照“26列+52列+26列”劃分為3個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)之間設(shè)置1列主浮筒，方便布置逆變器并兼做電纜通道。在光伏方陣南北向最外側(cè)各設(shè)置兩行主浮筒，東西向最外側(cè)各設(shè)置1列過道浮筒，且在每?jī)尚泄夥M件之間設(shè)置1行主浮筒。主浮筒的長(zhǎng)度大于過道浮筒的長(zhǎng)度，但二者的寬度與厚度相同。單個(gè)光伏方陣共布置4264個(gè)主浮筒，414個(gè)過道浮筒。

由于水面漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用年限為25年，本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站所在地的25年重現(xiàn)期風(fēng)壓為0.3 kN/m2，25年重現(xiàn)期雪壓為0.2 kN/m2，設(shè)計(jì)采用的水流速度為1 m/s。通過統(tǒng)計(jì)浮筒、光伏組件、支撐縱梁和電氣設(shè)備這4個(gè)部分的自身重量，以及每個(gè)主浮筒和過道浮筒所能提供的浮力，可計(jì)算得到光伏方陣所在浮體的吃水深度為0.2 m。

依據(jù)T/CPIA 0017—2019《水上光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A給出的計(jì)算方法，對(duì)作用在光伏方陣漂浮系統(tǒng)的風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力均會(huì)給光伏組件造成水平荷載。由于光伏方陣上的光伏組件為朝向南側(cè)布置，南北向?yàn)橹饕茱L(fēng)方向，因此計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，需要分別計(jì)算作用在光伏方陣上的南側(cè)來風(fēng)和北側(cè)來風(fēng)，風(fēng)荷載體型系數(shù)分別取0.80（南側(cè)來風(fēng)）和0.95（北側(cè)來風(fēng)）[5]。作用在光伏方陣上的水平荷載的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：光伏方陣的北側(cè)在北側(cè)來風(fēng)作用下受到的水平風(fēng)荷載大于光伏方陣的南側(cè)在南側(cè)來風(fēng)作用下受到的水平風(fēng)荷載，因此錨固方案設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，光伏方陣的北側(cè)為主受力方向。

2? 錨固方案采用錨固樁時(shí)的設(shè)計(jì)

2.1? 工程地質(zhì)

本案例采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)屬于沖洪積、湖積平原孔隙水區(qū)，因煤炭采空塌陷，長(zhǎng)年積水成湖，地表水豐富。區(qū)域內(nèi)地下水依靠大氣降水、地表水、河水補(bǔ)給，排泄方式為側(cè)向滲流和蒸發(fā)，屬于垂直補(bǔ)給側(cè)向滲流循環(huán)類型。通過確定對(duì)水面漂浮式光伏電站場(chǎng)區(qū)存在影響的采煤工作面邊界范圍，主要依據(jù)采空區(qū)類型、開采條件、開采方法及頂板管理方式、終采時(shí)間、地表移動(dòng)與變形特征、頂板巖性等因素，采用開采條件判別法、地表移動(dòng)變形判別法等方法，對(duì)工程場(chǎng)地現(xiàn)狀進(jìn)行穩(wěn)定性分析評(píng)估，評(píng)估結(jié)論是場(chǎng)地穩(wěn)定性等級(jí)為“基本穩(wěn)定～穩(wěn)定”。

2.2? 地層結(jié)構(gòu)及特征

對(duì)擬建采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站的場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)勘察。根據(jù)NB/T 10100—2018《光伏發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[6]，依據(jù)擬建工程場(chǎng)地的復(fù)雜程度，判定場(chǎng)地等級(jí)為1級(jí)；依據(jù)場(chǎng)地地基的復(fù)雜程度，判定地基等級(jí)為2級(jí)。因此，綜合判定本工程勘察等級(jí)為甲級(jí)?？辈煦@孔采用網(wǎng)格狀布置，單孔設(shè)計(jì)鉆孔深度為6～20 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，擬建水面漂浮式光伏電站場(chǎng)區(qū)勘探深度范圍內(nèi)揭露的湖底地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積沉積物、第四系上更新統(tǒng)沖洪積沉積物及人工填土等，其中，人工填土僅在很小區(qū)域分布，且基巖面埋深較大。根據(jù)工程場(chǎng)地所揭露地層的成因、年代、巖性特征及物理力學(xué)性質(zhì)，將其劃分為3個(gè)工程地質(zhì)層、9個(gè)工程地質(zhì)亞層。

當(dāng)本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站的錨固方案采用錨固樁時(shí)，根據(jù)各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并結(jié)合JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的推薦來確定錨固樁的參數(shù)。工程場(chǎng)地所揭露地層中各土層（由上至下）的巖性特征及對(duì)應(yīng)的錨固樁參數(shù)如表2所示。

2.3? PHC管樁的承載力計(jì)算

在水面漂浮式光伏電站中，通過錨固樁確保光伏方陣在風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力作用下產(chǎn)生的位移值在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。錨固樁在使用時(shí)主要承受上拔荷載和水平荷載作用，且在長(zhǎng)期浸水環(huán)境中，水質(zhì)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。綜合考慮上述因素的影響，本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站的錨固樁選用AB型PHC管樁。

由于計(jì)算樁基水平承載力時(shí)，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)的計(jì)算深度為2（d+1）（其中d為樁的外徑），因此樁長(zhǎng)對(duì)樁基水平承載力計(jì)算沒有影響，可不考慮增加樁長(zhǎng)。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在PHC管樁沉樁施工時(shí)，需保證管樁立起后樁頂高出水面，以方便定位和糾正樁身垂直度。綜合上述因素影響，PHC管樁的樁長(zhǎng)為10 m，施工完成后樁身整體埋沒于水中，其中埋在土中的部分長(zhǎng)度為7.5 m，土層外露部分長(zhǎng)度為2.5 m；由于①-1人工填土層在所有勘探點(diǎn)中僅1處揭露，因此在計(jì)算時(shí)不考慮本土層的影響。PHC管樁與土層的關(guān)系簡(jiǎn)圖如圖2所示。

選擇3種PHC管樁進(jìn)行分析，樁型分別為PHC 300 AB 70（外徑為300 mm）、PHC 400 AB 95（外徑為400 mm）、PHC 500 AB 100（外徑為500 mm）。分別計(jì)算不同樁型的PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力，計(jì)算結(jié)果如表3所示。其中，計(jì)算水平承載力時(shí)，按地面處位移10 mm進(jìn)行控制；計(jì)算豎向抗拔承載力時(shí)，抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值按照J(rèn)GJ 94—2008中非整體破壞的條件、單樁自重取其浮重度進(jìn)行控制。

2.4? PHC管樁樁頭的設(shè)計(jì)

水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣的位置會(huì)隨著水位變化而產(chǎn)生變化。因此，本錨固方案中，在湖底以上外露在土層外2.5 m的樁長(zhǎng)范圍（即樁頭）內(nèi)，在PHC管樁上樁頭處設(shè)置可沿著樁頭上下移動(dòng)的抱樁器，以適應(yīng)水位變化；樁頭上下兩頭各設(shè)置1個(gè)抱箍，用來限制抱樁器在樁頭上的移動(dòng)范圍，抱樁器通過自身設(shè)置的4組滑輪在PHC管樁樁頭上豎向滑動(dòng)。PHC管樁樁頭的示意圖如圖3所示。

本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣按照當(dāng)?shù)?0年一遇洪水位進(jìn)行設(shè)防，考慮洪水位與常水位的水位變化幅度為1 m。PHC管樁樁頭采用“抱樁器+上下限位”的構(gòu)造，首先，抱樁器的豎向移動(dòng)行程滿足水位變化的要求，在常水位時(shí)，抱樁器處于下抱箍處，此時(shí)錨固鋼絲繩為放松狀態(tài)，漂浮平臺(tái)在風(fēng)荷載、波浪荷載和水流力等水平荷載作用下產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)；若移動(dòng)已使鋼絲繩達(dá)到繃緊狀態(tài)時(shí)，漂浮平臺(tái)的移動(dòng)受

到限制，此時(shí)荷載作用點(diǎn)距離PHC管樁的嵌固位置較近，由水平荷載產(chǎn)生的彎矩較小。其次，在洪水位時(shí)，由于水位升高，光伏方陣主浮筒拉動(dòng)抱樁器使其沿著PHC管樁從下抱箍處向上移動(dòng)，在極端荷載組合作用下，主浮筒不受由于鋼絲繩繃緊而產(chǎn)生的附加豎向分力，因此不會(huì)導(dǎo)致主浮筒的吃水深度加大而淹沒光伏組件。最后，在光伏方陣正常運(yùn)行過程中，鋼絲繩為放松狀態(tài)，抱樁器可防止鋼絲繩在PHC管樁樁頭處和相鄰錨固點(diǎn)的鋼絲繩在水流力作用下發(fā)生相互纏繞[7-9]。

2.5? 不同錨固點(diǎn)布置方案對(duì)比

在錨固點(diǎn)間距變化的情況下，對(duì)比分析不同錨固點(diǎn)布置方案中采用不同外徑PHC管樁時(shí)的受力情況。本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站中，光伏方陣的北側(cè)在北側(cè)來風(fēng)作用下受到的風(fēng)荷載較大，在洪水位時(shí)，PHC管樁樁頭上的抱樁器移動(dòng)至上抱箍處，此時(shí)鋼絲繩為繃緊狀態(tài)，調(diào)整PHC管樁與光伏方陣主浮筒之間的水平距離，使鋼絲繩與水平方向的夾角成為25°。由表1可知：光伏方陣的北側(cè)受到的風(fēng)荷載（北側(cè)來風(fēng)）、波浪荷載和水流力按照標(biāo)準(zhǔn)組合，光伏方陣水平方向的整體拉力為879.2 kN?？紤]鋼絲繩與水平方向的夾角為25°，則豎直方向的整體拉力為410.0 kN。

PHC管樁需要通過鋼絲繩與光伏方陣最外側(cè)的主浮筒或過道浮筒上的U型縱梁相連接。若錨固點(diǎn)按照在最外側(cè)浮筒“隔一布一”的方式布置（即布置方案1），則需要在光伏方陣北側(cè)共布置56根PHC管樁，樁中心標(biāo)準(zhǔn)間距為4.8 m。每根PHC管樁需要承受的水平荷載Fx為15.7 kN，豎向上拔荷載為Fy為7.3 kN。對(duì)表3計(jì)算得到的不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力進(jìn)行對(duì)比，然后計(jì)算采用錨固點(diǎn)布置方案1時(shí)不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

若錨固點(diǎn)按照在最外側(cè)浮筒“隔二布一”的方式布置（即布置方案2），則需要在光伏方陣北側(cè)共布置28根PHC管樁，樁中心標(biāo)準(zhǔn)間距為9.6 m。每根PHC管樁需要承受的水平荷載為31.4 kN，豎向上拔荷載為14.6 kN。計(jì)算采用錨固點(diǎn)布置方案2時(shí)不同樁型PHC管樁的單樁水平承載力和單樁豎向抗拔承載力安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

在洪水位時(shí)，PHC管樁上的抱樁器移動(dòng)至上抱箍處時(shí)，抱樁器中心點(diǎn)距離湖底淤泥層頂面的距離為2.0 m，按照PHC管樁的嵌固端與湖底淤泥層頂面的距離為0.8 m計(jì)算，則抱樁器中心點(diǎn)與PHC管樁嵌固端的距離為2.8 m。按照標(biāo)準(zhǔn)荷載組合，計(jì)算錨固點(diǎn)布置分別采用布置方案1

和布置方案2時(shí)水平荷載產(chǎn)生的彎矩，并與各樁型PHC管樁的抗裂彎矩極限值進(jìn)行對(duì)比（抗裂彎矩極限值根據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行取值），計(jì)算結(jié)果如表6所示。

對(duì)表4～表6的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析：

1）由表4、表5可知：錨固點(diǎn)布置無論采用布置方案1還是布置方案2，不同樁型PHC管樁的豎向抗拔承載力均有較大的安全余量，因此光伏方陣的錨固設(shè)計(jì)主要由PHC管樁的水平承載力控制?？紤]光伏方陣中各樁的受力不均勻性，安全系數(shù)取1.5，則采用布置方案1時(shí)不適宜選取外徑為300 mm的PHC管樁，采用布置方案2時(shí)不適宜選取外徑為400 mm及以下的PHC管樁。

2）由表6可知：采用錨固點(diǎn)布置方案1時(shí)，外徑為300 mm的PHC管樁出現(xiàn)了按標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算的水平荷載產(chǎn)生的彎矩不滿足抗裂彎矩要求的情況；采用錨固點(diǎn)布置方案2時(shí)，外徑為300、400 mm的PHC管樁均出現(xiàn)了按標(biāo)準(zhǔn)荷載組合計(jì)算的水平荷載產(chǎn)生的彎矩不滿足抗裂彎矩要求的情況。若按照布置方案2的設(shè)計(jì)進(jìn)行錨固點(diǎn)布置，單個(gè)錨固點(diǎn)的鋼絲繩拉力為按照布置方案1的設(shè)計(jì)進(jìn)行布置時(shí)的2倍。由于PHC管樁需要通過鋼絲繩與光伏方陣主浮筒上的縱梁進(jìn)行連接，因此需要將縱梁和連接件進(jìn)行加固，以滿足強(qiáng)度要求，PHC管樁與浮筒縱梁的連接示意圖如圖4所示。

綜合考慮上述因素，本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站的錨固點(diǎn)布置方案選取布置方案1，錨固樁的樁型選用PHC 400 AB 95。

3? 錨固方案采用錨固塊時(shí)的設(shè)計(jì)

3.1? 錨固塊的連接構(gòu)造

除錨固樁外，普通重力式混凝土錨固塊由于具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工難度低、可預(yù)制的特點(diǎn)，也較多的應(yīng)用于水面漂浮式光伏電站的錨固設(shè)計(jì)中。與采用錨固樁的錨固方案不同，錨固樁可借助其樁頭“抱樁器+上下限位”的構(gòu)造應(yīng)對(duì)光伏方陣在水位變化時(shí)產(chǎn)生的移動(dòng)，而采用錨固塊的錨固方案則需要依靠錨固塊自身重量，同時(shí)需要在鋼絲繩下設(shè)置一段彈力繩，以適應(yīng)光伏方陣在荷載和水位變化時(shí)產(chǎn)生的位移。錨固塊的連接構(gòu)造示意圖如圖5所示。

3.2? 錨固塊的重量計(jì)算

與上文錨固方案采用PHC管樁時(shí)的錨固點(diǎn)布置方案1的布置形式相同，在光伏方陣北側(cè)共布置56個(gè)普通重力式混凝土錨固塊，鋼絲繩與水平方向的夾角同樣為25°，每個(gè)錨固塊需要承受的水平荷載為15.7 kN，豎向上拔荷載為7.3 kN。由于普通重力式混凝土錨固塊內(nèi)配置的鋼筋數(shù)量較少，自重取值按24 kN/m3計(jì)算。為增大普通重力式混凝土錨固塊與湖底的摩擦力，沉錨施工前需要清除錨固塊范圍內(nèi)的湖底淤泥，同時(shí)計(jì)入錨固塊的浮力。

在受到錨繩拉力作用下，普通重力式混凝土錨固塊在水平方向的受力平衡方程可表示為：

Fx=（G–Fy–FF）?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：G為普通重力式混凝土錨固塊的重力，kN；FF為普通重力式混凝土錨固塊的浮力，kN；μ為摩擦系數(shù)。

若摩擦系數(shù)取0.6，通過式（1）計(jì)算得到普通重力式混凝土錨固塊的重力為57.4 kN，根據(jù)安全系數(shù)取1.5，可計(jì)算得到最終單個(gè)普通重力式混凝土錨固塊的重力為86.1 kN，體積約為3.6 m3。為避免在錨繩拉力作用下產(chǎn)生傾覆，需要盡量增大錨固塊的底面積并降低其高度，因此，根據(jù)計(jì)算得到的普通重力式混凝土錨固塊體積進(jìn)行換算，最終錨固方案采用的普通重力式混凝土錨固塊的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1.9 m×1.9 m×1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

4? 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

通過對(duì)受北側(cè)來風(fēng)的風(fēng)荷載較大的光伏方陣北側(cè)進(jìn)行計(jì)算分析，得到了分別采用PHC 400 AB 95管樁和普通重力式混凝土錨固塊的兩種錨固方案，單個(gè)錨固點(diǎn)需采用10 m長(zhǎng)的PHC管樁或體積為3.6 m3的普通重力式混凝土錨固塊。依據(jù)國(guó)家、相關(guān)部門及項(xiàng)目當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行的有關(guān)規(guī)定、光伏發(fā)電工程概算定額、費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)等，錨固方案材料可以在當(dāng)?shù)夭少?gòu)，價(jià)格按2021年第2季度的價(jià)格水平并計(jì)入運(yùn)雜費(fèi)計(jì)算，人工預(yù)算單價(jià)按照NB/T 32027—2016《光伏發(fā)電工程設(shè)計(jì)概算編制規(guī)定及費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。對(duì)本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站分別采用兩種錨固方案時(shí)單個(gè)錨固點(diǎn)的成本進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

雖然普通重力式混凝土錨固塊構(gòu)造簡(jiǎn)單，但需要較大的體積才能有足夠的重量，才能為光伏方陣提供足夠的錨固力。因此，根據(jù)表7，再結(jié)合表3的計(jì)算結(jié)果可知：在錨固點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，PHC管樁可以提供更強(qiáng)的錨固力，且其經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于采用普通重力式混凝土錨固塊時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，本采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站的錨固方案采用PHC管樁的成本較低。

5? 結(jié)論

本文以某采煤塌陷區(qū)水面漂浮式光伏電站為例，對(duì)其分別采用PHC管樁和普通重力式混凝土錨固塊兩種錨固方案時(shí)的設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1） 錨固方案采用PHC管樁時(shí)，錨固設(shè)計(jì)主要由PHC管樁的水平承載力控制，樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)除需要滿足水平承載力和豎向抗拔承載力外，還需要綜合考慮施工時(shí)的樁基定位和樁位偏差檢測(cè)要求，應(yīng)保證打樁時(shí)PHC管樁外露長(zhǎng)度滿足施工要求。

2） 為適應(yīng)光伏方陣在水位變化時(shí)產(chǎn)生的位移，錨固方案采用PHC管樁時(shí)，其樁頭可采用“抱樁器+上下限位”的構(gòu)造設(shè)計(jì)；錨固方案采用普通重力式混凝土錨固塊時(shí)，需要在鋼絲繩下增加一段彈力繩。

3） 通過對(duì)比，在錨固點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，在平均水深約為5 m的淺水區(qū)域，采用PHC管樁可以提供更強(qiáng)的錨固力，且經(jīng)濟(jì)性較好。

需要注意的是，現(xiàn)階段針對(duì)光伏方陣內(nèi)部的錨固設(shè)計(jì)缺少相關(guān)規(guī)范要求，可在下一步的工程中繼續(xù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳東坡. 我國(guó)水上光伏電站的新機(jī)遇、新發(fā)展和新挑戰(zhàn)[J]. 電子產(chǎn)品世界，2017，24（5）：3-5.

[2] 吳繼亮，梁甜，糜文杰，等. 水上漂浮式光伏電站的發(fā)展及應(yīng)用前景分析[J]. 太陽(yáng)能，2019（12）：20-23.

[3] 梁甜，吳繼亮，糜文杰，等. 漂浮式光伏發(fā)電系統(tǒng)在采煤塌陷區(qū)的應(yīng)用[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（21）：142-145.

[4] 王方毓. 水上太陽(yáng)能光伏電站的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用[J]. 工程技術(shù)研究，2017（10）：76-77.

[5] 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程：NB/T 10115—2018[S]. [S.l.：s.n.]，2018.

[6] 水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 光伏發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：NB/T 10100—2018[S]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2019.

[7] 劉浩晨，國(guó)振，王立忠，等. 漂浮式水上光伏電站錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2019，40（12）：3485-3492.

[8] 鄧霞，李大偉. 水上漂浮光伏電站的新型錨固技術(shù)[J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2020（9）：63-65.

[9] 孫祖峰，陳佩杭. 漂浮式光伏應(yīng)用及技術(shù)難點(diǎn)簡(jiǎn)析[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（12）：37-38.

[10] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ/T 406—2017[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2017.

ANALYSIS OF ANCHOR SYSTEM STRUCTURE FOR FLOATING PV POWER STATION ON WATER SURFACE IN COAL MINING SUBSIDENCE AREA

Liu Zhe1，F(xiàn)an Senhui2，Lu Dawei1，Zhao Weitong1

（1. PowerChina Nuclear Engineering Company Limited，Jinan 250102，China；2. Datang Yuncheng Power Generation Co.，Ltd，Heze 274000，China）

Abstract：The construction of floating PV power station on water surface in coal mining subsidence areas can effectively utilize idle and abandoned water areas，solving the problem of building traditional ground PV power stations in the region with a large power shortage and limited land resources. In floating PV power station on water surface，the PV array generates significant horizontal loads under the action of wind load，wave load，and water flow force. The design of its anchoring system has become a challenge，and it is also a key point for the reliable operation of the floating system. This paper takes a floating PV power station on water surface in a coal mining subsidence area as an example to compare and analyze the structural design and economy of its anchoring schemes using prestressed high-strength concrete （PHC） pipe piles and ordinary gravity concrete anchoring blocks，and analyzes the steel wire rope structure used in conjunction with the two anchoring schemes. Finally，the most economical anchoring scheme is selected. The analysis results show that：1） through calculation，when the anchoring scheme adopts PHC pipe piles，the anchoring design is mainly controlled by the horizontal bearing capacity. 2） To adapt to the displacement generated by the PV array when water level changes，when PHC pipe piles are used as anchoring schemes，the pile head can be designed with a structure of "pile gripper + upper and lower limit positions" can be adopted；When using ordinary gravity concrete anchoring blocks as the anchoring scheme，an elastic rope needs to be added under the steel wire rope. 3） When the number of anchor points is the same，in shallow water areas with an average water depth of about 5 m，the anchoring scheme using PHC pipe piles can provide stronger anchoring force and better economic efficiency.

Keywords：coal mining subsidence area；floating PV power station on water surface；anchor calculation；PHC pipe piles；structural design；economic analysis