沙漠地区风电场道路设计及要点分析

关 元 渊

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

沙漠地区风电场道路设计及要点分析

关 元 渊

(中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

分析了风沙活动对风电场道路产生的危害，结合实际工程，阐述了沙漠地区风电场道路的选线思路和设计要点，并介绍了防治沙害的措施，为同类型风电场道路设计提供借鉴。

沙漠地区风电场，风沙，道路设计，路基防护，沙害防治

0 引言

随着全球能源的紧缺，对风能的利用逐渐成为全球各国的重要议题，风能也成为发展最快的可再生清洁能源。风能发电具有多方面的优势，如消耗物资能源较少、对环境影响较小以及建设方式与选址灵活等。在我国相关部门对风力发电项目的大力扶持下，我国风力发电得到了迅猛的发展，已成为供电网中重要的组成部分。我国幅员辽阔，风能资源丰富。尤其是“三北”地区，风能资源极为丰富，近年来在“三北”地区开展的风力发电项目也越来越多。同时，我国是一个多沙漠的国家，沙漠总面积约占全国陆地总面积的6.8%左右，主要分布在新疆(40.4%)、甘肃(6.6%)、内蒙古(5.2%)、宁夏(4.1%)、青海(3.5%)、吉林(1.8%)、辽宁(1%)、陕西(0.9%)与黑龙江(0.2%)等九个省(区)，沙漠总面积约70余万平方千米。主要沙漠、沙地有：塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、乌兰布和沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、柴达木盆地沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙漠、小腾格里沙漠、科尔沁沙地及河西走廊沙地。本文结合内蒙古通辽市某风电场，从风沙对公路的危害入手，对沙漠地区风电场道路路线设计及其要点进行分析研究。

1 风沙对公路的危害

我国沙漠主要分布在北方干旱、半干旱地区，地表往往生成风积沙堆、沙垄及沙丘等风沙堆积地貌。沙漠地区气候干燥，雨量稀少，风沙大，地表植被稀疏、低矮。沙漠地区道路路基容易发生边坡或路肩被风蚀而遭破坏或整个路基被风积沙掩埋等现象。风沙地区的公路病害主要是沙埋和风蚀。

1.1 沙埋

1.1.1 沙埋原因

公路沙埋主要有两种情况，其一是由于风沙流通过路基时，由于风速减弱，导致沙粒沉落、堆积、掩埋路基；其二是由于沙丘移动上路而掩埋了路基。

1.1.2 沙埋类型

1)片状沙埋：主要发生在风沙流活动的地区，形成较迅速，沙埋面积较大；初期积沙较薄，通过养护尚能维持通车，如沙源丰富，积沙日益增厚，则会阻断交通。2)舌状沙埋：在流动沙丘地区，当公路路线与沙丘走向横切时，可形成舌状沙埋；同时在风沙流活动地区，当路基上风侧有障碍物时，也会形成舌状沙埋。舌状沙埋的厚度较大，形成迅速，一场大风即可使交通中断。3)堆状沙埋：沙丘在风的作用下移动上路，造成大量的沙子堆积，形成堆状沙埋，主要发生在流动、半流动沙丘地区。堆状沙埋的发展形成较慢，能够预测，可以预防，但一旦形成，因积沙量大，危害严重，处理起来往往比较困难。

1.2 风蚀

风蚀是路基在风沙的直接吹蚀下，路基上的沙粒或土粒被风吹走，出现路基削低、掏空和坍塌等现象，从而引起路基的宽度和高度减小。风蚀的程度与风力、风向、路基形式、填料组成及防护措施有关。

1.2.1 路堤

当全年主导风向与路线走向正交时，公路迎风侧的路肩及边坡上部风蚀较严重，背风侧则较轻。当全年主导风向与路线走向平行时，公路两侧的路肩及边坡上部均易遭受风蚀。

1.2.2 路堑

路堑边坡的风蚀一般均较严重，风蚀程度则随路线与主导风向的交角而有所不同。当风向与路线平行时，两侧坡面多风蚀成条沟状；当风向与路线正交时，迎风坡面的局部地方则易被掏空成犬牙状。

2 路线设计及要点分析

风电场内的道路是为了风电场建设及建成投产后的运行检修服务，风力发电机的位置决定了风电场内部道路的走向。

结合沙漠地区特殊的地貌类型及风资源情况，风力发电机的布置基本以矩阵布置为主，从而决定了整个风电场道路布置的基本格局也是横平竖直的矩阵布局。

2.1 总体选线原则

内蒙古通辽某风电场东西长约12 km，南北宽约8 km，区域内为沙堆、沙垄及沙丘等风沙堆积地貌，植被稀疏、低矮。区域标高在260 m～280 m(1985国家高程基准)之间，相对高差较低。

由于区域地形平坦，相对高差较小，周边无高大障碍物，所以对丘陵、山地风电场道路设计造成较大甚至是决定性影响的道路最大纵坡、最大纵坡限制坡长、转弯半径等道路设计技术参数对此种类型的风电场影响很小，并非需要重点考虑的因素。沙漠地区风电场道路设计所考虑的主要问题是沙埋与风蚀，两者当中又以沙埋为主。所以，沙漠地区风电场道路路线选择时应注意下列问题：1)在路线通过严重流沙地段时，要综合考虑施工、养护、营运等因素，做好方案比较。当路线绕行长度不多，工程量增加不大时，要尽量绕开严重的流沙地段，以免对风电场后期运行维护造成严重影响。2)路线要尽可能选择在沙害较轻的地带通过，如河岸、湖岸、盐渍土分布的地带，以及地下水溢出地带，大山或高地的前缘背风地带等。3)路线穿过流沙地区时，要注意用最短的距离通过，利用沙丘的背风面和风蚀洼地通过。4)路线走向要尽量与风电场的全年主导风向大致平行，这会减少很多的养护工作量，降低养护成本。5)路线平面设计时应尽量少用圆曲线，避免使用小半径圆曲线。当出现曲线段时，曲线段部分宜采用路堤方案，并将弯道外侧朝向全年主导风向。

2.2 纵断面分析与路基横断面设计

为减少沙埋对风电场道路造成的影响，在路线纵断面设计时应采用适当高度的路堤方案，不填不挖及路堑方案都容易积沙。

当路线与全年主导风向正交时，随着路堤高度的增加，风速加强，因此，较高的路堤一般不会遭受沙埋危害；当路线与全年主导风向平行时，由于路堤较高，路基表面光滑，路基顶部风速较两侧沙地表面风速大，所以同样积沙情况较少；但是随着路堤高度的增加，风蚀程度也会加剧。

路堤的高度不应低于0.3 m，一般以1 m左右为宜。同时，在沙丘起伏地区，路堤高度要比路线两侧各50 m范围内沙丘的平均高度高出0.3 m～2.0 m。

为防止路基风蚀，低路堤(不大于1 m)的边坡坡度较缓，在1∶3～1∶10之间为宜，这样路基两侧可以不作或者少作防护工程措施，节约工程造价；而高路堤(大于1 m)边坡坡度在1∶1.5～1∶2之间为宜，同时路基两侧需设置一定的防护措施，以防风蚀。

当无法避免而产生路堑时，也应避免采用长度大于30 m和深度大于6 m的路堑。

当路堑与风向正交时，路堑内风力减弱，路堑背风坡的风力减弱程度更大。由于路堑迎风坡对风沙流的阻挡，积沙形成较为迅速，积沙从背风坡开始，呈舌状向整个路基宽度蔓延；当路堑与风向平行时，一般堑内无积沙，只是进出口处形成漏斗形状的片状积沙，危害不大。

路堑的边坡坡度越缓，积沙越少。为减少积沙，路堑的边坡坡度控制在1∶5～1∶10之间为宜，同时应使路堑顶部宽度L与路堑深度H的比值尽可能接近20～30的范围。

路堑示意图见图1。

3 路基防护

风电场运营年限较长，维护检修频繁，风电场内部道路的通畅是重中之重。除了在平面选线、纵断面设计及路基横断面设计时要考虑防治沙害外，路基防护也是不可或缺的防治手段。

为防止路基风蚀，可以使用多种材料对路基进行防护，以保证路基的稳定和行车安全。

3.1 柴草类防护

使用麦草、稻草、芦苇、沙蒿、野麻及其他草类，将植物的茎杆砍成30 cm～50 cm的短节，沿路基坡脚向上每层按5 cm～10 cm的厚度层叠铺设、灌沙、捣实。这种防护方式材料来源较丰富，但使用年限短，用量较大。

路基及路堑层铺柴草防护路基横断面图见图2。

3.2 土类防护

使用粘性土(塑性指数大于7)沿路基坡脚向上平铺、夯实，边坡处厚度5 cm～10 cm，路肩处厚度10 cm～15 cm。这种防护方式适用于路基的全面防护，效果好，但抗冲蚀性能差，如需增加抗冲蚀强度和避免干裂，还需添加一定比例的骨料，例如10%～15%的沙或20%～30%的砾石(体积配比)。

路基与路堑粘土防护路基横断面图见图3。

3.3 沥青防护

使用80%～90%的风积沙混合20%～10%的热沥青，直接在边坡上平铺、拍实，厚度5 cm左右。这种防护措施效果较好，但施工复杂，造价较高，容易遭破坏。

4 路侧防沙工程

为了从源头上控制沙害，可以采取多种防治措施，主要有工程和植物两种措施。其中工程措施可以归纳为固、阻、输、导等四种类型，见表1。

表1 依据作用原理划分的工程防沙体系类型表

工程措施效果好，见效快，但投资较高。各种措施可以单独采用，也可以几种措施配合使用。为了使各种措施经济有效，必须有总体的布置，使路侧各种防沙措施形成一个完善的综合防护体系。

区别于工程措施，植物固沙是防治沙害的根本措施，不仅可以降低风速，削弱和抑制风沙流活动，而且由于沙生植物具有发达的根系，还能固结其周围的沙粒，加之枯枝落叶的堆积，有利于有机质的聚积，促进沙的成土作用，改变沙地性质，使流沙趋向固定。植物起到全面固沙作用后，不仅大大减少了养护管理费，而且收益与日俱增，比任何工程防护措施都更为优越有效，有条件时应优先采用。

由于风电场道路设计与施工经费仅占风力发电项目总投资的2%～4%左右，这也使得风电场道路建设在诸多方面必须考虑经济投资的限制，选择适合自身的沙害防治措施也显得尤为重要。

5 结语

在我国“三北”地区，沙漠、沙地分布广泛，风能资源极为丰富，风力发电机组运行产生的经济效益较高。由于特殊的地形地貌，风沙活动对风电场道路产生了严重的影响。风电场道路在设计阶段就需要从平面选线、纵断面设计、路基横断面设计等多方面综合考虑，结合路基防护措施并选择适合自身的沙害防治手段，多管齐下、多种措施并用，力求减少沙埋、风蚀对风电场道路造成的危害，保证风电场的经济安全运行。

[1] 交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2] JTG D30-2004，公路路基设计规范[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

关元渊(1984- )，男，助理工程师

U412

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