大直径预应力混凝土整桩在海上光伏架空线路中的应用

【摘要】 目前海上光伏项目在国内尚处于起步阶段，而桩基方案是海上光伏不同于陆上光伏的重要一环。依托于国内最大的海上光伏在建项目，对海上光伏架空线路中的桩基方案进行了研究总结，对目前常用的PHC桩、钢管桩、灌注桩等方案的优缺点进行了对比分析，综合对比之下考虑采用PHC整桩方案。典型承台下采用16根PHC1000B130桩的布置方案，单桩长50m，桩基采用斜桩，可更好的抵御水平荷载，同时避免了桩身接头焊接问题，提高了桩头耐打性，降低断桩风险。

【关键词】海上光伏；PHC整桩；海上架空线路；混凝土耐久性；

1.概况

开发建设新能源是推动能源结构转型、实现“双碳”目标的重要举措，而海上光伏是新能源产业的新兴领域，近年来，国家出台了一系列政策支持海上光伏发展。但是海上光伏项目不同于陆地光伏，相比于陆地环境，海洋环境更为复杂，除了需要综合考虑风、浪、流、土等各类外部荷载，还需要考虑恶劣的海洋腐蚀环境对混凝土和钢结构的影响。

海上光伏项目在全国范围内尚处于起步探索阶段，目前光伏区的预应力混凝土桩基通常采用上下接桩的形式，但接桩处的防腐蚀效果难以达到设计要求且焊接强度较难保证。

本文以中核田湾200万千瓦滩涂光伏示范项目为依托工程，对海上光伏架空线路的桩基方案进行了比选，对设计施工过程中所面临的问题进行了分析，总结了海上光伏整桩方案的主要技术方案，大直径预应力混凝土整桩在海上光伏项目中尚属首次应用，为将来类似工程提供了参考。

2.工程概述

中核田湾 200 万千瓦滩涂光伏示范项目（以下简称“本工程”）位于江苏省连云港市连云区，田湾核电温排水区域和附近滩涂处。项目利用滩涂约28110亩，总装机容量2057.0112MWp，为国内乃至世界最大的海上光伏项目，光伏场区分南北区，通过32回35kV架空集电线路相连，单塔4回，共8条线路，40基铁塔，每座铁塔之间预留空间满足下方船只的通航要求，项目平立面图见下图所示。

3.工程建设条件

本工程场区地貌类型为属潮间带淤泥质浅滩，水下地形较平坦，海底高程范围-3.2～-7.0m， 水深范围由近岸0m向海域过渡9.6m左右；调查区北侧为田湾核电站及高公岛，项目西侧为大堤，地势由西向东倾斜。

场地内的地层分布如下：①-1淤泥、①-2淤泥粉质黏土、②-1淤泥质黏土、③-1粉质黏土、③-2粉质黏土、③-3粉质黏土、④-1砂质粉土、⑤粉细砂、⑥粉质黏土。

主要设计参数：极端高水位：3.57m；基本风压：0.55kPa；波高：4.09m；

抗震设防烈度：7度。

4.桩基形式选择

海工环境下的高桩承台桩基由于受到海洋环境的影响，相比于陆上工程桩基方案的设计较为复杂，除了需要考虑风浪流等外部荷载作用下的结构强度变形问题，还需要考虑在高盐雾、高湿度、强紫外线等腐蚀环境因素作用下结构防腐及耐久性问题。而又由于海上输电铁塔高度较高，各线塔之间线路间距较大，加之海上风速较大，因此产生的导线张力较大，在叠加风浪流荷载后，所产生的桩基结构内力也更大。目前海上工程中可选择的几类桩型的对比如下表所示。

对于海上光伏项目来说，成本控制是贯穿建设运行全过程的重难点，甚至一定程度上决定了整个项目的成败与否。几种桩基方案中，在水深条件允许的情况下，PHC桩的成本最优；钢管桩虽然结构性能稳定，但钢结构造价较高且海工防腐措施带来的成本增加较多；灌注桩的环保排放问题较为严重，并且由于无法施打斜桩，因此桩数较多，建设成本非常高。

因此综合对比之下，本项目光伏区输电铁塔高桩承台考虑采用PHC桩。

5.桩基方案

5.1 桩基布置

海上高承台桩基布置需要考虑受力方向、打桩船施打空间、桩基相互避让等多方面的问题，本工程东西向为主浪向，南北向为线塔张拉方向，由于斜桩能抵御更大的水平力，因此四周桩基向两侧倾斜，最大程度优化单桩长度及配筋，同时承台中心区域桩基考虑相互避让以及施工可行性，对倾斜角度和方向进行了相应调整，最终单塔下采用16根PHC整桩，桩基有限元模型如下图所示。

5.2桩型选择

根据桩身受力及土层分布计算，桩基型号选择PHC1000B130，桩长50m。

常规接桩方案在本工程中将会面对几个比较突出的问题：

1. 接桩质量不可控，常规陆地项目接桩时，由于上节桩与下节桩桩身在垂直状态下焊接，上节桩自重作用下，接头焊接处较为紧密，施焊后基本不影响桩身完整性，但由于海上施焊质量不可控，因此海上光伏项目桩基只能陆上焊接，而陆上焊接桩身呈水平状态，施焊时接缝处存在一定缝隙，对后续桩身完整性检测有影响。

2. 接桩处强度较低，管桩的断裂情况大部分发生在接桩位置，由于大直径管桩的锤击力较大，应力波会在接头部位产生传递突变问题，增大了接头位置损伤的几率。此外常规PHC单节长度约15m，本工程桩身出露泥面约10m，桩身弯矩最大值位于泥面以下3-5m处，恰好位于接桩位置，对于桩身受力来说极为不利。

3. 由于现场焊接操作精度一般，上下节桩的轴线容易产生一定的偏差，使得上下节桩之间形成一个微小的偏移角度，长桩在锤击施工时将产生一个附加的弯矩，增加桩身受损的可能。

因此综合考虑下，本工程采用整桩方案，可完全避开桩身接头焊接问题，提高了桩头耐打性，降低断桩风险，同时由于是工厂离心成型机上一体化制作完成，因此桩身直线度，抗弯能力，桩身质量等均得到了保证。

5.3桩身耐久性

对于海工环境中的桩基来说，如何提高材料的耐久性，以抵御海洋环境的高腐蚀性是设计方案的重中之重，海水对混凝土的作用主要体现在氯盐侵蚀上，氯化物侵入混凝土会造成钢筋以及端板的锈蚀膨胀，进而引起混凝土的进一步开裂，使得锈蚀问题愈发严重。海上光伏架空线路的桩基所受开裂弯矩大于一般工程，对于耐久性的控制要求更高。

常规PHC管桩的保护层厚度要求35mm，码头工程中的管桩保护层厚度要求45mm，本项目的钢筋保护层厚度要求不小于50mm。选用优质的混凝土原材料，采用粗骨料水洗筛分，严控原材料质量；注重PHC管桩生产配合比设计，加强混凝土的级配管理等措施；混凝土氯离子总含量控制在0.05%以内，碱含量可控制在3kg/m²以内，电通量≤800库仑，氯离子扩散系数Drcm≤3.0（10-12m2/s）。

6.小结

本文基于典型的海上光伏示范项目，对海上光伏架空线路的桩基方案进行了分析总结，主要结论如下：

（1）海上光伏项目对工程经济性的要求较高，桩基方案选择时需要在保证结构安全的前提下综合考虑造价、工期、防腐措施、施工便捷性等多方面的问题；

（2）对比PHC桩、钢管桩、灌注桩等多种桩基方案，在近海区域，水深条件适用的情况下，采用PHC整桩方案结构整体性能优异，可以避免桩身焊接问题，提高了桩头耐打性，降低了断桩风险，提高了桩身质量和抗弯能力，是较为经济合理的方案；

（3）海工环境之下预应力混凝土整桩需要提高主筋保护层厚度，同时控制氯离子含量、碱含量、电通量、氯离子扩散系数等指标以达到海水环境下耐久性要求。

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