復雜山地條件下光伏場區道路設計優化與標準選取探討

【中圖分類號】 U412.33

【文獻標志碼】 A

0 引言

新能源是我國能源供應體系的重要組成部分?！笆濉币詠?，我國新能源發電裝機容量不斷增長，2020年，我國可再生能源發電裝機容量已達到9.34億kW，占全國所有發電裝機容量的 42.4% ，根據國家“十四五規劃”，2030年全國非化石能源消費比重達 25% 、風電及光伏裝機達12億 kW^[1]

太陽能資源是新能源的重要組成部分，道路系統用于滿足光伏電站運輸及檢修維護需要，是光伏發電站的重要組成部分，而目前對光伏發電站道路設計尚未形成系統的設計方法。在項目具體實施過程中，對于升壓站進站及站內道路，一般采用現行公路設計規范二級或三級標準，而對于場內檢修道路，大都參照四級道路或廠礦道路相關設計標準并結合工程師們的實際經驗進行取值，其設計等級往往低于上述標準要求。對于平地光伏電站，場地較為平整、地貌簡單且地勢起伏較小，道路選線及平、縱斷面設計相對簡單，道路土石方量、支擋結構等工程數量較小，由此帶來的工程量差異往往不大，對工程造價影響較小;而對于山地光伏而言，場地往往具有起伏大、地質條件復雜的特點，加之山地光伏項目往往是“林光互補”或“農光互補”項目，對開發商而言，其土地資源尤為寶貴，在這種復雜條件下，道路的設計指標就顯得尤為重要，合理的路線、縱坡將對土建工程量影響巨大，根據正在實施的云南某光伏電站，道路優化前后投資差異高達 30% 。

光伏場運輸的主要設備為光伏組件、光伏支架、基礎及箱式變壓器等，箱式變壓器是所有設備中質量及尺寸最大的，其對道路的運輸標準要求最高，是道路功能需求設計的主要控制因素。自前對光伏場區道路的設計主要參照現行四級道路、廠礦道路三級或風電場道路的標準，上述標準對平曲線最小半徑、最大縱坡的設計規定對山地光伏道路是否適用并未有相關研究，目前普遍認為上述標準對光伏電站過于嚴格，如華能元謀和國能鎮寧光伏項目，其縱坡分別取到16% 和 15% ，最小平曲線半徑均為 15.0m ，路面寬度分別為3.5m 和 4.0m ，路基寬度則均為 4.5m 。

由以上分析可知，道路的平、縱、橫設計標準目前取值較為混亂，雖然普遍認為按四級道路或廠礦道路相關標準進行設計偏于保守，但并未給出相應的理論建議值，均由設計人員按經驗取值。在滿足工程運輸需要的前提下，較小的轉彎半徑、較大的縱坡、較窄的路基寬度均可減小土石方及支擋結構工程量進而節約工程投資。

山地光伏發電站的道路具有顯著的特點，其場地條件復雜、運輸功能需求低于現行四級道路相關標準甚至低于風電場，如何選取合適的指標，在功能性及經濟性中間找到平衡點則至關重要，因此，研究其設計參數的取值有重要意義，文章通過分析山地光伏電站場地條件、場內設備及運輸車輛特點，確定道路設計基本原則；以典型運輸車輛形狀及動力參數為基礎，分析了光伏場區道路平、縱、橫斷面關鍵參數的合理取值標準，給出了主要參數取值標準建議值。

1山地光伏電站道路概述

1.1山地光伏道路工程特點

山地光伏電站場地地質條件較為復雜，地勢較為陡峭，普遍坡度為 25^°～50^° 之間，通常認為坡度大于 30^° 已不具備布置固定光伏支架條件，可采用柔性光伏支架進行替代，但無論哪種支架形式，均會涉及場內設備運輸問題，場內檢修道路設計應至少滿足以下需求：

（1）道路應滿足施工運輸設備需要。箱式變壓器設備重達9t以上，應保證場區內所有箱變均有道路可以通達，鑒于吊裝設備吊裝距離限制，道路與箱變距離不應大于 10.0m 。

（2）道路需保證后期運維檢修需要。道路應按照永鄰結合的原則進行設計，設計時應綜合考慮道路排水、邊坡防護等。

（3）對光伏場區土建工程而言，光伏支架及基礎、道路工程、圍欄工程是其主要組成部分。在土建工程投資中，道路工程僅服務于工程實施和運營檢修，支架和基礎則是主要設備，道路投資不應在土建投資中占比過高。

1.2現行參照規范標準對比

道路設計主要包括平、縱、橫斷面設計、排水及防護工程設計。平面主要控制指標為最小平曲線半徑、長度等;縱斷面主要控制指標為最小豎曲線半徑、最大縱坡及坡長等；橫斷面主要控制指標為路基及路面寬度；排水設計則主要考慮設置路拱橫坡、排水溝;防護工程設計則主要為邊坡防護，由于支擋結構造價較高，一般考慮通過平、縱優化以減少支擋結構工程量。

目前光伏電站場內道路設計主要參照四級道路和廠礦道路三級道路標準，在實際設計中，并未嚴格遵循上述標準，以云南、貴陽光伏項目為例，給出道路設計標準差異，如表1所示，各項目設計時速均不高于 15km/h ；平曲線最小半徑取值于 9～15m 且均未考慮超高；最大縱坡均超過參照規范建議值 12% ，高達 18% ；路面寬度則為 3.5～4.0m ，路基寬度4.5～5.0m ，上述指標均與參照規范差異較大，取值合理性有待商榷。

表1道路設計控制指標對比

1.表中平曲線半徑均為各規范中最小圓曲線半徑的最小值，括號中為對采用最小值時對應的超高。

1.3光伏場區設備運輸車輛參數

光伏場區的設備材料主要有箱式變壓器（以下簡稱箱變）、光伏支架及基礎以及各種建筑材料（如混凝土、碎石、砂礫等）。道路設計參數關鍵取決于運輸車輛的相關參數。光伏場區內單個箱變的重量為 9t 左右，是所有光伏場區部件中最重的，因此在確定道路設計指標時，應首要考慮箱變的順利運輸。箱變一般使用牽引車和半掛車組成的汽車列車進行運輸，常用運輸車輛的參數如表2所示，半掛車車長一般為 13m 左右，載重為 10～16t ，牽引車車長一般為 4m 左右，整備質量為 4～5t ，列車滿載重量不超過 30t_o

表2光伏場區常用箱變運輸車輛

2山地光伏電站道路設計標準探討

2.1平曲線

平曲線用于連接兩直線段，包括圓曲線、緩和曲線等，由于山地光伏場區內的道路等級較低，加之地形起伏較大，道路往往不具備設置緩和曲線的條件，故平曲線設計主要考慮圓曲線，對應的最小圓曲線半徑則為平面線形設計的控制指標。

根據車輛行駛穩定性理論[6-10]，可用橫向力系數 u 反映行駛車輛的穩定性，其與平曲線半徑的關系為式（1）。

式中： R 為曲線半徑， （m）;v 為車輛速度，（ km/h ）； i 為路面的橫向坡度，對光伏電站道路橫坡一般為 i=1%～2% ;u 為橫向力系數，極限值為路面與輪胎之間的橫向摩阻系數。

道路的極限摩阻系數一般在0.3以上[6]，取JTGB01-2014《公路工程技術標準》中設計采用的橫向力系數為0.1～0.17 ，綜合考慮道路等級及功能需要，可將設計橫向力系數區間適當放大至 0.1～0.25^[6] ，由此得到圓曲線最小半徑如表3所示。

由于表3僅考慮了橫向穩定性，并未考慮車輛尺寸對轉彎半徑的需求。由表2可知，箱變運輸車輛一般采用 13m 左右的平板車，車輛轉彎示意圖如圖1所示，由幾何關系可知車輛的許可轉彎角度 θ_t 為式（2）、式（3）[12]

表3不同橫向系數下圓曲線最小半徑計算值

式中：由 θ_t 為汽車轉彎角度； θ_b 為汽車牽引軸最大轉向角； θ_f 為牽引車前輪最大轉向角； a 為牽引鞘到牽引車后軸距離， Ψ（m）：b 為牽引車前輪距， τ（m） ： L₁ 為牽引車軸距， τ（m） ;L₂ 為牽引鞘到半掛車后軸距離， τ（m） ； R_min 為車輛通行的最小轉彎半徑， τ（m） 。

圖1汽車列車轉彎示意

選定東風 HLQ9280TDP13.0m 半掛車、陜汽 200Ps 牽引汽車為代表車型，計算其轉彎時需滿足的半徑條件，具體參數如表4所示。

表4選取代表車型的基本參數

牽引車軸距 L₁=3.4m ，前輪距 b=1.936m ，汽車轉向角一般為 30～40^° ，牽引銷到牽引車及半掛車后橋距離分別為 a=2.04m，L₂=8.81m ，考慮極限轉向角 θ_f=35^° ，計算得：

最小轉彎半徑為：

同理可計算得轉向角 θ_f=30^° 和 θ_f=40^° 時，所需的最小轉彎半徑分別為 R_{min，30^°}=15.25m，R_min，40^°=10.50m

光伏場區道路設計時速一般不大于 15km/h ，將 15km/h ，路拱橫坡 2% 條件下，最小轉彎半徑與橫向力系數、車輛轉向角的關系繪于圖2中。由圖可知，按橫向力系數 μ?0 .15時，表3中計算所得的轉彎半徑均不滿足車輛轉彎的幾何條件，故以幾何條件控制最小轉彎半徑的方法更適合光伏場區道路最小轉彎半徑的確定。

綜合考慮汽車通過彎道時需滿足的穩定性和幾何條件，建議光伏場區道路圓曲線半徑一般值取為 15.0m ，極限值為12.0m 。

圖2最小轉彎半徑與橫向力系數、牽引車最大轉向角的關系

2.2 縱斷面

對于山地光伏道路系統而言，其往往需要跨越較大的高差，縱斷面設計應綜合考慮道路土石方量及汽車的最大爬坡能力。根據汽車行駛理論[11-12]，汽車以最低檔等速形式時能克服的最大坡道傾角為式（4）。

對應的縱坡為式（5）。

式中 ?f 為滾動阻力系數， λ 為海拔荷載修正系數，取值如表5所示， D_1，max 為最低檔的最大動力因數，計算可參照文獻[5]進行計算。

表5滿載工況下動力因數調整系數與海拔高度關系

在箱變運輸時，選取的平板牽引車的動力參數對道路最大縱坡的選取至關重要，以代表車型東風康明斯 140～200 Ps發動機參數計算得滿載不同海拔高度下最低檔位車輛可爬的最大坡度，結果如表6所示，山地光伏海拔高度一般位于1000～2000m ，按公路規范執行將最大縱坡控制在 12% ～15% 是較為合理的。

當考慮經濟性放大縱坡時，應綜合考慮運輸車輛的動力性能，縱坡不應大于 18% ，當縱坡大于 15% 時，運輸車輛馬力不應小于 180Ps 。

表6滿載30t不同馬力、海拔高度下最低檔位的允許縱坡

2.3橫斷面

2.3.1直線段路基及路面寬度

橫斷面設計主要考慮路面寬度、路拱橫坡設計，對于光伏場區道路而言，一般采用單車道，兩側設置一定寬度的土路肩。牽引車和車輛寬度一般為 2.9～3.0m ，故路面寬度應不應小于 3.5m 。

由表1可知，目前在道路寬度設計差異主要在于路肩寬度的選擇，根據JTGB01-2014《公路工程技術標準》[3「中對單車道四級公路土路肩寬度為 0.5m ，考慮到路肩具有保護和支撐路面結構、提供行車道側向余寬和側向通視條件的作用，加之光伏場區箱變運輸車輛載重較大、路面結構等級較低，設計時不應過分壓縮路肩寬度，故建議光伏場區道路路肩寬度不應小于 0.5m 。

2.3.2平曲線路基加寬

由圖1中半掛車轉彎示意圖，圓曲線上道路寬度應為式（6）。

仍采用東風HLQ9280TDP半掛車進行計算，路基寬度考慮為 4.5m ，取牽引車最大轉向角 θ_f=35^° 得圓曲線上路基寬度為式（7）。

則曲線最大加寬值為式（8）。

ΔW=W_c-W=6.65-4.5=2.15m

同理可得轉向角 θ_f=30^° 和 θ_f=40^° 時，所需的最小轉彎半徑分別為 ΔW_30^°=3.95m ， ΔW_40^°=0.7m_? 。JTG D20 -2017《公路路線設計規范》[2中對單車道四級公路要求的加寬值為一類半加寬 1.1m ，建議在設計時采用一類加寬，即圓曲線最大加寬值為 2.2m 。

2.4排水及防護工程

排水及防護工程對道路路基穩定性具有重要作用，光伏場區道路一般設置單向橫坡用于排水，路拱橫坡一般為 1% ～2% ，按需設置邊溝和排水溝。對于填方邊坡，不考慮設置邊溝，雨水通過路面單向橫坡排出路基；對與挖方邊坡，由于不具備排水條件，需設置單側或雙側邊溝；對于半填半挖路基，可采用單側邊溝或自然散排方式進行排水，坡面采用噴播植草護面，填、挖方邊坡坡比根據實際工程地質勘測資料選取。

排水溝形式為漿砌片石或不做任何處理的溝槽，考慮到經濟性要求，對于地質條件相對較好的巖層路段，可考慮直接開挖溝槽作為邊溝，而對于純土質邊坡路段，可采用矩形漿砌石排水溝或梯形截面土溝，后者雖會加大土石方量，但相對于漿砌片石而言，往往經濟性更好。

在橫斷面形狀確定的條件下，道路的平縱斷面設計最終決定了各樁號的填挖方和支擋工程數量，由于在斜坡上機具壓實困難且需設置支擋結構，一般應遵循“少填多挖”的原則，通過平縱優化調整將橫斷面形狀優化為圖3所示的形狀，盡可能減少土石方及支擋結構數量以節省道路工程投資。

2.5場內道路設計參數建議取值

由前文論述，山地光伏電站道路設計時速的主要設計參數取值范圍建議如表7所示。除表中所列參數外的其余參數如最小圓曲線長度、最大坡長等參數對工程造價影響相對較小，可參照執行公路工程相關規范。

3結論

本文根據光伏場區道路特點，通過理論分析和工程實例，探討了山地光伏場區道路主要設計參數取值的合理性，分析了光伏場區運輸道路主要的設計原則及設計要點，得出了如下結論：

（1）山地光伏場區具有地質條件復雜、地貌起伏較大的特點，場內道路的設計參數選取將對土建工程造價產生巨大影響。目前光伏場區道路設計尚未形成系統的設計方法，主要參照現行公路及廠礦道路設計規范并結合經驗進行取值，部分取值合理性欠妥。

表7山地光伏場區道路主要設計參數建議取值（ 15km/h 0

（2）分析了光伏場區運輸設備及車輛特點，選取代表車型，綜合考慮汽車轉彎行駛穩定性和轉彎半徑的幾何需要，分析了平面最小轉彎半徑的理論取值，建議最小轉彎半徑一般值為 15m ，，極限值為 12m 。

（3）結合光伏場區牽引車典型馬力區間，以 30t 滿載半掛車為對象分析了充許的最大縱坡，得出了光伏場區道路縱坡設計的極限值，建議最大縱坡取值區間為 12%～15% ，且不應大于 18% ，當縱坡大于 15% 時，牽引車馬力不得小于180Ps 。

（4）以典型箱變運輸車輛寬度為基準，建議路面寬度不小于 3.5m ；考慮到車輛負荷較大且路面等級較低，設計時不應過分壓縮路肩寬度，路肩寬度不應小于 0.5m 。

（5）考慮到經濟性，光伏場區道路應盡可能減小支擋結構的設置；為滿足排水需要，路面應設置單向橫坡，橫坡不應大于 2% ，挖方路基應設置單側邊溝，邊溝可根據地質情況選取矩形或梯形截面。

參考文獻

[1］楊永紅，陳志達，王選倉，等.風電場大型風機運輸道路平曲線

半徑指標研究[J].公路工程，2017，39（6）：73-75.

[2] 中華人民共和國交通運輸部.公路路線設計規范：JTGD20-2006[S].北京：人民交通出版社，2006.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.公路工程技術標準：JTGB01-2014[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4] 中華人民共和國交通運輸部.公路路基設計規范：JTGD30-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5] 中華人民共和國交通運輸部.廠礦道路設計規范：GBJ22-87[S].北京：中國計劃出版社，1987.

[6] 楊永紅，吳熾，王選倉，等.風電場大型風機運輸道路縱坡指標研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2014，42（12）：14-19.

[7] 孫家駟，李松青，王衛花．道路勘測設計[M]．北京：人民交通出版社，2012.

[8] 肖晶晶.低風速風電場風場道路的設計[J].可再生能源，2015，33（10）：1499-1507.

[9] 呂玉善，劉昕沖，夏蓮.山地風電場設備運輸車輛及道路研究[J].中國電力企業管理，2021（36）：82-83.

[10] 童申家，王培.不同海拔、風級影響下的高等級公路圓曲線半徑分析[J].公路，2012（12）：61-64.

[11] 裴玉龍，邢恩輝.高等級公路縱坡的坡度、坡長限制分析[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37（5）：629-632.

[12] 石飛榮，楊少偉，趙永平，等.山區高速公路車輛上坡最大縱坡及坡長限制[J].長安大學學報（自然科學版），2004，24（5）：27-30.