沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)及要點(diǎn)分析

關(guān) 元 淵

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)及要點(diǎn)分析

關(guān) 元 淵

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001)

分析了風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)道路產(chǎn)生的危害，結(jié)合實(shí)際工程，闡述了沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路的選線思路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并介紹了防治沙害的措施，為同類型風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)提供借鑒。

沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)沙，道路設(shè)計(jì)，路基防護(hù)，沙害防治

0 引言

隨著全球能源的緊缺，對(duì)風(fēng)能的利用逐漸成為全球各國(guó)的重要議題，風(fēng)能也成為發(fā)展最快的可再生清潔能源。風(fēng)能發(fā)電具有多方面的優(yōu)勢(shì)，如消耗物資能源較少、對(duì)環(huán)境影響較小以及建設(shè)方式與選址靈活等。在我國(guó)相關(guān)部門(mén)對(duì)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的大力扶持下，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電得到了迅猛的發(fā)展，已成為供電網(wǎng)中重要的組成部分。我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富。尤其是“三北”地區(qū)，風(fēng)能資源極為豐富，近年來(lái)在“三北”地區(qū)開(kāi)展的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目也越來(lái)越多。同時(shí)，我國(guó)是一個(gè)多沙漠的國(guó)家，沙漠總面積約占全國(guó)陸地總面積的6.8%左右，主要分布在新疆(40.4%)、甘肅(6.6%)、內(nèi)蒙古(5.2%)、寧夏(4.1%)、青海(3.5%)、吉林(1.8%)、遼寧(1%)、陜西(0.9%)與黑龍江(0.2%)等九個(gè)省(區(qū))，沙漠總面積約70余萬(wàn)平方千米。主要沙漠、沙地有：塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠、烏蘭布和沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、柴達(dá)木盆地沙漠、庫(kù)布齊沙漠、毛烏素沙漠、小騰格里沙漠、科爾沁沙地及河西走廊沙地。本文結(jié)合內(nèi)蒙古通遼市某風(fēng)電場(chǎng)，從風(fēng)沙對(duì)公路的危害入手，對(duì)沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路路線設(shè)計(jì)及其要點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

1 風(fēng)沙對(duì)公路的危害

我國(guó)沙漠主要分布在北方干旱、半干旱地區(qū)，地表往往生成風(fēng)積沙堆、沙壟及沙丘等風(fēng)沙堆積地貌。沙漠地區(qū)氣候干燥，雨量稀少，風(fēng)沙大，地表植被稀疏、低矮。沙漠地區(qū)道路路基容易發(fā)生邊坡或路肩被風(fēng)蝕而遭破壞或整個(gè)路基被風(fēng)積沙掩埋等現(xiàn)象。風(fēng)沙地區(qū)的公路病害主要是沙埋和風(fēng)蝕。

1.1 沙埋

1.1.1 沙埋原因

公路沙埋主要有兩種情況，其一是由于風(fēng)沙流通過(guò)路基時(shí)，由于風(fēng)速減弱，導(dǎo)致沙粒沉落、堆積、掩埋路基；其二是由于沙丘移動(dòng)上路而掩埋了路基。

1.1.2 沙埋類型

1)片狀沙埋：主要發(fā)生在風(fēng)沙流活動(dòng)的地區(qū)，形成較迅速，沙埋面積較大；初期積沙較薄，通過(guò)養(yǎng)護(hù)尚能維持通車(chē)，如沙源豐富，積沙日益增厚，則會(huì)阻斷交通。2)舌狀沙埋：在流動(dòng)沙丘地區(qū)，當(dāng)公路路線與沙丘走向橫切時(shí)，可形成舌狀沙埋；同時(shí)在風(fēng)沙流活動(dòng)地區(qū)，當(dāng)路基上風(fēng)側(cè)有障礙物時(shí)，也會(huì)形成舌狀沙埋。舌狀沙埋的厚度較大，形成迅速，一場(chǎng)大風(fēng)即可使交通中斷。3)堆狀沙埋：沙丘在風(fēng)的作用下移動(dòng)上路，造成大量的沙子堆積，形成堆狀沙埋，主要發(fā)生在流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘地區(qū)。堆狀沙埋的發(fā)展形成較慢，能夠預(yù)測(cè)，可以預(yù)防，但一旦形成，因積沙量大，危害嚴(yán)重，處理起來(lái)往往比較困難。

1.2 風(fēng)蝕

風(fēng)蝕是路基在風(fēng)沙的直接吹蝕下，路基上的沙?；蛲亮１伙L(fēng)吹走，出現(xiàn)路基削低、掏空和坍塌等現(xiàn)象，從而引起路基的寬度和高度減小。風(fēng)蝕的程度與風(fēng)力、風(fēng)向、路基形式、填料組成及防護(hù)措施有關(guān)。

1.2.1 路堤

當(dāng)全年主導(dǎo)風(fēng)向與路線走向正交時(shí)，公路迎風(fēng)側(cè)的路肩及邊坡上部風(fēng)蝕較嚴(yán)重，背風(fēng)側(cè)則較輕。當(dāng)全年主導(dǎo)風(fēng)向與路線走向平行時(shí)，公路兩側(cè)的路肩及邊坡上部均易遭受風(fēng)蝕。

1.2.2 路塹

路塹邊坡的風(fēng)蝕一般均較嚴(yán)重，風(fēng)蝕程度則隨路線與主導(dǎo)風(fēng)向的交角而有所不同。當(dāng)風(fēng)向與路線平行時(shí)，兩側(cè)坡面多風(fēng)蝕成條溝狀；當(dāng)風(fēng)向與路線正交時(shí)，迎風(fēng)坡面的局部地方則易被掏空成犬牙狀。

2 路線設(shè)計(jì)及要點(diǎn)分析

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的道路是為了風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)及建成投產(chǎn)后的運(yùn)行檢修服務(wù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的位置決定了風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部道路的走向。

結(jié)合沙漠地區(qū)特殊的地貌類型及風(fēng)資源情況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布置基本以矩陣布置為主，從而決定了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)道路布置的基本格局也是橫平豎直的矩陣布局。

2.1 總體選線原則

內(nèi)蒙古通遼某風(fēng)電場(chǎng)東西長(zhǎng)約12 km，南北寬約8 km，區(qū)域內(nèi)為沙堆、沙壟及沙丘等風(fēng)沙堆積地貌，植被稀疏、低矮。區(qū)域標(biāo)高在260 m～280 m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn))之間，相對(duì)高差較低。

由于區(qū)域地形平坦，相對(duì)高差較小，周邊無(wú)高大障礙物，所以對(duì)丘陵、山地風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)造成較大甚至是決定性影響的道路最大縱坡、最大縱坡限制坡長(zhǎng)、轉(zhuǎn)彎半徑等道路設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)對(duì)此種類型的風(fēng)電場(chǎng)影響很小，并非需要重點(diǎn)考慮的因素。沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)所考慮的主要問(wèn)題是沙埋與風(fēng)蝕，兩者當(dāng)中又以沙埋為主。所以，沙漠地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)道路路線選擇時(shí)應(yīng)注意下列問(wèn)題：1)在路線通過(guò)嚴(yán)重流沙地段時(shí)，要綜合考慮施工、養(yǎng)護(hù)、營(yíng)運(yùn)等因素，做好方案比較。當(dāng)路線繞行長(zhǎng)度不多，工程量增加不大時(shí)，要盡量繞開(kāi)嚴(yán)重的流沙地段，以免對(duì)風(fēng)電場(chǎng)后期運(yùn)行維護(hù)造成嚴(yán)重影響。2)路線要盡可能選擇在沙害較輕的地帶通過(guò)，如河岸、湖岸、鹽漬土分布的地帶，以及地下水溢出地帶，大山或高地的前緣背風(fēng)地帶等。3)路線穿過(guò)流沙地區(qū)時(shí)，要注意用最短的距離通過(guò)，利用沙丘的背風(fēng)面和風(fēng)蝕洼地通過(guò)。4)路線走向要盡量與風(fēng)電場(chǎng)的全年主導(dǎo)風(fēng)向大致平行，這會(huì)減少很多的養(yǎng)護(hù)工作量，降低養(yǎng)護(hù)成本。5)路線平面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量少用圓曲線，避免使用小半徑圓曲線。當(dāng)出現(xiàn)曲線段時(shí)，曲線段部分宜采用路堤方案，并將彎道外側(cè)朝向全年主導(dǎo)風(fēng)向。

2.2 縱斷面分析與路基橫斷面設(shè)計(jì)

為減少沙埋對(duì)風(fēng)電場(chǎng)道路造成的影響，在路線縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)高度的路堤方案，不填不挖及路塹方案都容易積沙。

當(dāng)路線與全年主導(dǎo)風(fēng)向正交時(shí)，隨著路堤高度的增加，風(fēng)速加強(qiáng)，因此，較高的路堤一般不會(huì)遭受沙埋危害；當(dāng)路線與全年主導(dǎo)風(fēng)向平行時(shí)，由于路堤較高，路基表面光滑，路基頂部風(fēng)速較兩側(cè)沙地表面風(fēng)速大，所以同樣積沙情況較少；但是隨著路堤高度的增加，風(fēng)蝕程度也會(huì)加劇。

路堤的高度不應(yīng)低于0.3 m，一般以1 m左右為宜。同時(shí)，在沙丘起伏地區(qū)，路堤高度要比路線兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)沙丘的平均高度高出0.3 m～2.0 m。

為防止路基風(fēng)蝕，低路堤(不大于1 m)的邊坡坡度較緩，在1∶3～1∶10之間為宜，這樣路基兩側(cè)可以不作或者少作防護(hù)工程措施，節(jié)約工程造價(jià)；而高路堤(大于1 m)邊坡坡度在1∶1.5～1∶2之間為宜，同時(shí)路基兩側(cè)需設(shè)置一定的防護(hù)措施，以防風(fēng)蝕。

當(dāng)無(wú)法避免而產(chǎn)生路塹時(shí)，也應(yīng)避免采用長(zhǎng)度大于30 m和深度大于6 m的路塹。

當(dāng)路塹與風(fēng)向正交時(shí)，路塹內(nèi)風(fēng)力減弱，路塹背風(fēng)坡的風(fēng)力減弱程度更大。由于路塹迎風(fēng)坡對(duì)風(fēng)沙流的阻擋，積沙形成較為迅速，積沙從背風(fēng)坡開(kāi)始，呈舌狀向整個(gè)路基寬度蔓延；當(dāng)路塹與風(fēng)向平行時(shí)，一般塹內(nèi)無(wú)積沙，只是進(jìn)出口處形成漏斗形狀的片狀積沙，危害不大。

路塹的邊坡坡度越緩，積沙越少。為減少積沙，路塹的邊坡坡度控制在1∶5～1∶10之間為宜，同時(shí)應(yīng)使路塹頂部寬度L與路塹深度H的比值盡可能接近20～30的范圍。

路塹示意圖見(jiàn)圖1。

3 路基防護(hù)

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)，維護(hù)檢修頻繁，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部道路的通暢是重中之重。除了在平面選線、縱斷面設(shè)計(jì)及路基橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)要考慮防治沙害外，路基防護(hù)也是不可或缺的防治手段。

為防止路基風(fēng)蝕，可以使用多種材料對(duì)路基進(jìn)行防護(hù)，以保證路基的穩(wěn)定和行車(chē)安全。

3.1 柴草類防護(hù)

使用麥草、稻草、蘆葦、沙蒿、野麻及其他草類，將植物的莖桿砍成30 cm～50 cm的短節(jié)，沿路基坡腳向上每層按5 cm～10 cm的厚度層疊鋪設(shè)、灌沙、搗實(shí)。這種防護(hù)方式材料來(lái)源較豐富，但使用年限短，用量較大。

路基及路塹層鋪柴草防護(hù)路基橫斷面圖見(jiàn)圖2。

3.2 土類防護(hù)

使用粘性土(塑性指數(shù)大于7)沿路基坡腳向上平鋪、夯實(shí)，邊坡處厚度5 cm～10 cm，路肩處厚度10 cm～15 cm。這種防護(hù)方式適用于路基的全面防護(hù)，效果好，但抗沖蝕性能差，如需增加抗沖蝕強(qiáng)度和避免干裂，還需添加一定比例的骨料，例如10%～15%的沙或20%～30%的礫石(體積配比)。

路基與路塹粘土防護(hù)路基橫斷面圖見(jiàn)圖3。

3.3 瀝青防護(hù)

使用80%～90%的風(fēng)積沙混合20%～10%的熱瀝青，直接在邊坡上平鋪、拍實(shí)，厚度5 cm左右。這種防護(hù)措施效果較好，但施工復(fù)雜，造價(jià)較高，容易遭破壞。

4 路側(cè)防沙工程

為了從源頭上控制沙害，可以采取多種防治措施，主要有工程和植物兩種措施。其中工程措施可以歸納為固、阻、輸、導(dǎo)等四種類型，見(jiàn)表1。

表1 依據(jù)作用原理劃分的工程防沙體系類型表

工程措施效果好，見(jiàn)效快，但投資較高。各種措施可以單獨(dú)采用，也可以幾種措施配合使用。為了使各種措施經(jīng)濟(jì)有效，必須有總體的布置，使路側(cè)各種防沙措施形成一個(gè)完善的綜合防護(hù)體系。

區(qū)別于工程措施，植物固沙是防治沙害的根本措施，不僅可以降低風(fēng)速，削弱和抑制風(fēng)沙流活動(dòng)，而且由于沙生植物具有發(fā)達(dá)的根系，還能固結(jié)其周?chē)纳沉?，加之枯枝落葉的堆積，有利于有機(jī)質(zhì)的聚積，促進(jìn)沙的成土作用，改變沙地性質(zhì)，使流沙趨向固定。植物起到全面固沙作用后，不僅大大減少了養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)，而且收益與日俱增，比任何工程防護(hù)措施都更為優(yōu)越有效，有條件時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用。

由于風(fēng)電場(chǎng)道路設(shè)計(jì)與施工經(jīng)費(fèi)僅占風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目總投資的2%～4%左右，這也使得風(fēng)電場(chǎng)道路建設(shè)在諸多方面必須考慮經(jīng)濟(jì)投資的限制，選擇適合自身的沙害防治措施也顯得尤為重要。

5 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)“三北”地區(qū)，沙漠、沙地分布廣泛，風(fēng)能資源極為豐富，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益較高。由于特殊的地形地貌，風(fēng)沙活動(dòng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)道路產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。風(fēng)電場(chǎng)道路在設(shè)計(jì)階段就需要從平面選線、縱斷面設(shè)計(jì)、路基橫斷面設(shè)計(jì)等多方面綜合考慮，結(jié)合路基防護(hù)措施并選擇適合自身的沙害防治手段，多管齊下、多種措施并用，力求減少沙埋、風(fēng)蝕對(duì)風(fēng)電場(chǎng)道路造成的危害，保證風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。

[1] 交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，1982.

[2] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Highway design and points analysis of wind-power farm in desert region

GUAN Yuan-yuan

(ShanxiPowerSurvey&DesignInstitute,ChinaEnergyConstructionGroup,Taiyuan030001,China)

The paper introduces the hazards of windy sand activity upon wind-power field, describes the road line selection concept and design points of wind-power farm in desert region by combing with actual engineering, and introduces the wind hazard preventing measures, which has provided some reference for similar road design in wind-power farm.

wind-power farm in desert region, wind sand, road design, subgrade protection, sand hazard prevention

1009-6825(2014)28-0156-03

2014-07-26

關(guān)元淵(1984- )，男，助理工程師

U412

A