山區風電場道路結構設計探討

吉林省電力勘測設計院 ■ 陳康東 李曉梅

0 引言

近年來，全球變暖、資源緊缺與環境破壞三大問題日漸突出，逐漸成為全球各國必須面對的焦點問題，新能源的開發與利用迫在眉睫。風能、太陽能等清潔能源的充分利用早在19世紀中后期就被提出，然而由于技術、經費等各方面的限制，發展一直較為緩慢。而隨著電力技術的發展，利用風力進行發電技術日益走向成熟，風力發電已成為我國供電網中不可分割的一部分[1]。

山區與沿海地區是我國風能較為豐富的地區，也是我國風力發電設備建設較為集中的地方。我國山區分布廣闊，山區風力發電技術的研究也一直是風能發展的熱點。然而，由于風力發電設備體型較為龐大、質量較高，如何在有限的道路建設經費范圍內設計合理的道路結構以保證風機大型部件的順利運輸，對于風電場的建設具有重要意義[2]。因此，本文以山區風電場道路結構的合理設計為出發點，對路基、路面等道路結構的合理建設進行了分析與探討。

1 工程概況

吉林龍源風力發電有限公司東豐一期(49.5 MW)風電工程位于吉林省遼源市東豐縣沙河鎮北側，距離縣城40 km，距離沙河鎮2 km。場址內地表地貌以林地為主，場址地形起伏較大，高差較為懸殊，在地貌上風電場場址屬于低山丘陵地貌單元。風電場場址內地層依次為腐殖土、全風化花崗巖，強風化花崗巖。風機點高程范圍為416.0～595.8 m，高差179.8 m。風電場地處吉林省南部山區，公路自然區劃分區屬于II2區[3]，位于歐亞大陸東部的中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風氣候區，由于環流形勢的演變，冷暖氣團交替控制，四季氣候變化明顯。各季氣候特征是：春季干旱，夏季溫熱多雨，秋季溫暖晴朗，冬季嚴寒而漫長，晝夜溫差較大。地下水一般分布在坡底內，主要為第四系孔隙型潛水，地下水穩定水位埋深3.0～8.0 m，地下水位年變化幅度1.00～1.50 m，主要賦存于石層中，水量較豐富。常規氣象特征值如表1所示。

表1 常規氣象特征值表

設計道路全長14.650 km,按照廠礦四級道路標準設計，設計車速20 km/h，設計路基寬度5 m，路面寬度5 m(含路肩)。風電場道路由于受風機大型部件運輸和建設經費限制，其設計具有特殊性。經前期研究分析得到，山區風電場道路路拱橫坡為1%；最小圓曲線半徑為50 m，加寬值為2.56 m；最大縱坡應控制在14%以內，且坡長不宜大于200 m；豎曲線半徑不應小于500 m，以防拖車托底。本文在前期對風電場道路路線研究的基礎上，探討山區風電場道路結構的合理設計。

2 路基結構設計

路基作為路面的基礎，對山區風電場道路的路用性能有重要影響。由于經費與道路等級限制，山區風電場道路路面設計部分與高等級公路區別較大。在實際工程中，路面部分一般采用山皮碎石或泥結碎石進行壓實鋪筑。而風機大型部件，如機艙部分，其重量較大，因此，必須對風電場道路路基部分進行合理設計，對其壓實度進行嚴格控制，從而保證風機大型部件的順利運輸。

2.1 路堤設計

路堤是在原有地形基礎上進行填筑，以滿足道路線形要求的路基類型。路堤設計時，在滿足路基承載能力的前提下，應根據當地實際情況，盡量降低路堤填筑高度。高路堤在施工中土石方量較大，占地較多，施工困難且邊坡穩定性較差，因此在路堤設計時應盡量避免高路堤的填筑[4]。

表2 規范路堤邊坡坡度表

路堤邊坡直接影響路堤穩定性，規范要求的路堤邊坡坡度如表2所示。在路堤邊坡坡度確定時，由于受風電場道路占地與建設經費限制，本文在驗算路堤整體穩定性的前提下，根據填筑土質、巖石性質以及水文地質條件，確定路堤邊坡坡度采用1∶1。邊坡防護采用植物防護手段，盡量恢復原有植被生長，以減少對周圍環境的破壞。樁號為K0+660路堤橫斷面設計如圖1所示。

2.2 路塹設計

路塹是在原有地形基礎上進行開挖，在設計時，應首先考慮地質、地貌構造的整體穩定性。影響路塹邊坡穩定性的因素較多，包括路塹深度、邊坡巖性、地質構造以及風化程度等。本文綜合考慮風電場道路的運輸特性、建設經費以及地質條件的影響，確定路塹邊坡坡度為1∶0.5。樁號為K0+640路塹橫斷面設計如圖2所示。

圖1 路堤典型設計圖

圖2 路塹典型設計圖

2.3 半填半挖路基設計

半填半挖路基類型是路堤與路塹的結合，位于山皮上的路基，通常將路基中心標高設置為原地面標高，從而減少土石方量。在填方部分，填筑時可在原地面開挖臺階，以保證填方部分的穩定性。邊坡坡度與路堤路塹邊坡設置相同，填方部分設置為1∶1，挖方部分設置為1∶0.5。施工完成后，應對道路兩側邊坡做好植物防護工作，從而在保證邊坡穩定性的同時，恢復原有植被。樁號為K0+880半填半挖路基橫斷面如圖3所示。

圖3 半填半挖路基典型設計圖

2.4 壓實度及填料要求

就路塹而言，主要依靠挖方后的地面當作路基，然后在其上鋪筑路面。因此有必要對挖方后的路基承載能力進行檢測，使其達到運輸要求。在實際工程中，通常通過壓實度來控制路塹段路基的承載能力。而對于路堤，其填筑材料主要是開挖過程中得到的材料，以及在開挖量不足時就近采用的借方土石材料。在路堤填筑前，應對填筑材料的強度進行試驗分析，以保證路基擁有足夠的承載能力。山區風電場道路一般利用CBR值控制路堤填料。具體壓實度要求及填料強度要求見表3。對于半填半挖以及零填挖路基，其壓實與填料要求同路堤與路塹。

表3 路基壓實度及填料CBR要求表

3 山皮石路面結構分析

山區風電場道路等級較低，路面鋪設主要考慮的因素包括：風機大型部件的運輸、經濟投資狀況、當地地質水文條件等。對大型部件運輸道路而言，其路面結構一般為半剛性基層與水泥混凝土面層的搭配。然而，這種路面結構形式利用在山區風電場道路中，雖然路用性能可較好地滿足風機部件的運輸，但其造價較高，遠超過山區風電項目的道路建設投資，從而將半剛性基層、水泥混凝土面層直接套用進山區風電場道路建設，在可行性上難以得到滿足。

本項目地處山區，山皮石資源豐富，但開采的山皮石粒徑普遍較大，不適宜做路面鋪筑材料。為充分利用山皮石材料對路面進行鋪筑，并控制其粒徑在10 cm以內，對項目分析研究，決定利用現場破碎設備對開采的山皮石進行破碎，并嚴格控制山皮碎石路面材料級配，從而用于路面鋪筑。最終經級配優化，以剪切強度為控制指標，得到的山皮碎石路面材料級配見表4。

表4 山皮碎石路面材料

最終設計得到山皮石路面厚度為30 cm，分層回填，每層厚度不大于15 cm開挖路槽，遇強風化花崗巖或碎石地質條件時，允許就地碾壓，但應滿足道路實測項目要求。山皮石路面質量檢測要求見表5。

表5 山皮石路面質量檢驗要求

4 結語

本文在依托實際工程的基礎上，對山區風電場道路結構設計進行了一系列分析。對工程實際概況進行了描述，對其地質、水文、氣候等條件進行了勘察分析；在前期對風電場路線設計研究的基礎上，對山區風電場道路路基與路面設計的特殊性進行了分析。結果表明：路基、路面結構的設計必須以風機大型部件的順利運輸為標準，并充分考慮經費、地質條件等進行綜合設計；路基設計應注意滿足壓實度與材料強度的要求，并充分考慮對周邊環境的保護；經破碎后并滿足一定級配要求的山皮石可用于山區風電場道路路面的鋪筑。研究成果對于我國風電場道路結構的多樣性與合理性發展具有積極意義。

[1]洪祖蘭, 張云杰.山區風資源特點和對風電機組、風電場設計的建議[J]. 云南水利發電, 2008, 3:4 9, 21.

[2]丁曉峰. 風電項目決策影響因素及經濟評價分析[D]. 北京:華北電力大學, 2012.

[3]鄧學鈞. 路基路面工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[4]柴賀軍, 張麗娟. 山區典型路基穩定性分析與處治效果評價[J]. 公路交通科技(應用技術版), 2008, 6: 101－103.