■ 宗清 林国楠曾华锋 李国 高四才

(1.华能海南发电股份有限公司；2.华能海南清洁能源分公司；3.特变电工西安电气科技有限公司)

0 引言

灰场作为火力发电厂的配套设施，承担着贮存电厂灰渣及副产品的作用，需满足电厂一定运行年限的贮灰量要求，所以通常占地面积较大。随着对火电厂排出的粉煤灰等副产品的深度开发和综合利用，无需再贮存或极小量贮存到灰场，因此只需预留面积较小的事故灰场。另外，部分火电厂的灰场到达了贮存年限或因其他原因而关闭，不再承担贮灰功能。这些已经多年且贮存了大量粉煤灰等副产品的灰场区域治理成为一个重要的环保课题。在灰场上建设光伏电站，既充分利用了灰场的土地资源，可对灰场进行有效治理，又利用了太阳能资源，实现了经济的可持续发展。

利用火电厂灰场建设光伏电站是节能减排、实现经济可持续发展的有效手段，具有新能源建设、资源再利用、特殊地质处理、生态环境保护等重要的示范和推广意义，更重要的是探索性地走出了一条火电厂灰场治理与发展相结合的创新之路。本文结合某灰场光伏电站建设项目对此进行探讨。

1 项目简介

1.1 灰场概况

某光伏电站所选用的灰场局部有起伏，地面高程介于2.5～15.0 m之间，最大高差为12.5 m，为一冲沟下游海湾汇合处，北侧为玄武岩台地边缘的陡坎，东侧为冲沟上游，西侧为海湾地带，南侧为中更新统洪积层形成的剥蚀残丘的边缘，地貌单元为海成二级阶地。

灰场根据原始地形三面围堤而成，主灰坝在西面，为粘土坝，坝顶设计标高为14 m；灰场限制堆灰高程为12.5 m，设计最大贮灰高度约11 m；灰场于1988年建成投产运行，占地面积约1600亩(1亩≈666.67 m2)。灰场中部及西部已充填灰渣，灰渣表层杂草丛生，贮灰厚度约3～8 m，贮灰面层标高为4.2～11.9 m，相对高差为7.7 m；地势较为复杂，低洼区形成水塘，积水深度约为4～8 m。

目前，火电厂排出的粉煤灰等副产品经综合利用，不再输排到灰场，但仍存在挖灰作业，现场地形地貌会受到一定的影响。灰场总体地形呈北高南低的形态，中南部有一条雨水自然冲刷灰渣形成的排水沟，沟道底标高为4.5～8.0 m；西南侧有3座排洪竖井，另设有溢洪孔，孔底标高为12 m。

1.2 光伏电站项目工程概况

某光伏电站建设项目总规划容量为60 MWp，其中，一期容量为25 MWp，二期容量为35 MWp。电站采用分块发电、集中并网方案，选用290 Wp单晶硅光伏组件，横向固定支架布置，倾角为12°。一期工程共14个发电单元，每个发电单元由单晶硅光伏组件串、并联接入组串式逆变器；由箱式变压器将电压升至35 kV，经集电线路接入35 kV高压室35 kV母线，再通过主变压器将电压升至110 kV；一期新建1回110 kV电缆送出线路，约5 km，就近接入电网某110 kV变电站。

项目总占地面积约1200亩，其中一期工程占地约403亩，二期工程占地约797亩，预留原贮灰场面积约400亩作为电厂的事故备用灰场。

2 灰场光伏电站建设效益

2.1 社会效益

本灰场光伏电站项目的建设充分利用了当地太阳能资源丰富的优势，促进了经济和生态环境的协调发展，具有重大意义。

光伏发电是一种清洁能源，既不直接消耗资源，同时又不释放污染物、废料，也不产生温室气体破坏大气环境，还不存在废渣堆放、废水排放等问题，有利于保护周围环境，是一种绿色可再生能源。本项目实施后，减排效果十分明显，与其他传统火力发电方式相比，装机容量为25 MWp的光伏电站25年累计发电量约为99944.725万kWh，可节约标准煤40.326万t，减排CO2约100.122万t、SO2约3.036万t、NOx约1.848万t，减少粉尘排放量约274.296万t，具有巨大的环境效益。同时，本项目的建设可改善以煤为主的能源结构，促进可再生能源的发展，缓解与能源相关的环境污染问题，实现能源、经济与环境的协调发展。

2.2 经济效益

光伏电站建成后，年均利用小时数约为1160 h，上网电价为0.95元/kWh。经测算，项目投资财务内部收益率为8.85%，资本金财务内部收益率为24.75%，投资回收期为9.83年，总投资收益率为4.83%，项目资本金净利润率为13.12%。

3 项目建设过程中的主要问题及解决方案

3.1 项目建设对灰场区域生态环境的影响及解决方案

项目建设改变土地的利用方式对生态环境的影响主要表现在场地平整、占用土地、临时用地等改变了原地貌，损坏了原有水土保持功能，诱发灰渣流失。

3.1.1 对大气环境的影响

项目建设过程中，粉尘和扬尘会比较严重，因此在施工前需采取在灰渣表层进行环保覆土的措施。粉尘及扬尘主要来源于土方的挖掘、堆放、回填和场地平整等过程产生的粉尘；施工扬尘主要有施工区裸露地表在大风气象条件下形成的风蚀扬尘；扬尘的影响在干燥天气下尤为突出。

3.1.2 对水土流失的影响

根据项目编制的水土保持方案成果，在项目建设过程中，土石方挖填总量为113750 m3，其中，挖方56875 m3，填方56875 m3，整体上挖填平衡。扰动地表面积21.9 hm2，损失水土保持设施面积21.9 hm2。预测时段内，项目建设可能产生水土流失总量为682.83 t，新增水土流失为578.07 t，光伏阵列区是产生水土流失的重点区域。

建设过程中水土流失的强度将达到中度，若不采取有效的水土保持措施，就有可能破坏项目区水土资源、破坏周边基础设施及生态环境等。

3.1.3 生态环境问题解决方案

根据《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》的要求，在灰场进行光伏电站建设前，应先关闭或封场。灰场属于II类场，需根据II类场的要求开展封场工作：

1)编制封场计划，并采取污染防治措施。

2)为防止灰渣因直接暴露而使雨水渗入堆体内，封场时表面应覆土2层：第1层为阻隔层，覆20～45 cm厚的粘土并压实，防止雨水渗入固体废物堆体内；第2层为覆盖层，覆天然土壤，以利于植物生长。根据《开发建设项目水土保持技术规范》相关要求，草地铺土厚度应≥0.3 m。

3)封场后，继续维护管理，直到土层稳定为止，以防止覆土层下沉、开裂，致使渗滤液量增加；防止灰渣堆体失稳而造成滑坡等事故。

4)封场后，渗滤液及其处理后的排放水的监测系统应继续维持正常运转，直至水质稳定为止。

5)封场后，根据《尾矿库安全技术规程》的要求进行整治设计，确保灰场防洪能力和灰坝稳定性满足要求，维持灰场封场后长期安全稳定。

6)封场后的灰场改作光伏电站，应进行技术论证、工程设计，以及安全评价。

灰场封场环保措施主要有：对灰场进行场地压实平整，可消除局部隆起或坑洼，保证场地排水通畅，避免积水，同时也有利于光伏阵列的布置。场地平整后，进行环保覆土，并进行压实处理，覆盖土分2层，其中第1层粘土厚度为0.2 m，第2层覆盖土厚度为0.3 m。这样既减少了扬尘，又有利于植被种植，有效防止了灰渣流失，改善了光伏电站的运营环境。灰场原貌及灰场覆土强夯如图1、图2所示。

3.2 项目建设场地防洪、内涝问题及解决方案

3.2.1 灰场原状及排洪标准、排洪设施简介

火电厂灰场为二级滩涂灰场，灰场坝内汇水及坝外潮位的重现期为：设计标准30年，校核标准100年。

图1 灰场原貌

图2 灰场覆土强夯

灰场的东部现存1-1#、1-2#水塘，塘底标高约为2.5 m，两塘之间新建道路下埋设有内径D=1.0 m的排水圆形涵管。根据实测的灰场现状地形图显示，灰场中部及西部的主要贮灰区的贮灰高程在3.5～11.2 m，灰场总体地形呈北高南低的形态，贮灰区的中南部现有一条排洪水冲刷灰渣自然形成的由东向西的排洪沟道，沟道底标高8.0～4.5 m。贮灰区场地内地形起伏较大，主要有4个水塘，1个开挖灰渣形成的低洼区。

1)灰场西北角水塘：原灰场设有2座排洪竖井排出该水塘的汇水至场外。

2)灰场中部现有1个开挖灰渣形成的水塘，塘底标高约为6.14 m。

3)灰场东南角水塘：塘底标高约为3.2 m，为电厂预留的事故灰场区；从场外南一环路南侧的2#水塘汇集的洪水，通过南一环路下4.0 m×4.0 m的桥涵后，经该水塘流至自然形成的排洪沟道。

4)紧邻1-1#水塘的西侧为3#水塘，塘底标高约为6.0 m，3#水塘的水经自然形成的排洪沟道排到灰场西南角的灰渣低洼区。

5)灰场西南角的灰渣低洼区是由于灰场目前挖灰形成的，低洼区的底标高约在4.5～7.2 m。整个灰场范围(除西北角)的汇水，通过灰场中南部的排洪沟道及灰场的贮灰坡面，最终汇集到该低洼区，该低洼区有原灰场设置的3座排洪竖井将灰场的汇水排出至场外。

灰场各水塘位置及新建排洪设施布置、原有排洪设施布置如图3、图4所示。

图3 灰场各水塘位置、新建排洪设施布置

图4 灰场原有排洪设施布置

1#、2#排洪竖井位于灰场西北角水塘，竖井内径为1500 mm，井座为钢筋混凝土结构，井筒为砖砌结构。两井串接，采用1.2 m×1.6 m的钢筋混凝土涵洞向西穿过灰场主坝将塘内的洪水排至场外。1#、2#竖井均可以排水，但结构均呈现一定程度的破坏，现状如图5所示。

图5 1#、2#竖井现状图

3#、4#、5#排水竖井位于该低洼区临近灰场主坝，竖井内径约为2500 mm，井座为钢筋混凝土结构，井筒为砖砌结构。三井串接，采用约2.0 m×2.0 m的钢筋混凝土涵洞向西南穿过灰场主坝将灰场内的洪水排至场外，暗涵排出口已建1座消力池。3#、4#、5#竖井均可以排水，但井筒均被凿开孔洞，4#竖井的井座被凿开一较大泄水口，井座钢筋外露。3座排洪竖井的结构均呈一定程度的破坏，竖井、暗涵出口、消力池现状如图6～图8所示。

图6 3#、4#、5#竖井

图7 竖井暗涵出口

图8 消力池

因灰场原竖井涵洞的排洪能力不足，灰场遇大洪水时蓄水水位过高，后来在灰场西南角竖井处增设1条溢洪道。溢洪道宽9.0～12.0 m，入口标高约12.0 m，下穿马路处采用预埋8根外径为1.0 m的钢筋混凝土圆涵，涵底标高约11.0 m。当灰场场内洪水水位超过12.0 m时，部分洪水通过溢洪道分流外泄，以保证灰场的安全。溢洪道及预埋的钢筋砼管道现状如图9、图10所示。

图9 溢洪道

图10 钢筋砼管道

灰场封场后，根据光伏电站规模(60 MWp)确定防洪标准为50年一遇，计算对应标准下的洪水量及内涝水位。站址区域50年一遇高潮位为5.24 m，50年一遇洪水位约9 m，场地将完全被淹没，淹没深度为2～5 m。原溢洪道因溢流口标高约12.0 m，无法发挥排洪作用；而灰场原有的竖井排洪系统因排洪能力不足，且其结构已发生一定程度的损坏，故需新建排洪设施，原有的排洪系统继续保留使用，新建排洪设施对原有的排洪竖井及溢洪道不会产生影响。

3.2.2 项目建设场地防洪问题解决方案

1)防洪设计主要设计原则为：

①确定来水方向，计算各节点50年一遇洪水流量。经调查分析发现，该项目主要来水为外来水，分别来自场地北侧、东侧和东南侧，计算后确定外来水设计洪峰流量分别为5.00 m3/s、5.86 m3/s和 44.16 m3/s。

②根据水文计算结果设计排涝设施，主要包括沟道、暗涵及消力池等。目的是将外来洪水通过沟道引接排出场外，场地内部雨水则通过散排方式自然汇入排洪沟渠。同时，在灰坝下方设置暗涵，降低内涝水位。

③光伏电站建设应顺应整体地势，进行整平之后，满足排水坡度，光伏方阵竖向布置，站区雨水均采用自然散排方式。

通过以上排洪设施设计，可确保50年一遇洪水时，光伏电站的逆变器、光伏组件、升压站设备等均位于内涝水位以上。

2)项目建设场地新建防洪措施。根据总图布置和水文专业的设计洪水位和设计洪峰流量成果，灰场封场改为建设光伏电站，因此进行了封场排洪整治设计。设计新建排洪设施主要包括：

①2#水塘至排洪渠的1#暗涵。

②1#水塘至3#水塘的暗涵及明沟。

③排洪渠：3#水塘及2#水塘的洪水经场内中南部的排洪渠排向西南侧雨水收集区，排洪原为天然河道，为灰场目前往西南方雨水收集区的排水通道，然后通过现有竖井、暗涵排出站外。

④下穿规划道路段暗涵。

⑤雨水收集区：目前位于灰场西南角的雨水收集区的面积较小，进入雨水收集区的灰渣澄清高度、距离、范围较小，需要对其适当开挖扩充，以增加其洪水调蓄能力和灰渣的澄清能力。

⑥雨水收集区至站外的2#暗涵：整个流域内的洪水都需要从3#暗涵排出场外，故3#暗涵设置净空3.5 m×2.0 m×3.0 m的3孔钢筋混凝土暗涵下穿灰场主坝，使洪水顺利排出站区。新建排洪整治设施已建设完成，在满足站内光伏电站内涝最高允许水位9.0 m的情况下，能顺利将50年一遇洪水通过场内新建排洪设施排出站区外，保证自身防洪安全要求。

3.3 项目建设过程中地面沉降问题及解决方案

3.3.1 项目建设场地地质情况

由于在火电厂灰场上建设光伏电站没有可借鉴的经验，该项目灰场使用年限将近20年，地质条件特殊，所以为探明地层情况，多次进行现场详细勘测，施工图阶段共钻孔341个。结果显示：表层灰渣分布于整个场地，均匀性差，其矿物组成主要有钙长石、石英、莫来石、磁铁矿和黄铁矿，大量含硅玻璃体(Al2O3•2SiO2)和活性SiO2、活性Al2O3，以及少量的未燃煤等。局部夹粘土，层厚1.1～11.0 m。灰渣层密实度差、欠固结、工程性质差、分布厚度较大，未经处理不能作为拟建建筑物的直接持力层。勘察期间，场地各孔均遇见地下水，水位季节性变化较大，实测稳定水位深为1.9～8.2 m，地下水位年变幅1.0～1.5 m。

3.3.2 地面沉降问题解决方案

由于场地灰渣层含水量大、防洪防涝治理后水位下降、地面下沉，光伏支架基础的设计尤为重要。基础的不均匀沉降必须满足相关规程规范要求，避免因基础沉降不均匀而使支架变形，造成组件内部产生局部应力，从而导致组件被破坏。而且场地内灰渣松散，成孔性较差，传统的独立基础、条形基础、灌注桩基础、非穿透灰渣层的管桩基础等均不能满足光伏支架对基础的承载力及沉降方面的要求。

最初支架基础设计方案为条形基础方案，经过反复勘测、试验和精确计算，参照其他类似地质条件设计规范，同时考虑了灰渣干态与受雨水浸湿后性能发生根本性变化的特点，最终确定设备、光伏阵列基础均采用高强度预应力管桩基础，管桩需穿透灰渣层，以灰渣层以下的原状土作为持力层。

采用高强度预应力管桩基础较其他基础工艺简单、工期较短，无土方开挖及回填，减少了灰表面覆土层扰动破坏和灰渣流失。根据地勘资料，结合各区域灰渣层厚度，光伏支架基础最终确定采用9 m、12 m、15 m这3种管桩，确保了基础的稳定性，彻底解决了基础沉降难题。

3.4 其他问题

主要技术问题虽然得到了解决，但在施工过程中依然困难不断：一些看似平坦的灰层，下面却暗藏沼泽，即使填土夯实也无法满足施工要求；承载力较差的区域，因施工机械太重不能正常通行；覆土表面冒出灰水孔眼，给施工带来新的考验。

针对具体问题，结合实际情况进行专业分析、查找原因，最终采取钢板桩围堰方式进行排水，降低灰层水位，局部增加覆盖土层厚度、覆土强夯等措施，为工程的顺利推进打下了基础。覆土表面冒灰水情况如图11、图12所示。

图11 4#光伏方阵区灰水孔眼

图12 5#光伏方阵区灰水孔眼

4 结语

灰场作为固体废物存储场所，在灰场建设光伏电站前需严格按照规范进行封场处理，还要根据场地具体情况新建防洪措施、处理地面不均匀沉降。虽然最初投资会略有增加，但项目建设提高了土地利用率，有效地治理了灰场，在环境保护和资源重复利用方面具有重要意义，同时也取得了较好的社会效益和经济效益。通过灰场光伏电站新能源建设，走出了一条老火电厂灰场治理与发展相结合的创新之路，不仅让“金太阳”在沉寂的灰场冉冉升起，更让“奉献绿色能源、服务社会公众”的企业精神得到了新的诠释。