AutoTURN在西南山地風電場道路設計中的應用

任臘春，許海楠，柴 亮

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

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

近年風力發電項目大規模開發，對于風力發電建設十分有利的地形資源日益緊張，陸上風電場類型正向丘陵、山區等風資源較好、但工程建設相對投資大幅增加的區域推進［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，隨著技術的進步，現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，相應地就要求提高道路參數。

道路平曲線半徑一般是由葉片的長度尺寸和運輸方式決定。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；應用特殊運輸車輛（可在豎直方向調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］。

通過對目前國內常用運輸方式的調查，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按平曲線的內外彎情況區別考慮，現場實際地形情況包括全挖方型內彎、內填外挖型內彎、內挖外填型外彎、全填方型外彎的兩大類四種彎道［4］。

AutoTURN軟件作為車輛轉彎模擬軟件，在國外應用很廣，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彎的情形，進而檢驗道路的通過性，這就提高了道路設計的準確性，也避免了后期設計反復修改，節約了設計成本。該軟件可以用于指導山地風電場道路的設計，為設計人員選擇道路設計參數提供了一定的參考性。

AutoTURN軟件得到了全球67個國家設計師的肯定，可以自動完成車輛轉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、建筑師和規劃師首選的車輛掃描路徑分析軟件［6］。

1 平曲線參數模擬計算

1.1 通過AutoTURN模擬道路平曲線參數

結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。考慮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彎半徑。根據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 通過汽車轉彎半徑分析模型計算平曲線參數

參考相關文獻［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′為牽引車前端轉彎半徑；R為平曲線半徑；r為半掛車后端回轉徑；W為道路寬度。計算結果見表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計，設計速度15 km／h，路基寬度4.5 m，路幅構成為0.50 m路肩+3.5 m路面+0.50 m路肩，平曲線彎道不設加寬的最小半徑為250 m。根據風電場道路設計相關經 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，據此可推斷，當得知車輛尺寸信息后，用任一種方法均可以得到該車輛的轉彎半徑和對應的加寬值。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彎半徑對應的加寬值，同時也可以篩選出合適尺寸的車輛來進行風機設備的運輸。

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

目前山地風電場道路設計沒有建立統一的規范和標準，各個設計院采用的平曲線半徑、路面加寬值等參數均不一致。由此，采用AutoTURN轉彎模擬軟件，對現有運輸車輛建立模型，模擬其運輸路徑，能準確、快捷、方便地檢驗道路設計參數的合理性。

2 結合實際工程分析道路工程量

根據設計資料，該在建山地風電場支線道路設計線路總里程為8.742 km。全線挖方數量：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。

據統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、生態環境破壞加重等相關問題，并將直接導致工程造價大幅增加。

由此，在運輸方式一定的情況下，優化道路設計參數將會成為降低道路工程造價的一種方式。采用AutoTURN轉彎模擬軟件能較快速、方便地進行輔助優化，進而節約工程造價，具有一定的實用價值。

3 結 論

（1）AutoTURN轉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彎半徑和路面加寬值，并能以直觀的形式表達出來。

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

（3）在滿足車輛安全運輸的前提下，通過減小路面加寬值，節約工程造價，對工程建設具有一定的實用價值。