綠色公路理念在高速公路設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

魯彬彬

摘 要：綠色公路是順應(yīng)我國城市交通發(fā)展趨勢的新興建設(shè)理念，要求公路建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)理念緊密結(jié)合。本研究以某高速公路工程為例，以綠色公路的相關(guān)理論為依據(jù)，從生態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)、資源節(jié)約設(shè)計(jì)、能源節(jié)約設(shè)計(jì)等三個角度探究綠色公路理念在高速公路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用策略，初步預(yù)估該項(xiàng)目的實(shí)踐效果，為我國高速公路建設(shè)事業(yè)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：綠色公路;高速公路;設(shè)計(jì)實(shí)踐

中圖分類號：U412.366文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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

我國目前正處在邁向城市群發(fā)展的時期，城市群與都市圈交通一體化是我國“十四五”規(guī)劃中提出的城市群發(fā)展方向，構(gòu)建高速公路環(huán)線系統(tǒng)是城市群發(fā)展的必然。綠色公路以保護(hù)道路生態(tài)環(huán)境為直接目標(biāo)，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。探究綠色公路在高速公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有助于我國交通系統(tǒng)與生態(tài)建設(shè)的同步發(fā)展。

1 工程概況

本工程全長為262.843 km，途經(jīng)3個市縣，沿線生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，具有良好的自然風(fēng)光，沿途市縣的旅游業(yè)發(fā)展較好。該段工程具備較為優(yōu)越的綠色公路建設(shè)條件，適合進(jìn)行綠色高速公路設(shè)計(jì)，本文以某高速公路工程為例進(jìn)行研究和分析。

2 綠色公路設(shè)計(jì)概述

綠色公路是將自然生態(tài)系統(tǒng)的良好循環(huán)作為公路發(fā)展的前提條件，以生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展與保護(hù)為基礎(chǔ)目標(biāo)，通過規(guī)劃公路的設(shè)計(jì)方案、施工措施、維護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)策略來實(shí)現(xiàn)公路的綠色建設(shè)。綠色公路設(shè)計(jì)的基本原則是提升資源利用效率、科學(xué)處理污水和污染物、保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境;基本特點(diǎn)是節(jié)約能源、減少排污、保護(hù)環(huán)境、生態(tài)效益好[1]。綠色公路設(shè)計(jì)的基本效果是提升交通運(yùn)輸人員即車輛駕駛者的駕駛體驗(yàn)，將社會生活與生態(tài)建設(shè)融為一體，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展。綠色公路必備的品質(zhì)如圖1所示[2]。

3 綠色公路在高速公路設(shè)計(jì)中的實(shí)踐策略

3.1 生態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)

3.1.1 自然性路基設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者要注意坡頂?shù)慕嵌仍O(shè)計(jì)，使弧度更加平滑，形成坡頂—反坡—邊坡流暢一體的整體性結(jié)構(gòu)，與周邊環(huán)境和諧一致。保護(hù)型路塹的坡口線與截水溝之間應(yīng)種植植被，利用植被遮蓋截水溝，提升高速公路視覺效果，因此應(yīng)選用視覺干擾性較強(qiáng)的茂盛灌木。

3.1.2 生態(tài)化排水設(shè)計(jì)。邊溝應(yīng)設(shè)計(jì)為矩形結(jié)構(gòu)，并在上方覆蓋蓋板，形成暗埋式邊溝，將其作為主要結(jié)構(gòu)。某些整體性不強(qiáng)的路段也用淺蝶式排水溝結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合可減少邊坡排水的流速，降低排水中的水土流失，減少車輛在行駛過程中的損耗。

3.1.3 無痕化防護(hù)設(shè)計(jì)。路塹邊坡防護(hù)應(yīng)減少圬工結(jié)構(gòu)的使用比例，選用壓力分散型錨桿與錨索等外觀美觀的設(shè)施掩蓋邊坡內(nèi)的防滑樁，移植周邊的自然植物，用以掩蓋道路兩邊的防護(hù)骨架。

3.1.4 植物栽種設(shè)計(jì)。該地區(qū)土壤表面腐殖質(zhì)豐富，適于各類植被生長?？筛鶕?jù)本項(xiàng)目周邊生長的植物類型及土壤狀態(tài)，選出一些適合該工程區(qū)域公路綠化的植物類型。具體類型如表1所示。

由表1可知，該工程沿線所用植物大多為移栽而來的本地植物，但由于該地區(qū)土質(zhì)較為肥沃，這些植物的成活率較高。成活后，植物能與周圍的生態(tài)環(huán)境融為一體，實(shí)現(xiàn)對高速公路邊坡、格子梁、路塹、立交、中央分離帶等位置的綠化。相較傳統(tǒng)的圬工防護(hù)、利用植物進(jìn)行生態(tài)保護(hù)的模式預(yù)計(jì)可節(jié)約3 000萬元的經(jīng)費(fèi)，使用本地植物進(jìn)行生態(tài)保護(hù)的方式預(yù)計(jì)比由外地購置植物進(jìn)行維護(hù)的模式節(jié)約1 000萬元的經(jīng)費(fèi)。

3.2 資源節(jié)約設(shè)計(jì)

3.2.1 通道資源設(shè)計(jì)。通道資源的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“整體性布局、集約化設(shè)計(jì)”的原則[3-4]，整合利用本工程的隧道路段與共走廊路段的建設(shè)資源，將高速公路建設(shè)與省道、縣道建設(shè)聯(lián)合起來，構(gòu)建高速公路—省道—縣道貫通的交通體系，在節(jié)約資源的前提下切實(shí)解決周邊居民的交通出行問題。

3.2.2 土地資源設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目中的土地資源設(shè)計(jì)主要目的是盡量不占用和保護(hù)周邊農(nóng)田資源，在能合理規(guī)避的情況下予以規(guī)避，減少高速公路分隔土地的現(xiàn)象，防止高速公路建設(shè)加大農(nóng)民勞作成本，降低農(nóng)民為前往耕地而擅穿高速公路的行為發(fā)生率。在耕地連綿、難以繞行的情況下，要建設(shè)高架橋跨越耕地，保護(hù)耕地資源。

施工時的取棄土場要選在公路視野之外的荒野山地，將取棄土工作與土地改造工作相結(jié)合，本工程利用這一模式復(fù)墾耕地約42萬m3。隧道區(qū)域路段需要將山體作為取土場，降低取土、借土的成本。

為順應(yīng)綠色公路的建設(shè)理念，本工程的項(xiàng)目建設(shè)以高效利用資源為基本原則，將原本應(yīng)設(shè)置于15處地點(diǎn)的隧道管理中心集中設(shè)置于同一地點(diǎn)，降低整體的建筑占地面積。同時，可利用建設(shè)路基擋土墻、降低護(hù)坡道寬度等方式避讓耕地區(qū)域，采用盡量節(jié)約資源的方式提升項(xiàng)目建設(shè)的合理性。

本工程建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)為7.725 0 hm2/km，預(yù)計(jì)實(shí)際用地為5.521 6 hm2/km，遠(yuǎn)低于建設(shè)項(xiàng)目用地指標(biāo)，可有效實(shí)現(xiàn)土地資源的合理利用。

3.2.3 全壽命周期成本設(shè)計(jì)。本工程中存在一個高度差達(dá)580 m的大高差地形，將高線位與低線位模式對比分析，以選用較為適合的建設(shè)模式。其中，高線位模式預(yù)計(jì)可減少2 454 m的隧道長度。在20年的使用周期中可降低隧道運(yùn)營中的電費(fèi)成本4 600萬元、燈具安裝及更換成本2 500萬元、維護(hù)及維修費(fèi)用6 800萬元。雖然高線位模式會增加各類成本3 700萬元，但考慮到地形限制與安全性因素，還是應(yīng)采用全壽命成本較低的高線位模式。

3.3 能源節(jié)約設(shè)計(jì)

3.3.1 太陽能光伏發(fā)電設(shè)計(jì)。太陽能光伏發(fā)電是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的清潔能源發(fā)電裝置，適用于本工程的項(xiàng)目建設(shè)。本項(xiàng)目所處地區(qū)具有較為穩(wěn)定且豐富的太陽能資源，使用太陽能光伏發(fā)電的收益較高。沿線互通區(qū)域與服務(wù)區(qū)附近的外場監(jiān)控設(shè)備較多，利用太陽能可為這部分設(shè)備供電起到較好的效果。本項(xiàng)目擬采用太陽能發(fā)電設(shè)備，預(yù)計(jì)節(jié)約高速公路沿線熱水供應(yīng)與用電供應(yīng)成本約1 250萬元。太陽能光伏發(fā)電的預(yù)期效果如圖2所示。

3.3.2 風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)與建設(shè)電源系統(tǒng)是本項(xiàng)目節(jié)約能源的主要手段。風(fēng)能是太陽能的另一種轉(zhuǎn)化形式。受不同地表環(huán)境和太陽輻射的影響，地球不同區(qū)域會產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致空氣的宏觀流動現(xiàn)象，從而產(chǎn)生風(fēng)能。風(fēng)能與太陽能都屬于不穩(wěn)定的綠色能源，天氣對其影響較為顯著。風(fēng)光互補(bǔ)電源同時以風(fēng)能與太陽能為能量來源，能夠有效提升電源穩(wěn)定性，降低本項(xiàng)目公路的能量短缺風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)以Ⅲ類太陽能為主要資源，所在地風(fēng)速高于3 m/s的時間共計(jì)約3 000 h?；诖?，本項(xiàng)目擬采用8臺0.3 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、24塊0.11 kW的多晶硅太陽能電池板作為電能收集設(shè)備，以24只200 A·h/12 V的密封閥控免維膠體蓄電池為電池組，用以存儲電源。風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)并不獨(dú)立作為整個項(xiàng)目的供電系統(tǒng)，而是作為整體供電系統(tǒng)的主要組成部分，主要為公路路燈、監(jiān)控設(shè)備等日均耗電量較低的設(shè)備提供電能。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較為顯著的節(jié)能效果。

3.3.3 隧道照明設(shè)備設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目部分路段跨越山區(qū)，共存在6個山區(qū)隧道結(jié)構(gòu)，其節(jié)能設(shè)備是指隧道內(nèi)的發(fā)光二極管（LED）照明設(shè)備及其供電系統(tǒng)。綜合前文研究成果，隧道LED設(shè)備的供電系統(tǒng)選用風(fēng)光互補(bǔ)電源作為主要供電單位，當(dāng)這一來源電源匱乏時選用備用電源作為臨時電源。同時，LED照明設(shè)備具備遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燈具的照明強(qiáng)度，且能量消耗效率更低，更為符合本項(xiàng)目的綠色公路設(shè)計(jì)理念。根據(jù)前期技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果可知，將隧道傳統(tǒng)燈具替換為LED照明設(shè)備，使得6個山區(qū)隧道結(jié)構(gòu)整體節(jié)約340套燈具，預(yù)計(jì)可使設(shè)備成本總體降低264.5萬元。

3.3.4 隧道阻力設(shè)備設(shè)計(jì)。山體隧道中可能存在許多不利于交通行駛的氣體，如瓦斯（CH4）、硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）等。若不保持隧道內(nèi)的通風(fēng)狀態(tài)，則會對隧道結(jié)構(gòu)及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成較大威脅。因此，隧道排風(fēng)系統(tǒng)是高速公路隧道的重要組成部分，節(jié)約其能源可有效控制項(xiàng)目運(yùn)營成本，落實(shí)項(xiàng)目的綠色公路理念。具體而言，本項(xiàng)目在隧道排風(fēng)馬頭門增設(shè)導(dǎo)流板，通過有限元仿真分析調(diào)整導(dǎo)流板葉片數(shù)量，從而有效將局部阻力系數(shù)由1.37降至0.66;在送風(fēng)馬頭門增設(shè)導(dǎo)流板，將局部阻力系數(shù)由2.65降至1.02，有效降低風(fēng)阻。風(fēng)阻的降低預(yù)計(jì)可節(jié)約電費(fèi)125萬元。

4 結(jié)語

本工程以綠色公路為基本設(shè)計(jì)理念，通過自然性路基、生態(tài)化排水、無痕化防護(hù)、植物栽種方法等內(nèi)容的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了生態(tài)保護(hù)的目的，通過通道資源、土地資源、全壽命周期成本、高液限土再利用等內(nèi)容的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了資源節(jié)約的目的，通過太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)光互補(bǔ)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、隧道照明設(shè)備設(shè)計(jì)和隧道阻力設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能源保護(hù)的目的，以此通過綠色公路理念提升高速公路建設(shè)質(zhì)量。

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