沙漠地區風電場道路設計及要點分析

關 元 淵

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001)

沙漠地區風電場道路設計及要點分析

關 元 淵

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院，山西 太原 030001)

分析了風沙活動對風電場道路產生的危害，結合實際工程，闡述了沙漠地區風電場道路的選線思路和設計要點，并介紹了防治沙害的措施，為同類型風電場道路設計提供借鑒。

沙漠地區風電場，風沙，道路設計，路基防護，沙害防治

0 引言

隨著全球能源的緊缺，對風能的利用逐漸成為全球各國的重要議題，風能也成為發展最快的可再生清潔能源。風能發電具有多方面的優勢，如消耗物資能源較少、對環境影響較小以及建設方式與選址靈活等。在我國相關部門對風力發電項目的大力扶持下，我國風力發電得到了迅猛的發展，已成為供電網中重要的組成部分。我國幅員遼闊，風能資源豐富。尤其是“三北”地區，風能資源極為豐富，近年來在“三北”地區開展的風力發電項目也越來越多。同時，我國是一個多沙漠的國家，沙漠總面積約占全國陸地總面積的6.8%左右，主要分布在新疆(40.4%)、甘肅(6.6%)、內蒙古(5.2%)、寧夏(4.1%)、青海(3.5%)、吉林(1.8%)、遼寧(1%)、陜西(0.9%)與黑龍江(0.2%)等九個省(區)，沙漠總面積約70余萬平方千米。主要沙漠、沙地有：塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、烏蘭布和沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達木盆地沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙漠、小騰格里沙漠、科爾沁沙地及河西走廊沙地。本文結合內蒙古通遼市某風電場，從風沙對公路的危害入手，對沙漠地區風電場道路路線設計及其要點進行分析研究。

1 風沙對公路的危害

我國沙漠主要分布在北方干旱、半干旱地區，地表往往生成風積沙堆、沙壟及沙丘等風沙堆積地貌。沙漠地區氣候干燥，雨量稀少，風沙大，地表植被稀疏、低矮。沙漠地區道路路基容易發生邊坡或路肩被風蝕而遭破壞或整個路基被風積沙掩埋等現象。風沙地區的公路病害主要是沙埋和風蝕。

1.1 沙埋

1.1.1 沙埋原因

公路沙埋主要有兩種情況，其一是由于風沙流通過路基時，由于風速減弱，導致沙粒沉落、堆積、掩埋路基；其二是由于沙丘移動上路而掩埋了路基。

1.1.2 沙埋類型

1)片狀沙埋：主要發生在風沙流活動的地區，形成較迅速，沙埋面積較大；初期積沙較薄，通過養護尚能維持通車，如沙源豐富，積沙日益增厚，則會阻斷交通。2)舌狀沙埋：在流動沙丘地區，當公路路線與沙丘走向橫切時，可形成舌狀沙埋；同時在風沙流活動地區，當路基上風側有障礙物時，也會形成舌狀沙埋。舌狀沙埋的厚度較大，形成迅速，一場大風即可使交通中斷。3)堆狀沙埋：沙丘在風的作用下移動上路，造成大量的沙子堆積，形成堆狀沙埋，主要發生在流動、半流動沙丘地區。堆狀沙埋的發展形成較慢，能夠預測，可以預防，但一旦形成，因積沙量大，危害嚴重，處理起來往往比較困難。

1.2 風蝕

風蝕是路基在風沙的直接吹蝕下，路基上的沙粒或土粒被風吹走，出現路基削低、掏空和坍塌等現象，從而引起路基的寬度和高度減小。風蝕的程度與風力、風向、路基形式、填料組成及防護措施有關。

1.2.1 路堤

當全年主導風向與路線走向正交時，公路迎風側的路肩及邊坡上部風蝕較嚴重，背風側則較輕。當全年主導風向與路線走向平行時，公路兩側的路肩及邊坡上部均易遭受風蝕。

1.2.2 路塹

路塹邊坡的風蝕一般均較嚴重，風蝕程度則隨路線與主導風向的交角而有所不同。當風向與路線平行時，兩側坡面多風蝕成條溝狀；當風向與路線正交時，迎風坡面的局部地方則易被掏空成犬牙狀。

2 路線設計及要點分析

風電場內的道路是為了風電場建設及建成投產后的運行檢修服務，風力發電機的位置決定了風電場內部道路的走向。

結合沙漠地區特殊的地貌類型及風資源情況，風力發電機的布置基本以矩陣布置為主，從而決定了整個風電場道路布置的基本格局也是橫平豎直的矩陣布局。

2.1 總體選線原則

內蒙古通遼某風電場東西長約12 km，南北寬約8 km，區域內為沙堆、沙壟及沙丘等風沙堆積地貌，植被稀疏、低矮。區域標高在260 m～280 m(1985國家高程基準)之間，相對高差較低。

由于區域地形平坦，相對高差較小，周邊無高大障礙物，所以對丘陵、山地風電場道路設計造成較大甚至是決定性影響的道路最大縱坡、最大縱坡限制坡長、轉彎半徑等道路設計技術參數對此種類型的風電場影響很小，并非需要重點考慮的因素。沙漠地區風電場道路設計所考慮的主要問題是沙埋與風蝕，兩者當中又以沙埋為主。所以，沙漠地區風電場道路路線選擇時應注意下列問題：1)在路線通過嚴重流沙地段時，要綜合考慮施工、養護、營運等因素，做好方案比較。當路線繞行長度不多，工程量增加不大時，要盡量繞開嚴重的流沙地段，以免對風電場后期運行維護造成嚴重影響。2)路線要盡可能選擇在沙害較輕的地帶通過，如河岸、湖岸、鹽漬土分布的地帶，以及地下水溢出地帶，大山或高地的前緣背風地帶等。3)路線穿過流沙地區時，要注意用最短的距離通過，利用沙丘的背風面和風蝕洼地通過。4)路線走向要盡量與風電場的全年主導風向大致平行，這會減少很多的養護工作量，降低養護成本。5)路線平面設計時應盡量少用圓曲線，避免使用小半徑圓曲線。當出現曲線段時，曲線段部分宜采用路堤方案，并將彎道外側朝向全年主導風向。

2.2 縱斷面分析與路基橫斷面設計

為減少沙埋對風電場道路造成的影響，在路線縱斷面設計時應采用適當高度的路堤方案，不填不挖及路塹方案都容易積沙。

當路線與全年主導風向正交時，隨著路堤高度的增加，風速加強，因此，較高的路堤一般不會遭受沙埋危害；當路線與全年主導風向平行時，由于路堤較高，路基表面光滑，路基頂部風速較兩側沙地表面風速大，所以同樣積沙情況較少；但是隨著路堤高度的增加，風蝕程度也會加劇。

路堤的高度不應低于0.3 m，一般以1 m左右為宜。同時，在沙丘起伏地區，路堤高度要比路線兩側各50 m范圍內沙丘的平均高度高出0.3 m～2.0 m。

為防止路基風蝕，低路堤(不大于1 m)的邊坡坡度較緩，在1∶3～1∶10之間為宜，這樣路基兩側可以不作或者少作防護工程措施，節約工程造價；而高路堤(大于1 m)邊坡坡度在1∶1.5～1∶2之間為宜，同時路基兩側需設置一定的防護措施，以防風蝕。

當無法避免而產生路塹時，也應避免采用長度大于30 m和深度大于6 m的路塹。

當路塹與風向正交時，路塹內風力減弱，路塹背風坡的風力減弱程度更大。由于路塹迎風坡對風沙流的阻擋，積沙形成較為迅速，積沙從背風坡開始，呈舌狀向整個路基寬度蔓延；當路塹與風向平行時，一般塹內無積沙，只是進出口處形成漏斗形狀的片狀積沙，危害不大。

路塹的邊坡坡度越緩，積沙越少。為減少積沙，路塹的邊坡坡度控制在1∶5～1∶10之間為宜，同時應使路塹頂部寬度L與路塹深度H的比值盡可能接近20～30的范圍。

路塹示意圖見圖1。

3 路基防護

風電場運營年限較長，維護檢修頻繁，風電場內部道路的通暢是重中之重。除了在平面選線、縱斷面設計及路基橫斷面設計時要考慮防治沙害外，路基防護也是不可或缺的防治手段。

為防止路基風蝕，可以使用多種材料對路基進行防護，以保證路基的穩定和行車安全。

3.1 柴草類防護

使用麥草、稻草、蘆葦、沙蒿、野麻及其他草類，將植物的莖桿砍成30 cm～50 cm的短節，沿路基坡腳向上每層按5 cm～10 cm的厚度層疊鋪設、灌沙、搗實。這種防護方式材料來源較豐富，但使用年限短，用量較大。

路基及路塹層鋪柴草防護路基橫斷面圖見圖2。

3.2 土類防護

使用粘性土(塑性指數大于7)沿路基坡腳向上平鋪、夯實，邊坡處厚度5 cm～10 cm，路肩處厚度10 cm～15 cm。這種防護方式適用于路基的全面防護，效果好，但抗沖蝕性能差，如需增加抗沖蝕強度和避免干裂，還需添加一定比例的骨料，例如10%～15%的沙或20%～30%的礫石(體積配比)。

路基與路塹粘土防護路基橫斷面圖見圖3。

3.3 瀝青防護

使用80%～90%的風積沙混合20%～10%的熱瀝青，直接在邊坡上平鋪、拍實，厚度5 cm左右。這種防護措施效果較好，但施工復雜，造價較高，容易遭破壞。

4 路側防沙工程

為了從源頭上控制沙害，可以采取多種防治措施，主要有工程和植物兩種措施。其中工程措施可以歸納為固、阻、輸、導等四種類型，見表1。

表1 依據作用原理劃分的工程防沙體系類型表

工程措施效果好，見效快，但投資較高。各種措施可以單獨采用，也可以幾種措施配合使用。為了使各種措施經濟有效，必須有總體的布置，使路側各種防沙措施形成一個完善的綜合防護體系。

區別于工程措施，植物固沙是防治沙害的根本措施，不僅可以降低風速，削弱和抑制風沙流活動，而且由于沙生植物具有發達的根系，還能固結其周圍的沙粒，加之枯枝落葉的堆積，有利于有機質的聚積，促進沙的成土作用，改變沙地性質，使流沙趨向固定。植物起到全面固沙作用后，不僅大大減少了養護管理費，而且收益與日俱增，比任何工程防護措施都更為優越有效，有條件時應優先采用。

由于風電場道路設計與施工經費僅占風力發電項目總投資的2%～4%左右，這也使得風電場道路建設在諸多方面必須考慮經濟投資的限制，選擇適合自身的沙害防治措施也顯得尤為重要。

5 結語

在我國“三北”地區，沙漠、沙地分布廣泛，風能資源極為豐富，風力發電機組運行產生的經濟效益較高。由于特殊的地形地貌，風沙活動對風電場道路產生了嚴重的影響。風電場道路在設計階段就需要從平面選線、縱斷面設計、路基橫斷面設計等多方面綜合考慮，結合路基防護措施并選擇適合自身的沙害防治手段，多管齊下、多種措施并用，力求減少沙埋、風蝕對風電場道路造成的危害，保證風電場的經濟安全運行。

[1] 交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2] JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].

Highway design and points analysis of wind-power farm in desert region

GUAN Yuan-yuan

(ShanxiPowerSurvey&DesignInstitute,ChinaEnergyConstructionGroup,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the hazards of windy sand activity upon wind-power field, describes the road line selection concept and design points of wind-power farm in desert region by combing with actual engineering, and introduces the wind hazard preventing measures, which has provided some reference for similar road design in wind-power farm.

wind-power farm in desert region, wind sand, road design, subgrade protection, sand hazard prevention

1009-6825(2014)28-0156-03

2014-07-26

關元淵(1984- )，男，助理工程師

U412

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