山區(qū)風電場道路結(jié)構(gòu)設計探討

吉林省電力勘測設計院 ■ 陳康東 李曉梅

0 引言

近年來，全球變暖、資源緊缺與環(huán)境破壞三大問題日漸突出，逐漸成為全球各國必須面對的焦點問題，新能源的開發(fā)與利用迫在眉睫。風能、太陽能等清潔能源的充分利用早在19世紀中后期就被提出，然而由于技術(shù)、經(jīng)費等各方面的限制，發(fā)展一直較為緩慢。而隨著電力技術(shù)的發(fā)展，利用風力進行發(fā)電技術(shù)日益走向成熟，風力發(fā)電已成為我國供電網(wǎng)中不可分割的一部分[1]。

山區(qū)與沿海地區(qū)是我國風能較為豐富的地區(qū)，也是我國風力發(fā)電設備建設較為集中的地方。我國山區(qū)分布廣闊，山區(qū)風力發(fā)電技術(shù)的研究也一直是風能發(fā)展的熱點。然而，由于風力發(fā)電設備體型較為龐大、質(zhì)量較高，如何在有限的道路建設經(jīng)費范圍內(nèi)設計合理的道路結(jié)構(gòu)以保證風機大型部件的順利運輸，對于風電場的建設具有重要意義[2]。因此，本文以山區(qū)風電場道路結(jié)構(gòu)的合理設計為出發(fā)點，對路基、路面等道路結(jié)構(gòu)的合理建設進行了分析與探討。

1 工程概況

吉林龍源風力發(fā)電有限公司東豐一期(49.5 MW)風電工程位于吉林省遼源市東豐縣沙河鎮(zhèn)北側(cè)，距離縣城40 km，距離沙河鎮(zhèn)2 km。場址內(nèi)地表地貌以林地為主，場址地形起伏較大，高差較為懸殊，在地貌上風電場場址屬于低山丘陵地貌單元。風電場場址內(nèi)地層依次為腐殖土、全風化花崗巖，強風化花崗巖。風機點高程范圍為416.0～595.8 m，高差179.8 m。風電場地處吉林省南部山區(qū)，公路自然區(qū)劃分區(qū)屬于II2區(qū)[3]，位于歐亞大陸東部的中緯度地帶，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，由于環(huán)流形勢的演變，冷暖氣團交替控制，四季氣候變化明顯。各季氣候特征是：春季干旱，夏季溫熱多雨，秋季溫暖晴朗，冬季嚴寒而漫長，晝夜溫差較大。地下水一般分布在坡底內(nèi)，主要為第四系孔隙型潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深3.0～8.0 m，地下水位年變化幅度1.00～1.50 m，主要賦存于石層中，水量較豐富。常規(guī)氣象特征值如表1所示。

表1 常規(guī)氣象特征值表

設計道路全長14.650 km,按照廠礦四級道路標準設計，設計車速20 km/h，設計路基寬度5 m，路面寬度5 m(含路肩)。風電場道路由于受風機大型部件運輸和建設經(jīng)費限制，其設計具有特殊性。經(jīng)前期研究分析得到，山區(qū)風電場道路路拱橫坡為1%；最小圓曲線半徑為50 m，加寬值為2.56 m；最大縱坡應控制在14%以內(nèi)，且坡長不宜大于200 m；豎曲線半徑不應小于500 m，以防拖車托底。本文在前期對風電場道路路線研究的基礎上，探討山區(qū)風電場道路結(jié)構(gòu)的合理設計。

2 路基結(jié)構(gòu)設計

路基作為路面的基礎，對山區(qū)風電場道路的路用性能有重要影響。由于經(jīng)費與道路等級限制，山區(qū)風電場道路路面設計部分與高等級公路區(qū)別較大。在實際工程中，路面部分一般采用山皮碎石或泥結(jié)碎石進行壓實鋪筑。而風機大型部件，如機艙部分，其重量較大，因此，必須對風電場道路路基部分進行合理設計，對其壓實度進行嚴格控制，從而保證風機大型部件的順利運輸。

2.1 路堤設計

路堤是在原有地形基礎上進行填筑，以滿足道路線形要求的路基類型。路堤設計時，在滿足路基承載能力的前提下，應根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，盡量降低路堤填筑高度。高路堤在施工中土石方量較大，占地較多，施工困難且邊坡穩(wěn)定性較差，因此在路堤設計時應盡量避免高路堤的填筑[4]。

表2 規(guī)范路堤邊坡坡度表

路堤邊坡直接影響路堤穩(wěn)定性，規(guī)范要求的路堤邊坡坡度如表2所示。在路堤邊坡坡度確定時，由于受風電場道路占地與建設經(jīng)費限制，本文在驗算路堤整體穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)填筑土質(zhì)、巖石性質(zhì)以及水文地質(zhì)條件，確定路堤邊坡坡度采用1∶1。邊坡防護采用植物防護手段，盡量恢復原有植被生長，以減少對周圍環(huán)境的破壞。樁號為K0+660路堤橫斷面設計如圖1所示。

2.2 路塹設計

路塹是在原有地形基礎上進行開挖，在設計時，應首先考慮地質(zhì)、地貌構(gòu)造的整體穩(wěn)定性。影響路塹邊坡穩(wěn)定性的因素較多，包括路塹深度、邊坡巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及風化程度等。本文綜合考慮風電場道路的運輸特性、建設經(jīng)費以及地質(zhì)條件的影響，確定路塹邊坡坡度為1∶0.5。樁號為K0+640路塹橫斷面設計如圖2所示。

圖1 路堤典型設計圖

圖2 路塹典型設計圖

2.3 半填半挖路基設計

半填半挖路基類型是路堤與路塹的結(jié)合，位于山皮上的路基，通常將路基中心標高設置為原地面標高，從而減少土石方量。在填方部分，填筑時可在原地面開挖臺階，以保證填方部分的穩(wěn)定性。邊坡坡度與路堤路塹邊坡設置相同，填方部分設置為1∶1，挖方部分設置為1∶0.5。施工完成后，應對道路兩側(cè)邊坡做好植物防護工作，從而在保證邊坡穩(wěn)定性的同時，恢復原有植被。樁號為K0+880半填半挖路基橫斷面如圖3所示。

圖3 半填半挖路基典型設計圖

2.4 壓實度及填料要求

就路塹而言，主要依靠挖方后的地面當作路基，然后在其上鋪筑路面。因此有必要對挖方后的路基承載能力進行檢測，使其達到運輸要求。在實際工程中，通常通過壓實度來控制路塹段路基的承載能力。而對于路堤，其填筑材料主要是開挖過程中得到的材料，以及在開挖量不足時就近采用的借方土石材料。在路堤填筑前，應對填筑材料的強度進行試驗分析，以保證路基擁有足夠的承載能力。山區(qū)風電場道路一般利用CBR值控制路堤填料。具體壓實度要求及填料強度要求見表3。對于半填半挖以及零填挖路基，其壓實與填料要求同路堤與路塹。

表3 路基壓實度及填料CBR要求表

3 山皮石路面結(jié)構(gòu)分析

山區(qū)風電場道路等級較低，路面鋪設主要考慮的因素包括：風機大型部件的運輸、經(jīng)濟投資狀況、當?shù)氐刭|(zhì)水文條件等。對大型部件運輸?shù)缆范?，其路面結(jié)構(gòu)一般為半剛性基層與水泥混凝土面層的搭配。然而，這種路面結(jié)構(gòu)形式利用在山區(qū)風電場道路中，雖然路用性能可較好地滿足風機部件的運輸，但其造價較高，遠超過山區(qū)風電項目的道路建設投資，從而將半剛性基層、水泥混凝土面層直接套用進山區(qū)風電場道路建設，在可行性上難以得到滿足。

本項目地處山區(qū)，山皮石資源豐富，但開采的山皮石粒徑普遍較大，不適宜做路面鋪筑材料。為充分利用山皮石材料對路面進行鋪筑，并控制其粒徑在10 cm以內(nèi)，對項目分析研究，決定利用現(xiàn)場破碎設備對開采的山皮石進行破碎，并嚴格控制山皮碎石路面材料級配，從而用于路面鋪筑。最終經(jīng)級配優(yōu)化，以剪切強度為控制指標，得到的山皮碎石路面材料級配見表4。

表4 山皮碎石路面材料

最終設計得到山皮石路面厚度為30 cm，分層回填，每層厚度不大于15 cm開挖路槽，遇強風化花崗巖或碎石地質(zhì)條件時，允許就地碾壓，但應滿足道路實測項目要求。山皮石路面質(zhì)量檢測要求見表5。

表5 山皮石路面質(zhì)量檢驗要求

4 結(jié)語

本文在依托實際工程的基礎上，對山區(qū)風電場道路結(jié)構(gòu)設計進行了一系列分析。對工程實際概況進行了描述，對其地質(zhì)、水文、氣候等條件進行了勘察分析；在前期對風電場路線設計研究的基礎上，對山區(qū)風電場道路路基與路面設計的特殊性進行了分析。結(jié)果表明：路基、路面結(jié)構(gòu)的設計必須以風機大型部件的順利運輸為標準，并充分考慮經(jīng)費、地質(zhì)條件等進行綜合設計；路基設計應注意滿足壓實度與材料強度的要求，并充分考慮對周邊環(huán)境的保護；經(jīng)破碎后并滿足一定級配要求的山皮石可用于山區(qū)風電場道路路面的鋪筑。研究成果對于我國風電場道路結(jié)構(gòu)的多樣性與合理性發(fā)展具有積極意義。

[1]洪祖蘭, 張云杰.山區(qū)風資源特點和對風電機組、風電場設計的建議[J]. 云南水利發(fā)電, 2008, 3:4 9, 21.

[2]丁曉峰. 風電項目決策影響因素及經(jīng)濟評價分析[D]. 北京:華北電力大學, 2012.

[3]鄧學鈞. 路基路面工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[4]柴賀軍, 張麗娟. 山區(qū)典型路基穩(wěn)定性分析與處治效果評價[J]. 公路交通科技(應用技術(shù)版), 2008, 6: 101－103.