山区风电场道路结构设计探讨

吉林省电力勘测设计院 ■ 陈康东 李晓梅

0 引言

近年来，全球变暖、资源紧缺与环境破坏三大问题日渐突出，逐渐成为全球各国必须面对的焦点问题，新能源的开发与利用迫在眉睫。风能、太阳能等清洁能源的充分利用早在19世纪中后期就被提出，然而由于技术、经费等各方面的限制，发展一直较为缓慢。而随着电力技术的发展，利用风力进行发电技术日益走向成熟，风力发电已成为我国供电网中不可分割的一部分[1]。

山区与沿海地区是我国风能较为丰富的地区，也是我国风力发电设备建设较为集中的地方。我国山区分布广阔，山区风力发电技术的研究也一直是风能发展的热点。然而，由于风力发电设备体型较为庞大、质量较高，如何在有限的道路建设经费范围内设计合理的道路结构以保证风机大型部件的顺利运输，对于风电场的建设具有重要意义[2]。因此，本文以山区风电场道路结构的合理设计为出发点，对路基、路面等道路结构的合理建设进行了分析与探讨。

1 工程概况

吉林龙源风力发电有限公司东丰一期(49.5 MW)风电工程位于吉林省辽源市东丰县沙河镇北侧，距离县城40 km，距离沙河镇2 km。场址内地表地貌以林地为主，场址地形起伏较大，高差较为悬殊，在地貌上风电场场址属于低山丘陵地貌单元。风电场场址内地层依次为腐殖土、全风化花岗岩，强风化花岗岩。风机点高程范围为416.0～595.8 m，高差179.8 m。风电场地处吉林省南部山区，公路自然区划分区属于II2区[3]，位于欧亚大陆东部的中纬度地带，属温带大陆性季风气候区，由于环流形势的演变，冷暖气团交替控制，四季气候变化明显。各季气候特征是：春季干旱，夏季温热多雨，秋季温暖晴朗，冬季严寒而漫长，昼夜温差较大。地下水一般分布在坡底内，主要为第四系孔隙型潜水，地下水稳定水位埋深3.0～8.0 m，地下水位年变化幅度1.00～1.50 m，主要赋存于石层中，水量较丰富。常规气象特征值如表1所示。

表1 常规气象特征值表

设计道路全长14.650 km,按照厂矿四级道路标准设计，设计车速20 km/h，设计路基宽度5 m，路面宽度5 m(含路肩)。风电场道路由于受风机大型部件运输和建设经费限制，其设计具有特殊性。经前期研究分析得到，山区风电场道路路拱横坡为1%；最小圆曲线半径为50 m，加宽值为2.56 m；最大纵坡应控制在14%以内，且坡长不宜大于200 m；竖曲线半径不应小于500 m，以防拖车托底。本文在前期对风电场道路路线研究的基础上，探讨山区风电场道路结构的合理设计。

2 路基结构设计

路基作为路面的基础，对山区风电场道路的路用性能有重要影响。由于经费与道路等级限制，山区风电场道路路面设计部分与高等级公路区别较大。在实际工程中，路面部分一般采用山皮碎石或泥结碎石进行压实铺筑。而风机大型部件，如机舱部分，其重量较大，因此，必须对风电场道路路基部分进行合理设计，对其压实度进行严格控制，从而保证风机大型部件的顺利运输。

2.1 路堤设计

路堤是在原有地形基础上进行填筑，以满足道路线形要求的路基类型。路堤设计时，在满足路基承载能力的前提下，应根据当地实际情况，尽量降低路堤填筑高度。高路堤在施工中土石方量较大，占地较多，施工困难且边坡稳定性较差，因此在路堤设计时应尽量避免高路堤的填筑[4]。

表2 规范路堤边坡坡度表

路堤边坡直接影响路堤稳定性，规范要求的路堤边坡坡度如表2所示。在路堤边坡坡度确定时，由于受风电场道路占地与建设经费限制，本文在验算路堤整体稳定性的前提下，根据填筑土质、岩石性质以及水文地质条件，确定路堤边坡坡度采用1∶1。边坡防护采用植物防护手段，尽量恢复原有植被生长，以减少对周围环境的破坏。桩号为K0+660路堤横断面设计如图1所示。

2.2 路堑设计

路堑是在原有地形基础上进行开挖，在设计时，应首先考虑地质、地貌构造的整体稳定性。影响路堑边坡稳定性的因素较多，包括路堑深度、边坡岩性、地质构造以及风化程度等。本文综合考虑风电场道路的运输特性、建设经费以及地质条件的影响，确定路堑边坡坡度为1∶0.5。桩号为K0+640路堑横断面设计如图2所示。

图1 路堤典型设计图

图2 路堑典型设计图

2.3 半填半挖路基设计

半填半挖路基类型是路堤与路堑的结合，位于山皮上的路基，通常将路基中心标高设置为原地面标高，从而减少土石方量。在填方部分，填筑时可在原地面开挖台阶，以保证填方部分的稳定性。边坡坡度与路堤路堑边坡设置相同，填方部分设置为1∶1，挖方部分设置为1∶0.5。施工完成后，应对道路两侧边坡做好植物防护工作，从而在保证边坡稳定性的同时，恢复原有植被。桩号为K0+880半填半挖路基横断面如图3所示。

图3 半填半挖路基典型设计图

2.4 压实度及填料要求

就路堑而言，主要依靠挖方后的地面当作路基，然后在其上铺筑路面。因此有必要对挖方后的路基承载能力进行检测，使其达到运输要求。在实际工程中，通常通过压实度来控制路堑段路基的承载能力。而对于路堤，其填筑材料主要是开挖过程中得到的材料，以及在开挖量不足时就近采用的借方土石材料。在路堤填筑前，应对填筑材料的强度进行试验分析，以保证路基拥有足够的承载能力。山区风电场道路一般利用CBR值控制路堤填料。具体压实度要求及填料强度要求见表3。对于半填半挖以及零填挖路基，其压实与填料要求同路堤与路堑。

表3 路基压实度及填料CBR要求表

3 山皮石路面结构分析

山区风电场道路等级较低，路面铺设主要考虑的因素包括：风机大型部件的运输、经济投资状况、当地地质水文条件等。对大型部件运输道路而言，其路面结构一般为半刚性基层与水泥混凝土面层的搭配。然而，这种路面结构形式利用在山区风电场道路中，虽然路用性能可较好地满足风机部件的运输，但其造价较高，远超过山区风电项目的道路建设投资，从而将半刚性基层、水泥混凝土面层直接套用进山区风电场道路建设，在可行性上难以得到满足。

本项目地处山区，山皮石资源丰富，但开采的山皮石粒径普遍较大，不适宜做路面铺筑材料。为充分利用山皮石材料对路面进行铺筑，并控制其粒径在10 cm以内，对项目分析研究，决定利用现场破碎设备对开采的山皮石进行破碎，并严格控制山皮碎石路面材料级配，从而用于路面铺筑。最终经级配优化，以剪切强度为控制指标，得到的山皮碎石路面材料级配见表4。

表4 山皮碎石路面材料

最终设计得到山皮石路面厚度为30 cm，分层回填，每层厚度不大于15 cm开挖路槽，遇强风化花岗岩或碎石地质条件时，允许就地碾压，但应满足道路实测项目要求。山皮石路面质量检测要求见表5。

表5 山皮石路面质量检验要求

4 结语

本文在依托实际工程的基础上，对山区风电场道路结构设计进行了一系列分析。对工程实际概况进行了描述，对其地质、水文、气候等条件进行了勘察分析；在前期对风电场路线设计研究的基础上，对山区风电场道路路基与路面设计的特殊性进行了分析。结果表明：路基、路面结构的设计必须以风机大型部件的顺利运输为标准，并充分考虑经费、地质条件等进行综合设计；路基设计应注意满足压实度与材料强度的要求，并充分考虑对周边环境的保护；经破碎后并满足一定级配要求的山皮石可用于山区风电场道路路面的铺筑。研究成果对于我国风电场道路结构的多样性与合理性发展具有积极意义。

[1]洪祖兰, 张云杰.山区风资源特点和对风电机组、风电场设计的建议[J]. 云南水利发电, 2008, 3:4 9, 21.

[2]丁晓峰. 风电项目决策影响因素及经济评价分析[D]. 北京:华北电力大学, 2012.

[3]邓学钧. 路基路面工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[4]柴贺军, 张丽娟. 山区典型路基稳定性分析与处治效果评价[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2008, 6: 101－103.