山区风电场场内道路设计中若干技术指标取值的探讨

山区风电场场内道路设计中若干技术指标取值的探讨摘要：由于目前还没有专门针对山区风电场场内道路设计的规范，设计师在对道路主要技术指标取值上存在较多困惑，尤其是涉及到道路安全运输同时又直接影响经济性的技术指标如路基路面宽度、转弯半径及路面加宽值、最大纵坡等指标的选取，设计师往往难以在参考公路设计规范的同时，又能在安全性、可达性、经济性中找到较好的平衡。本文首先分析风电场场内交通特性，结合众多业内同行取得的研究成果以及通过已建风电场道路证实安全可行的技术标准，对上述若干山区风电场场内道路设计中的技术指标取值进行探讨。关键词：山区风电场道路路基路面宽度转弯半径加宽值最大纵坡0概述山区风电场一般场址偏远，风机分散，地形条件差，绝大部分机位需新建道路连通，所以场内道路投资占比偏高。在保证将风机设备安全运至机位的前提下，通过优化场内道路技术指标，降低道路建设成本，是提升山区风电场经济效益的重要手段。由于目前还没有专门针对山区风电场道路设计的规范，设计师多参考公路路线设计规范和厂矿道路设计规范中四级道路标准以及风机厂家提的道路运输手册并结合已建工程相关经验进行设计。本文首先分析风电场场内交通特性，结合众多业内同行取得的研究成果以及通过已建风电场道路证实安全可行的技术标准，对路基路面宽度、转弯半径及路面加宽值、最大纵坡等技术指标在山区风电场场内道路设计中的取值进行探讨。1山区风电场场内道路交通特性道路设计的核心是依据道路功能确定技术标准。外部交通中等级道路一般须进行总体设计，应按照地区特点、交通特性、路网结构综合分析确定公路功能。根据公路功能，结合交通量、地形条件等选用技术等级和主要技术指标⑴山区风电场场内道路设计时，其道路功能、交通量、地形条件等基本明确并表现出很多与外部交通不同的特性。（1） 道路功能山区风电场场内道路功能主要是保证建设、运行期间施工和运维车辆通行，几乎不考虑用作外部交通道路。所以在设计时，一般不需要考虑其在外部交通网络中发挥作用和产生社会经济效益。（2） 交通量山区风电场场内道路交通量一方面呈现明显不同的时空分布特性。在时间分布上存在白昼交通量悬殊大以及建设期与运行期交通量悬殊大的特点；在空间分布上存在主道路与支路交通量悬殊大的特点。另一方面，从交通量组成来看，几乎全部由各型施工车辆组成，其中以挖掘、吊装和物资设备运输车辆为主，几乎没有行人和非机动车辆。（3） 地形条件山区风电场一般场址偏远，风机分散，地形地质条件差。从经济性考虑，几乎不可能采用桥梁、隧道等构造来应对极端地形条件，所以设计中一般会采用极限线路参数保证道路的安全性和可达性。2路基路面宽度路基路面宽度决定道路挖填方量，直接影响道路的经济性。设计中一般会参考四级公路横断面参数进行设计。山区风电场场内道路计算行车速度一般为15一20km/h，运输超重、超宽设备时，计算行车速度可取5—10km/h，参照四级公路进行设计。规范规定四级公路可设置一条或两条车道，一条车道时宽度为3.5m，两条车道时每条宽度为3m或3.5mS⑵关于山区风电场场内道路路基路面宽度，业内同行做了很多研究，程鹏等通过对风场大件运输设备和大型吊装外形尺寸进行分析，将场内道路分建设和运行两阶段，其中建设期路面宽度3.5m，路基宽度6m；运行期路面宽度3.5m，路基宽度4.5m［3］。姚昕亮将风机机组按照不同单机容量进行分组，根据各组机型尺寸的不同路面宽度分别为4m、4.5m、5m，路基宽度分别为4.5m、5m、5.5m4。廖大荣等认为道路采用单车道设计，路面宽度采用4.5m，路基采用5.5m可满足运输要求丘。张闪林等以2MW风机为例，参考国内既有运输车辆性能以及过往风电场道路设计经验推荐场内道路路面宽度4.5m，路基宽度采用5.5m⑹。罗建国认为综合考虑山区地形和道路路基可靠性，以及少量小型车错车的需要，路面宽度以5m为宜，路基宽度为5.5m或6m，在特别困难地段，直线段可采用4.5m路基宽度⑺。山区风电场交通量较小，设计车速慢，影响路基路面宽度的决定因数是超宽设备运输车辆或大型施工车辆的外形尺寸，并且这些车辆的外形尺寸变化并不会太大。综合来看，业内同行通过研究或参考过往山地风电场道路设计经验，倾向于设置单车道，路面行车道宽度采用3.5m—5m，路基宽度采用4.5m—6m，局部困难地段可适当降低标准，通过设置错车道解决错车需求。3圆曲线半径及道路加宽值圆曲线半径及道路加宽值是超长件运输成败的关键。圆曲线半径或及道路加宽值取值过小，会导致超长件运输无法通过极限弯道；取值过大，虽然能保证超长件运输，但是道路弯道处填挖方量可能大幅增加。规范规定四级道路最小圆曲线半径一般值为30m，极限值为15muH2］。针对风电场超长件运输常用车型，规范并没有给出相应的道路加宽值。关于运输道路转弯半径与路面加宽值的计算，常用数学模型计算法或模拟过弯试算法。比如姚昕亮将风机机组按照不同单机容量进行分组，通过建立运输车辆过弯数学模型，计算得到750kW级、1500kW级、2500kW级三个组别不设加宽值的最小转弯半径和设加宽值的最小转弯半径及对应加宽值⑷。任腊春等以2500kW的风机机型为例，利用AutoTRUN软件模拟运输车辆过弯得到平曲线转弯半径及对应加宽值⑻。风电场运输最长件为风叶，由于目前山区风电单机容量从2.5MW—5MW不等，再考虑不同供货厂家的因素，风叶长度变化较大。本文给出一种风叶运输道路转弯半径与路面加宽值计算的数学模型。由于风叶长度大，部分伸出运输车辆外。为避免运输过程中道路两侧山体或其他障碍物与风叶擦挂而破坏设备，应对车辆过弯时扫尾面积内的通过性进行考虑。基于该点，风叶运输道路转弯示意如图1所示。图1风叶运输道路转弯示意图当弯道为外弯、填方型，或者弯道为挖方型，但半挂车后轴至风叶尾尖的长度小于后轴至半挂车前沿长度时，此时半挂车前沿为过弯控制点，不需考虑风叶扫尾。道路转弯半径与路面加宽值数学模型如公式1所示。（公式1）当弯道为挖方型且半挂车后轴至风叶尾尖的长度大于后轴至半挂车前沿长度时，此时风叶尾尖为过弯控制点，这里假设道路外缘即为边坡或其他障碍物。道路转弯半径与路面加宽值数学模型如公式2所示。-■■■''■■■-（公式2）式中，，•.：为道路设计中线半径；」为道路设计宽度；』.•为路面加宽值；：为半挂车宽度；：••为半挂车前沿至后轴长度；为半挂车后轴至风叶尾尖的长度。在进行山区风电场场内道路设计时，设计人员可根据已拟定的设备、道路和运输车辆参数通过该道路转弯半径与路面加宽值数学模型计算得到不设加宽值的最小转弯半径和各转弯半径下的路面加宽值。4最大纵坡场内道路的纵坡过大会导致运输超重件车辆爬坡困难，纵坡过小一方面会导致道路挖填方量增加，另一方面会导致边坡坡面高度加大，支护成本增高。规范规定新建四级道路设计车速20km/h时最大纵坡不超过9%，在工程艰巨的山岭重丘区，最大纵坡可增加1%，辅助道路最大纵坡可增加2%，但位于海拔2000m以上或积雪冰冻的路段，不能超过8%皿刃。姚昕亮通过对风机机组和海拔高度分类，分别选用适宜的车型，计算了各组机型在不同海拔区段的不借助牵引辅助的最大纵坡坡度，其中2500kW机组在0—500m海拔高度内最大纵坡13.3%，在2500—3000m海拔高度内最大纵坡8.3%土罗建国在其研究中提出在山区风电场道路设计中主干路最大纵坡可采用14%，而在支路和局部特殊展线困难路段可增大到18%，在纵坡大于14%的路段可采用混凝土、沥青结构增大路面摩擦力或通过装载机对设备运输车辆进行辅助牵引来实现爬坡卫。蔡湘雯等根据以往风电场项目经验提出场内主干路最大设计纵坡12%，特殊困难情况下15%，风机支路最大设计纵坡14%，特殊困难情况下17%9。从以上及其他未一一列举的研究成果来看，经在工程中证实的能确保安全运输的风电场主干路最大纵坡可至14%，支路最大纵坡可至18%。山区风电场建设高峰期，尤其是超重件的运输可以选择避开雨季和冬季，在气温状况良好的时段进行。同时针对超重件车辆爬坡牵引力不足的问题，工程上较多采用“前拖后推”辅助牵引的解决方案。5结语从以上分析可以看出，鉴于风电场超长、超宽和超重设备运输的特殊性，风电场场内道路设计对一些主要技术指标的取值不能够照搬道路线路设计规范，而应该从本项目实际出发，结合风电设备和运输车辆尺寸、地形条件综合确定。其中路基路面宽度推荐设置单车道，路面行车道宽度采用3.5m—5m，路基宽度采用4.5m—6m，局部困难地段可适当降低标准，通过设置错车道解决错车需求；转弯半径及路面加宽值可根据已拟定的设备、道路和运输车辆参数通过数学模型或模拟车辆过弯软件计算；通过借助辅助牵引，最大纵坡主干路最大可至14%，支路最大可至18%。参考文献1.JTG_D20-2017公路路线设计规范[S].北京：中华人民共和国交通运输部，2017.2.JBG22-87厂矿道路设计规范[S].北京：中华人民共和国交通运输部，1987.3.程鹏，张志强.风电场道路技术参数的研究[J].武汉大学学报（工学版），2011.4.姚昕亮.风电场道路设计研究[D].杭州：浙江大学，2013.5.廖大荣，李杰