AutoTURN在西南山地風電場道路設(shè)計中的應(yīng)用

任臘春，許海楠，柴 亮

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

一般來說，山地風電場設(shè)計的難點在于道路和風機平臺的設(shè)計。西南地區(qū)地形復(fù)雜，海拔較高，風機平臺一般位于山脊上，道路設(shè)計需要連接進場道路和風機平臺，在山坡上進行多次展線，不可避免地需要設(shè)置回頭曲線、小半徑曲線等。由于道路建設(shè)的目的主要服務(wù)于大件風電機組設(shè)備運輸需要，道路等級較低，沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范。對于道路的路面寬度、加寬寬度、轉(zhuǎn)彎半徑、縱坡等要素，大多以經(jīng)驗判斷其可行性；而風電工程工期普遍較短，并且道路作為其關(guān)鍵線路，往往要求道路設(shè)計和修建能一次性滿足車輛運輸?shù)囊?。AutoTURN作為一款專門模擬車輛轉(zhuǎn)彎的軟件，可用來檢驗路線設(shè)計的合理性，尤其是能夠檢驗較小半徑彎道的通過性。所以，合理利用AutoTURN能夠檢驗道路設(shè)計的合理性，并且能夠在一定程度上節(jié)約造價，縮短工期，對工程具有一定的指導(dǎo)價值。

近年風力發(fā)電項目大規(guī)模開發(fā)，對于風力發(fā)電建設(shè)十分有利的地形資源日益緊張，陸上風電場類型正向丘陵、山區(qū)等風資源較好、但工程建設(shè)相對投資大幅增加的區(qū)域推進［1］。

趙一鳴［2］等人研究了單機容量為2.5 kW的風機，其葉片長度可達53 m，隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)在風機單機容量逐漸提升，3 kW、3.65 kW等更高單機容量的風機進入市場，其葉片長度也相繼提升，相應(yīng)地就要求提高道路參數(shù)。

道路平曲線半徑一般是由葉片的長度尺寸和運輸方式?jīng)Q定。水平固定擺放的運輸，平曲線半徑一般要求不小于40～50 m；山嶺重丘區(qū)因局部地形限制，在適當加寬路基的情況下，一般平曲線半徑也不小于35 m；應(yīng)用特殊運輸車輛（可在豎直方向調(diào)整葉片長度方向與水平線的夾角）運輸時，平曲線半徑一般不小于25 m；極限情況下，平曲線半徑一般不小于 20 m［3］。

通過對目前國內(nèi)常用運輸方式的調(diào)查，在運輸葉片時一般將葉片末端懸挑出車板一定長度，故在計算平曲線最小加寬值時應(yīng)按平曲線的內(nèi)外彎情況區(qū)別考慮，現(xiàn)場實際地形情況包括全挖方型內(nèi)彎、內(nèi)填外挖型內(nèi)彎、內(nèi)挖外填型外彎、全填方型外彎的兩大類四種彎道［4］。

AutoTURN軟件作為車輛轉(zhuǎn)彎模擬軟件，在國外應(yīng)用很廣，一些風機廠家也用其初步模擬道路，如Vestas等。該軟件能根據(jù)不同風機葉片長度，自定義運輸車輛的長度，能直觀地模擬車輛轉(zhuǎn)彎的情形，進而檢驗道路的通過性，這就提高了道路設(shè)計的準確性，也避免了后期設(shè)計反復(fù)修改，節(jié)約了設(shè)計成本。該軟件可以用于指導(dǎo)山地風電場道路的設(shè)計，為設(shè)計人員選擇道路設(shè)計參數(shù)提供了一定的參考性。

AutoTURN軟件得到了全球67個國家設(shè)計師的肯定，可以自動完成車輛轉(zhuǎn)彎時的最大寬度測算，并直接生成繪制路線［5］。AutoTURN是全球運輸工程師、建筑師和規(guī)劃師首選的車輛掃描路徑分析軟件［6］。

1 平曲線參數(shù)模擬計算

1.1 通過AutoTURN模擬道路平曲線參數(shù)

結(jié)合西南某在建風電場選用的2.5 MW風機機型，其葉片長度達59.5 m?？紤]該山地風電場地勢較陡，葉片運輸公司選用特種車輛運送風機葉片，可大大減小道路的轉(zhuǎn)彎半徑。根據(jù)運輸公司反饋的車輛尺寸信息，用AutoTURN模擬該車輛，模型見圖1，模擬轉(zhuǎn)彎路徑見圖2。模擬得到的平曲線半徑和加寬值見表1。

圖1 特種運輸車輛模型示意（單位：m）

圖2 AutoTURN模擬轉(zhuǎn)彎路徑示意

表1 平曲線半徑和加寬值計算 m

1.2 通過汽車轉(zhuǎn)彎半徑分析模型計算平曲線參數(shù)

參考相關(guān)文獻［7］，繪制葉片特種運輸車輛計算模型如圖3所示。以牽引車與半掛車的鉸接角為自變量，可以計算出平曲線半徑和所需的道路寬度，從而確定各平曲線要素以及加寬值。

圖3 平曲線轉(zhuǎn)彎半徑計算示意

具體計算公式如下：

式中，a為牽引車前懸，取1.2 m；b′為牽引車軸距，b=4.1+1.6=5.7 m；c為牽引車后軸中心線與半掛車縱軸的交點至半掛車后軸中心線的距離在水平面上的投影，c=16．3-f-g-e=12.5 m；d1為牽引車車寬，取2.5 m；d2為半掛車寬度，取3.36 m；e為牽引車后軸中心線與半掛車縱軸線的交點至鉸接點的距離在水平面上的投影，取0.1 m；f為半掛車牽引銷鉸接點至半掛車前部的距離在水平面上的投影，為1.6 m；g為半掛車后懸，取2.2 m；θ為牽引車與半掛車的鉸接角；R′為牽引車前端轉(zhuǎn)彎半徑；R為平曲線半徑；r為半掛車后端回轉(zhuǎn)徑；W為道路寬度。計算結(jié)果見表2。

表2 AutoTURN模擬的平曲線半徑和加寬值 m

1.3 西南某在建風電場采用平曲線指標

該在建項目參考四級公路標準設(shè)計，設(shè)計速度15 km／h，路基寬度4.5 m，路幅構(gòu)成為0.50 m路肩+3.5 m路面+0.50 m路肩，平曲線彎道不設(shè)加寬的最小半徑為250 m。根據(jù)風電場道路設(shè)計相關(guān)經(jīng) 驗，擬定該項目采用的路面加寬值見表3。

表3 路面加寬值m

1.4 平曲線加寬值對比

對比AutoTURN模擬和理論公式計算得到的平曲線半徑和路面加寬值如圖4。

圖4 對比兩種方法得到的半徑和加寬值

由圖4可以看出，對于同一種車輛，兩種方法得出的平曲線半徑和路面加寬值很接近，據(jù)此可推斷，當?shù)弥囕v尺寸信息后，用任一種方法均可以得到該車輛的轉(zhuǎn)彎半徑和對應(yīng)的加寬值。相比較理論公式計算道路平曲線半徑和加寬值，采用AutoTURN軟件具有快捷、方便的特點，并且該軟件能更直觀地表達車輛運輸路徑。尤其是對于某一具體的彎道，通過該軟件可以快速地模擬出某一轉(zhuǎn)彎半徑對應(yīng)的加寬值，同時也可以篩選出合適尺寸的車輛來進行風機設(shè)備的運輸。

由表1、2對比表3，可以看出根據(jù)相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗擬定的路面加寬值數(shù)值偏大。原因是在進行設(shè)計時，沒有事先得到風機葉片運輸車輛的相關(guān)信息，所以采用的加寬值較保守。

目前山地風電場道路設(shè)計沒有建立統(tǒng)一的規(guī)范和標準，各個設(shè)計院采用的平曲線半徑、路面加寬值等參數(shù)均不一致。由此，采用AutoTURN轉(zhuǎn)彎模擬軟件，對現(xiàn)有運輸車輛建立模型，模擬其運輸路徑，能準確、快捷、方便地檢驗道路設(shè)計參數(shù)的合理性。

2 結(jié)合實際工程分析道路工程量

根據(jù)設(shè)計資料，該在建山地風電場支線道路設(shè)計線路總里程為8.742 km。全線挖方數(shù)量：土方55 325 m3，平均 6 329 m3／km；石方 129 091 m3，平均14 767 m3／km。開挖土石方量共計184 416 m3，平均 21 100 m3／km。

據(jù)統(tǒng)計七處在建和已建成山地風電場，土石方開挖量平均達19 m3／km，整體開挖量均較大，將會引起水土保持難度加大、生態(tài)環(huán)境破壞加重等相關(guān)問題，并將直接導(dǎo)致工程造價大幅增加。

由此，在運輸方式一定的情況下，優(yōu)化道路設(shè)計參數(shù)將會成為降低道路工程造價的一種方式。采用AutoTURN轉(zhuǎn)彎模擬軟件能較快速、方便地進行輔助優(yōu)化，進而節(jié)約工程造價，具有一定的實用價值。

3 結(jié) 論

（1）AutoTURN轉(zhuǎn)彎模擬軟件可以快速、準確地模擬各種運輸車輛的平曲線轉(zhuǎn)彎半徑和路面加寬值，并能以直觀的形式表達出來。

（2）AutoTURN轉(zhuǎn)彎模擬軟件可以檢驗已設(shè)計完成的道路轉(zhuǎn)彎半徑和加寬值是否滿足現(xiàn)有運輸車輛的運輸要求。

（3）在滿足車輛安全運輸?shù)那疤嵯?，通過減小路面加寬值，節(jié)約工程造價，對工程建設(shè)具有一定的實用價值。