如何设计低风速风电场风场道路？

     作者：张毅 

    为了充分利用低风速地区的风力资源．国内很多风电主机厂家已经开发了一批适合我国低风速风场特点的风力发电机组，以解决该区域风能利用率低、风力不稳定等问题。通过对比不难发现，适用于低风速地区的风机叶片长度都比以往同级别机型的叶片长度增加了许多，例如，远景能源的1.5 MW低风速型风力发电机，最大的叶轮直径达到100 m．单片叶片长度达到48.8 m; 2.0 MW机型的叶轮直径更是达到110 m．叶片长度有53.7m；南车研制出的一款适合2.0 MW低风速机型的叶片，长度更是达到了56.5 m。虽然叶片长度的增加能够较好地提高风电机组捕捉风能的能力，从而提高风场的风能利用率，但叶片的加长也同时增加了道路交通运输的成本，特别是在自然地形较复杂的山区或某些低山地区，叶片加长直接导致了增加道路宽度的要求，道路工程量也随之变大，从而使项目的建设成本提高，又降低了项目的发电效益。本文结合安微某风电场的建设，总结了低风速风电场的道路优化设计，为同类型的风电场的建设提供一定的工程经验。

    1工程概况

    安徽省巢湖附近某风电场总装机规模为49.5MW,安装单机容量为1.5 MW的风力发电机组33台，配套建设一座110 kV升压站。风场场址区内由多条南北向山梁构成，风电场风机主要依靠山脊走势呈南北布置，风电场所在区域以浑圆状低山或丘陵为主，总体上呈现构造剥蚀地形地貌。区域内岩体经湖水长期浸蚀后，岩嘴伸入湖中成为半岛，洼地凹人内陆形成湖湾。场区内地表植被发育，多以松树、低矮灌木和杂草丛为主，地形低缓处地带表层多有残坡积土覆盖，局部岩石裸露。地形海拔高度一般在10～250 m。

    2风机有关资料

    2.1设备资料

    本工程采用的是某风机厂家1.5 MW风力发电机组，该风力发电机组的轮毂高度为80 m，叶轮直径为93 m，单个叶片长度为45.2 m。

    风机需运输的主要设备有机舱、轮毂、叶片以及塔筒。各设备的尺寸和重量参数见表1～3。 

    由表1～3可知，风机机舱一般为超重设备，风机叶片为超长设备。

    2.2道路要求

    ①道路的承载力须达到35~40 kg/cm2；

    ②道路路面宽度不小于4.5 m，路基宽度不小于5.5 m;

    ③道路平均纵坡宜不大于7%，最大纵坡不大于12%。

    道路转弯半径须根据运输车辆尺寸确定。对于超长件（叶片）运输时，要求道路两侧必须没有阻碍物以确保超长件的甩尾可以通过。叶片运输车辆尺寸见表4．示意图见图1。 

    3风场道路设计

    风电场道路主要用于满足风电场建设期的施工和设备运输的通行以及运行检修期的使用，同时还要满足施工期的超长和超重设备的运输要求。

    虽然风场道路的交通量不大，要求车辆通行速度也较低，道路等级并不高，但是由于风机设备的特殊性所决定，对风场道路的通行要求并不低。同时，还要考虑自然条件和社会条件的协调，所以风场道路的设计有它一定的特殊性。目前，国内还没有专门针对风场的道路制定出相应的规则、规范、章程，一般都是根据风场的地形地貌参照风机主机厂家的运输资料、业主相关导则及公路和厂矿道路规范中的类似情况进行设计。总体来讲，风场道路的设计要求在满足安全性、可靠性的前提下，遵循永远于临时相结合、经济合理、因地制宜、节约用地和运行检修方便的原则。对于分期建设的风场，还应兼顾到前后期项目建设的衔接。

    在低风速风电场的道路设计中，由于风场本身的建设条件有限，加上地形往往比较复杂，因此在满足超长叶片运输要求的同时还要做到经济合理、环保节约，这是整个风场道路设计的关键。

    按功能区分，风场道路分为进场道路、进站道路和场内道路3部分。进场道路是从风场附近的已有公路网到场内道路之间的连接道路：进站道路是指进出风场内升压站的对外道路；场内道路是指风场内风机机组之间的内部道路。按相对交通量区分，风场道路一般分为干道和支道。进场和进站道路一般为干道，场内道路按其布置的位置一般有干道，也有支道。

    4路线设计

    4.1进场道路

    进场道路的交通量相对于场内道路的交通量要大些，属于风电场的主要干道。

    4.1.1平面路线

    进场道路路线的选择一般在微观选址阶段完成。该阶段现场路勘时往往比较注重对已有道路的利用，而对施工期和对现有村庄的影响因素考虑不足，导致很多项目在施工开始后经常发生阻工现象，影响项目进度。

    本工程B区的一段进场道路原先考虑利用已有村道进场，但在项目施工期开始后发现该段进场道路的协调难度特别大，导致后来在施工期间不得不对原进场道路进行变更。虽然变更后的进场道路相对于原进场道路路面和路基条件较差，且局部路基还要加宽加固，增加了一部分工程量，但是由于不涉及到村庄，对当地的影响较小，反而加快了项目的进展。变更前后的平面布置见图2。 

    由图2可知，由于进场道路的变更还导致了局部场内道路的变更，增加了额外工作量。

    风场道路的平面线一般由圆曲线和直线构成，圆曲线半径宜采用较大值，但是由于低风速风场的地形限制，采用较大的圆曲线半径往往会增加较大的工程量，增加项目建设成本，所以设计中经常使用极限的圆曲线半径。《厂矿道路设计规范》以及《公路工程技术标准》中规定最低等级道路的圆曲线极限半径为15 m。但风电场的设备运输车辆中，叶片运输车辆属于超长车辆，对于超长车辆的道路圆曲线极限半径和道路宽度需要进行特定分析。所以，确定满足叶片运输车辆要求的道路圆曲线半径和道路宽度，是整个风场道路设计的关键参数。

    叶片的运输车辆一般为牵引车和挂车组合的汽车列车。汽车列车作直线运动时，牵引车和挂车之间没有相对运动。当列车开始转弯时，牵引车前轮偏转，开始做圆周运动，并带动后面的挂车做曲线运动。但它们的转动角速度不同，各自以不同瞬心转动，假设牵引车的转向角不变，则两者最后以共同的瞬心和转向角度做圆周运动（图3）。 

    实际转弯过程中，列车的纵轴线CD与OIC的夹角θ值可能还未达到极值，列车就已经完成了转弯。图4为列车实际转90。弯时的过程示例。 

    由图4可以看出，列车在转弯过程中，挂车的瞬心O2不断向O2接近，同时θ值也在不断减小。牵引车转向中的每个角度a，都有对应的θ值，通过臼值我们就可以绘出列车在转弯过程中的轨迹，从而可以确定列车转弯过程中所需要的道路宽度。θ值可以通过表5查出。 

    根据本工程的叶片运输车辆尺寸，由于a值一般较小，可取0，所以本工程牵引车的最小转弯半径约为23 m，即道路的圆曲线极限半径不宜小于23 m。再根据表5中的θ值，可绘出本工程牵引车极限转弯半径23 m内转过180。时挂车后桥中点的轨迹，如图5所示。

    由图5可以看出，汽车列车所占的路面宽度随θ值减小而增大，当θ减小到极值时或转弯结束时（司机将方向盘迅速打回），汽车列车的路面宽度达到极值。根据图5的轨迹线可以确定出圆曲线半径23 m对应下的各转向角的道路宽度，见表6。 

    同理，可求出圆曲线半径R为30~200 m的道路对应宽度，见表7。 

    由表7可以看出，当转向角度相同时，圆曲线半径越大，列车所需的道路宽度越小；当圆曲线半径相同时，转向角度越小，列车所需的道路宽度越小。因此在平面圆曲线设计时，在地形条件允许条件下，应尽量减小转向角度，同时选择较大的圆曲线半径。

    4.1.2纵坡

    风机机舱一般为风场设备的超重件，也是对道路纵坡要求最高的运输设备。

    风场道路的纵坡一般参照风机厂家的运输手册及《厂矿道路设计规范》的露天矿山道路标准进行设计，目前对风场道路的纵坡要求极限值见表8。 

    在相邻两个纵坡的坡度代数差大于2%时，应设置竖曲线。竖曲线的转弯半径可根据列车长度及叶片的尺寸通过图解法确定。

     由图6可知，低风速风场的超长叶片竖曲线转弯半径要比一般风场道路大，才能确保叶片的运输安全。本工程的竖曲线半径最小值如表10所示。 

    4.1.3路面宽度

    风场道路的路面宽度可按施工期和运行期分开设计。

    施工期的路面宽度可根据《厂矿道路设计规范》中的露天矿山道路标准，根据运输车辆的宽度进行设计，见表11。路肩宽度宜按表12进行设计。 

    运行检修期的永久路面宽度则根据《公路工程技术标准》四级公路的标准进行设计，即双车道路面宽度不小于6.0 m，路肩宽度不小于0.25 m，单车道路面宽度不小于3.5 m，路肩宽度不小于0.5 m。

    在条件允许的前提下，进场道路路面尽量按双车道进行设计。本工程由于条件受限进场道路路面采用单车道设计，施工期路面宽度为4.5 m;而运行检修期不小于3.5 m即可，道路横断面的标准断面见图7、图8。

    为满足叶片的运输要求，对于圆曲线半径R小于200 m转弯段，施工期的路面宽度还须根据表7中的最小道宽度值进行内侧加宽二本工程的道路路面内侧加宽值见表13。 

    4.2进站道路

    进站道路的长度一般较短，但也属于风电场的主要于道，其功能主要为满足运行检修和进出升压站使用。施工期一般不考虑超长和超重设备通行，所以可参照《公路工程技术标准》中的3级或4级公路标准进行设计。

    进站道路的选线应尽量考虑进出升压站以及运行期的检修方便。道路的圆曲线半径、纵坡及道路路面宽度的要求可按照《公路工程技术标准》中的相关标准进行设计，这里不作具体介绍。

    4.3场内道路

    场内道路主要为连接各风机之间的内部路，按其布置的位置也可分为干道和支道。

    场内道路的平面选线一般尽可能地在风机间使用直线，尽量减少使用圆曲线。当个别风机机位位于局部独立的山顶时，可单独设计一条支道，这样即可确保干道的通行，又可避免因个别风机而造成整个干道的工程量增大。图9为本工程局部路段的平面图。由于F29号风机附近地形较陡，在平面选线时如果将干道布置到F29号风机，必然带来较大的工程量，设计优化时将F29和F30号风机之间单独设计了2条支道。虽然这样增加了整个风场的道路路径，但是避免了增加整个干道的工程量。 

    场内道路的圆曲线半径、纵坡和路面宽度的要求同进场道路的设计标准一致，具体要求见表7～13。

    场内道路的长度一般指风场道路中最长的、占风场道路中比重最大的，也是对整个风电场道路工程量影响最大的部分。所以设计时应该用更多的耐心和时间去完成。

    5路基路面

    风场道路的路基可参照《公路工程技术标准》和《公路路基设计规范》进行设计；路面可参照《厂矿道路设计规范》和《公路工程技术标准》进行综合设计。

    5.1路基横断面

    路基横断面的形式一般根据挖填情况分为开挖路基（路堑）、填方路基（路堤）和半挖半填路基（半路堑半路堤）3种形式。开挖路基须设置边沟，必要时还要设置截水沟；填方路基根据情况设置边沟和截水沟。

    路基的宽度主要根据路面的宽度及路肩的尺寸进行确定。对于转弯处应根据相应的加宽值进行加宽。本工程风场道路的路基宽度为5.5 m，路基加宽值应根据表13确定。

    路基的高度应根据项目的现场情况确定，一般应高于丰水期的地面积水即可。对于沿河及受水浸淹的路基，应高于设计洪水位0.5 m以上。为利于排水，路基的最小填方高度宜不小于0.5 m。

    路堑的边坡主要由风场的工程地质、排水和开挖边坡高度等条件综合确定。根据开挖岩土的类别将路堑分为土质路堑和岩质路堑。土质路堑的边坡高度一般不超过20 m,岩质路堑的边坡高度不超过30 m，开挖的坡率见表14～15；当挖方边坡较高时，可根据不同的土质、岩石性质和稳定性要求开挖成折线式或者台阶式边坡，边沟外侧应设置碎落台，宽度不宜小于0.5 m；台阶式边坡中部应设置边坡平台，平台宽度不宜小于2m。 

    本工程的岩体按Ⅳ类考虑，边坡坡率为1:0.5~1:1。路堑典型断面见图10。

    路堤的边坡主要由填料的物理力学性质结合路基基底的工程地质、排水和填方高度等条件综合确定。根据填料的类别分为填土路堤和填石路堤，应优先考虑采用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料的填土路堤。但低风速风场很多位于山区、低山地区，为充分利用挖方路基的石料，因地制宜，经常使用填石路堤。用于路堤填筑的石料应符合《公路路基设计规范》中的相关要求。填方路堤的压实质量一般用压实度进行控制，而填石路堤的压实质量宜用孔隙率作为控制指标。填土和填石路堤的边坡高度一般不宜超过20m,填筑坡率见表16和表17，质量控制指标见表18和表19。当填方高度较高时，可在边坡中部设置边坡平台，平台宽度为1～3 m。

     本工程采用的填石路堤、边坡坡率和孔隙率按软质岩石进行控制。路堤典型断面如图1 1所示。 

    由图8、图10、图11可以看出，本工程的道路横断面中结合了电缆沟设计，将电缆沟布置在了路基一侧，这样可以有效利用已有路基的宽度，节约用地。

    路基的防护和排水系统可参照《公路路基设计规范》的相关要求，根据项目的现场情况进行设置。这里不作详细介绍。

    5.2路面

    路面应根据道路的功能、公路的等级结合现场条件进行合理设计。

    风场道路的路面可将施工期和运行期分开设计，施工期的风场道路路面可采用低级路面，如当地改善土路面。运行期的进场和场内道路可采用中级路面，如泥结碎石路面；进站道路可采用高级路面，如混凝土路面。路面等级及面层类型的划分可参见《厂矿道路设计规范》中的第四章相关表格。

    本工程施工期的整个风场道路路面均采用风场路基开挖的山皮石路面，路面山皮石中石料的最大粒径应不大于沉厚的2/3。运行期的进场和场内路面同施工期一样，采用的是山皮石路面：进站道路则采用的是泥结碎石路面。

    总结

    ①在进场道路选线前，应尽可能地将当地的建设条件调查清楚，特别是社会情况的了解。确定方案时应选择对当地村庄和环境影响较小的线路。

    ②圆曲线半径和道路宽度确定，应根据运输车辆尺寸进行计算和绘制挂车的轨迹图。圆曲线设计时应尽可能地减小转向角度和选择较大的圆曲线半径。

    ③对于转弯角度或纵坡较大的路段，应设置安全警示牌，必要时还应设置护栏。

    ④路基的横断面形式应根据现场的地形地质情况，合理设计边坡、平台、边沟及防护，同时可以结合电缆沟的设计，综合布置。

    ⑤路基的加宽值应根据叶片运输车辆转弯时需要的道路宽度确定，同时还应考虑叶片的甩尾影响以及防护栏的形式综合考虑。在施工期结束后，建议采取一些植被恢复措施，减少对当地环境的破坏。

    ⑥对于局部陡坡上的半挖半填路基，如果填方坡脚伸出较远，施工困难时，可根据现场地形、地质情况采取一些护肩、砌石和挡土墙等结构形式，但不宜过长，以免影响整个风场的工程进度。

    ⑦路面的形式应按照施工期和运行期分开设计。结合现场情况，因地制宜地选择合适的路面等级和面层类型。

    ⑧道路的设计是个繁琐和复杂的过程，要做到安全可靠、经济合理需要设计者有足够的信心和耐心。

    7摘要：

    国内已生产出能够充分利用低风速地区风力资源的风力发电机组，以解决该区域风能利用率低、风力不稳定的一些问题。通过对比不难发现，这些风力发电机组的叶片长度都比以往同级别机型的长度增加不少叶片的加长同时也增加了道路交通运输的成本，特别是山区、某些低山地区的自然地形本来就比较复杂，叶片加长直接导致了增加道路宽度的要求，施工工程量也随之增大，从而增加了整个项目的成本，降低了项目的发电效益。文章结合安微某风电场的建设，总结了低风速风电场的道路优化设计，为同类型的风电场的建设提供一定的工程经验。