冰層對光伏支架樁基礎穩定性的影響分析

向輝雄

摘 要：為研究冰層對光伏支架樁基礎穩定性的影響，通過建立水塘內水體和塘下土體的垂向溫度分布數學模型，獲得各典型年的冰層厚度變化過程，進行數值求解，確定冰層溫度應力計算的幾何模型；建立冰層熱應力計算的數學模型，采用ANSYS程序對冰層應力場進行有限元求解及模型驗證分析單樁在土體和冰層共同作用下的受力，進行穩定性評估；針對樁布設條件，計算樁與冰層應力分布規律，并進行對比分析。結果顯示：同等環境條件下，樁體總長度大于9 m、樁體入土埋深大于4.4 m時，在計算所考慮的典型年氣溫變化條件下，樁體是安全可靠的，不會產生上拔現象。

關鍵詞：寒冷；預制樁；冰層；樁-冰粘結力；凍脹；凍土

中圖分類號：TM615/PM332.8? 文獻標志碼：A

0? 引言

現階段，中國部分漁光一體光伏發電項目建設于東北、西北等寒冷地區，此類地區冬季冰期較長，最低環境溫度可達-30 ℃，最大冰厚可達1.0 m。相比于水庫、湖泊、海洋的冰層，水塘冰層（下文簡稱為“塘冰”）的面積較小，受岸坡約束作用更為強烈；塘內水體與塘底的熱交換更為顯著，塘冰熱力生消及膨脹應力呈現出特有的規律。在漁光一體光伏發電項目中，光伏支架樁基礎（下文簡稱為“樁”）布置在水塘中，塘冰在受到四周邊界約束的同時，也會受到樁群的多點密集約束，且樁體自身的熱力特性與冰層溫度的互相耦合，使樁-冰凍結效應和冰層熱應力分布均較為復雜。

基于此，本文以通威肇源100 MW漁光一體光伏發電項目為例，針對冰層對光伏支架樁基礎穩定性的影響進行研究。鑒于冰情及樁-冰作用機理的復雜性，為提高研究結果的可靠性，采用理論分析、數值計算的方法分析樁與冰層的應力分布規律，并進行對比分析。以期該研究可為保證漁光一體光伏發電項目中光伏支架樁基礎的穩定性提供參考。

1? 冰層溫度應力計算方案

計算冰層溫度應力[1-4]是分析樁-冰作用機理及樁體穩定性的基礎和關鍵，也是該分析過程的核心內容。對于塘冰而言，冰情演變主要受冰層溫度影響[5]，冰層溫度應力的計算需要通過整理分析當地多年的氣象數據[6]，選取典型年氣溫變化，進而確定冰層的熱邊界條件，并結合具體布樁條件擬定計算方案[7]。

1.1? 年氣溫資料整理及典型年選取

為確定計算冰層熱應力時需選取的典型年，從中國氣象數據網獲取大慶市肇源縣近20年的冬季氣象數據，整理結果如表1所示。

對表1的結果進行分析后，選取不同情況下的典型年，具體如表2所示。

1.2? 布樁條件

1.2.1? 布樁情形

為充分研究冰層溫度應力對樁的作用機理及作用方式，且為提高研究結果的普適性，分別選擇本項目中位于不同點位的樁，對不同布樁情形下的溫度應力和受力進行計算。

1.2.2? 樁型及布樁位置

針對單樁條件下的樁-冰作用機理進行研究時，需考慮布樁位置（即冰層約束形式）的影響。本實驗采用預應力高強混凝土（PHC）空心圓樁，并選取了3個具有代表性的約束形式，不同約束形式下的實際布樁位置示意圖如圖1所示。

1）約束形式1：4條邊坡固定約束，布樁位置對應于水塘中點處（即圖1中位置1）。

2）約束形式2：3條邊坡固定約束，1條邊自由無約束，布樁位置對應于邊坡中點處（即圖1中位置2）。

3）約束形式3：兩條相臨邊坡固定約束，另外兩條邊坡自由無約束，布樁位置對應于塘角處（即圖1中位置3）。

2? 單樁條件下塘冰熱應力有限元分析

2.1? 水、土溫度模型

利用ANSYS程序建立模型時，計算域范圍為展向20 m，垂向13.5 m（包含水深2.0 m和土壤恒溫層埋深11.5 m）。塘底土體分為3層，自上而下分別為：雜填土、粉質黏土和粉土，根據工程地質剖面圖，塘底中部的雜填土、粉質黏土和粉土的厚度分別為3.0、3.4、5.6 m，其總厚度為12.0 m。由于肇源縣土壤恒溫層的埋深為11.5 m，故本計算模型的土體深度取11.5 m。計算所需的土壤物理參數如表3所示。

2.1.1? 邊界條件

本計算采用導熱問題常見邊界條件中的第1類，即：規定邊界上的溫度值，冰下水體、土體溫度計算的邊界條件分別為土壤下緣溫度（即下邊界條件）和冰水交界面溫度（即上邊界條件）；冰、水交界面的溫度恒定為0 ℃，由于各地土壤存在恒溫層，因此下邊界取為土壤恒溫層埋深，溫度設為恒溫層溫度。根據已有條件，肇源縣土壤恒溫層深度為11.5 m，恒溫層溫度為5.5 ℃。

2.2? 土體溫度計算結果

實驗塘中樁體長度為8～13 m不等，實際測量水深為2 m，對應于計算模型所采用的水深，所選的樁體總長度為10 m，實測樁體出露冰面以上的高度平均為1.6 m，故樁體入土深度為6.4 m，計算得到樁端處土體在土壤恒溫層以上5.1 m處，此處對應的土溫計算結果為2.8 ℃。土體及水體垂向溫度計算結果云圖如圖2所示。

由圖2可知，水體溫度、土體溫度沿深度方向逐漸增加，大致呈線性分布。

2.3? 冰層應力場計算結果

根據上述土體溫度計算結果，以樁底端土體溫度和樁頂端氣溫為熱邊界條件，計算樁內部的熱對流過程。將其結果作為樁管壁熱傳導的內壁面熱條件，最終通過數據模型計算得到樁周冰層的耦合溫度場，并用于冰層的熱應力計算。

根據建立的冰層（厚度為1 m）熱應力有限元模型，得到樁周冰層垂向第一主應力分布，具體如圖3所示。

由圖3可知，冰層垂向第一主應力的分布規律呈現非單調的變化趨勢；冰層下緣第一主應力值最低，該值隨冰層高程的增加而增大，最大值出現在冰層中部位置，隨后第一主應力值減??；冰層上表面的第一主應力值略小于冰層中部的第一主應力值，但明顯大于冰層下緣的該值。

3? 樁體受力分析

3.1? 樁體水平方向受力

在圖1所示的整個布樁塘面上，樁體與水塘邊坡共同對冰層構成了內、外約束，樁體受到的冰層作用力（主要是水平方向力）會隨樁體位置的不同而發生變化，最終導致光伏組件受到損害。比如，靠近邊坡的樁體在冰層膨脹推坡過程中，由于樁體兩側的冰層應力大小不等而受到水平推力，造成樁體失穩并導致光伏組件受損。

在位置1處主要考慮樁體四周固定約束，因此第一主應力在樁周附近的分布大致為同心圓，如圖4所示，樁周冰層的第一應力最大值約為0.36 MPa，最小值約為0.18 MPa，差值為0.18 MPa。

在位置2處需考慮樁體左側固定約束；右側為自由位移，位于水塘邊坡，設定為無冰狀態，因此樁體左側的冰層第一主應力值明顯高于右側，如圖5所示，樁周冰層邊緣第一主應力差值最大為0.18 MPa（第一主應力最大值約為0.36 MPa，最小值約為0.18 MPa）。

在位置3處需考慮樁體左側和下側固定約束，右側和上側為自由位移，因此樁體左下側冰層的第一主應力值明顯高于右上側冰層的第一主應力值，如圖6所示，樁周冰層邊緣第一主應力差值最大為0.19 MPa（第一主應力最大值約為0.37 MPa，最小值約為0.18 MPa）。

3.2? 樁體豎直方向受力

根據上文分析，樁體在豎直方向上受到的力中對樁體穩定性最不利的力是上拔力，造成樁體上拔的情況主要有兩種。

1）樁底端在凍土中時（水塘無蓄水），受到凍土的凍脹力，當凍脹力大于樁體豎向荷載及樁側摩阻力時，樁體即被拔起。

2）冰下水位變動時會頂托冰層，若樁-冰之間凍粘強度足夠大，且頂托力大于樁-冰豎向荷載及樁側土體摩阻力時，冰層會帶動樁體一起產生豎向位移。

由于漁光一體光伏發電項目中水塘常年保持有水狀態，因此認為塘下不存在凍土，不考慮凍土的凍拔影響，只考慮冰層帶動樁體上拔的情況。在此情況下，上拔的控制力為樁-冰之間的凍粘強度，即以兩種材料結合面作為剪切面受剪強度的計算面。

樁體豎向穩定的判定條件計算式為：

式中：Ti為樁-冰之間的凍粘力；G為樁體自身的重力；Ts為樁周土體的側摩阻力。

3.3? 樁-冰之間的凍粘力

從力學機制上看，樁-冰結合面的粘結強度與正壓荷載有關，所以可利用正壓荷載和靜摩擦系數來計算樁-冰之間的凍粘強度。計算時選擇最大主應力代替樁-冰在水平方向的正應力，即考慮樁-冰結合面上的最大正壓荷載。

根據已有研究成果，冰溫在-2.5、-5、-10 ℃條件下，冰與水泥板間的摩擦系數分別為0.12、0.17、0.10，由此可知冰溫為-5 ℃時的摩擦系數最大?？紤]樁-冰之間的凍粘強度最大時為最不利情況，故取冰與混凝土的摩擦系數0.17進行計算。

由圖3可得，樁-冰結合面垂向第一主應力最大值為0.245 MPa，故樁-冰之間的最大凍粘強度為0.042 MPa，當冰層厚度為1 m時，樁-冰之間的凍粘力為0.042 MPa×1.256 m2=0.05275 kN。

3.4? 樁體自身重力

光伏組件的重力同樁體相比可以忽略，故樁體的豎向荷載主要是自身重力。根據樁型的幾何尺寸（圓樁外徑為0.4 m，內徑為0.21 m），單位長度重量為237 kg/m，可以求得每米樁體的重力為3 kN。

3.5? 樁周土體側摩阻力

計算實驗塘樁周土體的側摩阻力時統一取冰層厚度為1 m，水深為2 m，冰面以上的樁體長度為1 m，樁體總長度設置為8、9、10 m這3個值，即對應的埋深分別為3.4、4.4、5.4 m。不同樁體長度L的樁周土體側摩阻力計算結果如表4所示。

3.6? 樁體豎向穩定性判別及建議

根據上文所述的豎向穩定的判定條件和計算結果，分析樁體在冰層、自重和土體綜合作用下的豎向穩定性，不同長度的樁體判別結果如表5所示。

由表5可得，樁體總長度大于9 m、埋深大于4.4 m時，在計算所考慮的典型年氣溫變化條件下，樁體是安全可靠的，不會產生上拔現象。

另外，樁的上端開口會使上方冷空氣進入PHC空心圓樁，樁內空氣形成熱對流，若樁內有進水，結冰后會增強凍結作用。因此樁體灌注施工前，宜對樁的兩端進行封堵處理，以避免水體和冷空氣進入后冬季結冰，增加樁體與冰層的粘結面積，使冰層豎向合力更大。

4? 結論

為提高漁光一體光伏發電項目中光伏支架樁基礎的穩定性，本文采用ANSYS程序進行有限元求解及模型驗證，對無樁冰層熱應力展開了計算，分析其應力場的時空分布規律；針對樁的布設條件，計算了樁-冰應力分布規律，并進行了對比分析。樁體豎向穩定性判別結果表明：同等環境條件下，樁體總長度大于9 m、樁體入土埋深大于4.4 m時，在計算所考慮的典型年氣溫變化條件下，樁體是安全可靠的，不會產生上拔現象。

在此類項目中，為保證樁的穩定性，建議在樁體灌注施工前，對樁的兩端進行封堵處理，以避免水體和冷空氣進入后冬季結冰，增加樁體與冰層的粘結面積，使冰層豎向合力更大。

［參考文獻］

[1] 孔祥謙.熱應力有限單元法分析[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

[2] 劉波.冰層熱應力非線性有限元分析[D].天津：天津大學，2004.

[3] 白乙拉，李冰，馮景山.以氣溫為邊界條件的水庫冰蓋厚度的數值模擬研究[J].遼寧師范大學學報（自然科學版），2012，35（2）：164-167.

[4] 黃焱，史慶增，宋安.冰溫度膨脹力的有限元分析[J].水利學報，2005，36（3）：314-320.

[5] 石慧強，冀鴻蘭.水塘靜水冰生消過程及冰蓋演變的原型試驗[J].水利水電科技進展，2016，36（4）：25-30，88.

[6] 樊海燕，陳友昌.大慶油田地下溫度分布規律及影響因素[J].低溫建筑技術，2010，32（9）：68-69.

[7] 朱潔.冰蓋生長與消融的數值模擬研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.