绿色公路理念在高速公路设计中的实践

鲁彬彬

摘 要：绿色公路是顺应我国城市交通发展趋势的新兴建设理念，要求公路建设与生态环境保护理念紧密结合。本研究以某高速公路工程为例，以绿色公路的相关理论为依据，从生态保护设计、资源节约设计、能源节约设计等三个角度探究绿色公路理念在高速公路建设项目设计工作中的应用策略，初步预估该项目的实践效果，为我国高速公路建设事业提供理论参考。

关键词：绿色公路;高速公路;设计实践

中图分类号：U412.366文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0103-03

Practice of Green Highway Concept in Expressway Design

LU Binbin

（Henan Expressway Design Consulting Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Green highway is a new construction concept that conforms to the development trend of my country's urban transportation， and requires that highway construction be closely integrated with the concept of ecological environment protection. Taking a certain expressway project as an example， based on the relevant theories of green roads， this study explored the application strategies of the green road concept in the design of expressway construction projects from three perspectives， namely ecological protection design， resource saving design， and energy saving design， and preliminarily estimated the practical effects of the project， in order to provide a theoretical reference for China's highway construction.

Keywords： green highway;expressway;design practice

我國目前正处在迈向城市群发展的时期，城市群与都市圈交通一体化是我国“十四五”规划中提出的城市群发展方向，构建高速公路环线系统是城市群发展的必然。绿色公路以保护道路生态环境为直接目标，符合我国可持续发展战略。探究绿色公路在高速公路设计中的应用有助于我国交通系统与生态建设的同步发展。

1 工程概况

本工程全长为262.843 km，途经3个市县，沿线生态环境优美，具有良好的自然风光，沿途市县的旅游业发展较好。该段工程具备较为优越的绿色公路建设条件，适合进行绿色高速公路设计，本文以某高速公路工程为例进行研究和分析。

2 绿色公路设计概述

绿色公路是将自然生态系统的良好循环作为公路发展的前提条件，以生态系统的发展与保护为基础目标，通过规划公路的设计方案、施工措施、维护方法和养护策略来实现公路的绿色建设。绿色公路设计的基本原则是提升资源利用效率、科学处理污水和污染物、保护当地生态环境;基本特点是节约能源、减少排污、保护环境、生态效益好[1]。绿色公路设计的基本效果是提升交通运输人员即车辆驾驶者的驾驶体验，将社会生活与生态建设融为一体，实现人与自然的和谐发展。绿色公路必备的品质如图1所示[2]。

3 绿色公路在高速公路设计中的实践策略

3.1 生态保护设计

3.1.1 自然性路基设计。设计者要注意坡顶的角度设计，使弧度更加平滑，形成坡顶—反坡—边坡流畅一体的整体性结构，与周边环境和谐一致。保护型路堑的坡口线与截水沟之间应种植植被，利用植被遮盖截水沟，提升高速公路视觉效果，因此应选用视觉干扰性较强的茂盛灌木。

3.1.2 生态化排水设计。边沟应设计为矩形结构，并在上方覆盖盖板，形成暗埋式边沟，将其作为主要结构。某些整体性不强的路段也用浅蝶式排水沟结构。两种结构结合可减少边坡排水的流速，降低排水中的水土流失，减少车辆在行驶过程中的损耗。

3.1.3 无痕化防护设计。路堑边坡防护应减少圬工结构的使用比例，选用压力分散型锚杆与锚索等外观美观的设施掩盖边坡内的防滑桩，移植周边的自然植物，用以掩盖道路两边的防护骨架。

3.1.4 植物栽种设计。该地区土壤表面腐殖质丰富，适于各类植被生长。可根据本项目周边生长的植物类型及土壤状态，选出一些适合该工程区域公路绿化的植物类型。具体类型如表1所示。

由表1可知，该工程沿线所用植物大多为移栽而来的本地植物，但由于该地区土质较为肥沃，这些植物的成活率较高。成活后，植物能与周围的生态环境融为一体，实现对高速公路边坡、格子梁、路堑、立交、中央分离带等位置的绿化。相较传统的圬工防护、利用植物进行生态保护的模式预计可节约3 000万元的经费，使用本地植物进行生态保护的方式预计比由外地购置植物进行维护的模式节约1 000万元的经费。

3.2 资源节约设计

3.2.1 通道资源设计。通道资源的设计应遵循“整体性布局、集约化设计”的原则[3-4]，整合利用本工程的隧道路段与共走廊路段的建设资源，将高速公路建设与省道、县道建设联合起来，构建高速公路—省道—县道贯通的交通体系，在节约资源的前提下切实解决周边居民的交通出行问题。

3.2.2 土地资源设计。本项目中的土地资源设计主要目的是尽量不占用和保护周边农田资源，在能合理规避的情况下予以规避，减少高速公路分隔土地的现象，防止高速公路建设加大农民劳作成本，降低农民为前往耕地而擅穿高速公路的行为发生率。在耕地连绵、难以绕行的情况下，要建设高架桥跨越耕地，保护耕地资源。

施工时的取弃土场要选在公路视野之外的荒野山地，将取弃土工作与土地改造工作相结合，本工程利用这一模式复垦耕地约42万m3。隧道区域路段需要将山体作为取土场，降低取土、借土的成本。

为顺应绿色公路的建设理念，本工程的项目建设以高效利用资源为基本原则，将原本应设置于15处地点的隧道管理中心集中设置于同一地点，降低整体的建筑占地面积。同时，可利用建设路基挡土墙、降低护坡道宽度等方式避让耕地区域，采用尽量节约资源的方式提升项目建设的合理性。

本工程建设项目用地指标为7.725 0 hm2/km，预计实际用地为5.521 6 hm2/km，远低于建设项目用地指标，可有效实现土地资源的合理利用。

3.2.3 全寿命周期成本设计。本工程中存在一个高度差达580 m的大高差地形，将高线位与低线位模式对比分析，以选用较为适合的建设模式。其中，高线位模式预计可减少2 454 m的隧道长度。在20年的使用周期中可降低隧道运营中的电费成本4 600万元、灯具安装及更换成本2 500万元、维护及维修费用6 800万元。虽然高线位模式会增加各类成本3 700万元，但考虑到地形限制与安全性因素，还是应采用全寿命成本较低的高线位模式。

3.3 能源节约设计

3.3.1 太阳能光伏发电设计。太阳能光伏发电是当前应用较为广泛的清洁能源发电装置，适用于本工程的项目建设。本项目所处地区具有较为稳定且丰富的太阳能资源，使用太阳能光伏发电的收益较高。沿线互通区域与服务区附近的外场监控设备较多，利用太阳能可为这部分设备供电起到较好的效果。本项目拟采用太阳能发电设备，预计节约高速公路沿线热水供应与用电供应成本约1 250万元。太阳能光伏发电的预期效果如图2所示。

3.3.2 风光互补电源系统设计。利用风光互补技术设计与建设电源系统是本項目节约能源的主要手段。风能是太阳能的另一种转化形式。受不同地表环境和太阳辐射的影响，地球不同区域会产生温差，导致空气的宏观流动现象，从而产生风能。风能与太阳能都属于不稳定的绿色能源，天气对其影响较为显著。风光互补电源同时以风能与太阳能为能量来源，能够有效提升电源稳定性，降低本项目公路的能量短缺风险。本项目的电源系统设计以Ⅲ类太阳能为主要资源，所在地风速高于3 m/s的时间共计约3 000 h。基于此，本项目拟采用8台0.3 kW的风力发电机、24块0.11 kW的多晶硅太阳能电池板作为电能收集设备，以24只200 A·h/12 V的密封阀控免维胶体蓄电池为电池组，用以存储电源。风光互补电源系统并不独立作为整个项目的供电系统，而是作为整体供电系统的主要组成部分，主要为公路路灯、监控设备等日均耗电量较低的设备提供电能。经实践验证，风光互补电源系统能够实现较为显著的节能效果。

3.3.3 隧道照明设备设计。本项目部分路段跨越山区，共存在6个山区隧道结构，其节能设备是指隧道内的发光二极管（LED）照明设备及其供电系统。综合前文研究成果，隧道LED设备的供电系统选用风光互补电源作为主要供电单位，当这一来源电源匮乏时选用备用电源作为临时电源。同时，LED照明设备具备远高于传统灯具的照明强度，且能量消耗效率更低，更为符合本项目的绿色公路设计理念。根据前期技术试验结果可知，将隧道传统灯具替换为LED照明设备，使得6个山区隧道结构整体节约340套灯具，预计可使设备成本总体降低264.5万元。

3.3.4 隧道阻力设备设计。山体隧道中可能存在许多不利于交通行驶的气体，如瓦斯（CH4）、硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）等。若不保持隧道内的通风状态，则会对隧道结构及人民群众的生命财产安全造成较大威胁。因此，隧道排风系统是高速公路隧道的重要组成部分，节约其能源可有效控制项目运营成本，落实项目的绿色公路理念。具体而言，本项目在隧道排风马头门增设导流板，通过有限元仿真分析调整导流板叶片数量，从而有效将局部阻力系数由1.37降至0.66;在送风马头门增设导流板，将局部阻力系数由2.65降至1.02，有效降低风阻。风阻的降低预计可节约电费125万元。

4 结语

本工程以绿色公路为基本设计理念，通过自然性路基、生态化排水、无痕化防护、植物栽种方法等内容的设计实现了生态保护的目的，通过通道资源、土地资源、全寿命周期成本、高液限土再利用等内容的设计实现了资源节约的目的，通过太阳能光伏发电、风光互补电源系统设计、隧道照明设备设计和隧道阻力设备设计实现了能源保护的目的，以此通过绿色公路理念提升高速公路建设质量。

参考文献：

[1]李邦武，杨梦柔，王晓路，等.海南省绿色公路施工阶段评价指标体系研究[J].公路，2020（2）：270-277.

[2]郝培文，蒋小茜，石载. 绿色公路理念及评价体系[J].筑路机械与施工机械化， 2011（5）：29-35.

[3]周勇.绿色公路理念下的高速公路环境保护关键技术探究：以潮（州）-惠（州）高速公路A3合同段为例[J].中外公路，2019（1）：303-306.

[4]洪月华，陈志清，林加辉，等.探讨绿色公路指导思想下改扩建公路旧护栏改造利用[J].公路交通科技（应用技术版），2020（2）：342-344.