山區(qū)風電場新型筒承式風機基礎設計及生態(tài)環(huán)境效益分析

陳曉琳，尹武君，張體強

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在碳達峰與碳中和背景下，加速推進清潔能源發(fā)展是未來中國能源建設的主要路徑和方向。風力發(fā)電在提供清潔能源的同時也帶來一定程度的生態(tài)破壞和水土流失[1-2]。中國幅員遼闊、地形復雜多樣，隨著大容量低風速風機的研制成功，越來越多的山區(qū)風能具備經(jīng)濟上的開發(fā)優(yōu)勢和技術上的開發(fā)條件，成為陸上風電開發(fā)的重點[1,3]。但是，山區(qū)風電場具有地形復雜、海拔高、氣候惡劣和生態(tài)環(huán)境脆弱等特點[4-6]，植被破壞后恢復難度大，在開發(fā)過程中引起的生態(tài)破壞和水土流失尤為突出。下面以重慶市某山區(qū)風電工程為依托，創(chuàng)新性提出適用于陡峻山區(qū)風電場的新型筒承式風機基礎，并對其產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益進行了分析，其研究對建設“生態(tài)風電”創(chuàng)新模式具有重要的意義。

1 山地風電場生態(tài)環(huán)境影響特點

1)生態(tài)環(huán)境脆弱，恢復困難

風電場的生態(tài)環(huán)境影響主要是施工期永久占地和臨時占地對地表原有生態(tài)系統(tǒng)的破壞[7]。風機基礎、升壓站等永久占地將會導致地表植被完全損失，且一般是不可逆的；吊裝場地、施工道路等臨時占地也會一定程度上碾壓地表植被，影響區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度和植物群落組成，使區(qū)域植被生產(chǎn)能力降低。同時，由于山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，植被一旦被破壞則恢復困難[8]。但是，山地風電場建設后植被恢復覆蓋率往往不達標，常出現(xiàn)青山掛白的現(xiàn)象，生態(tài)恢復的代價極高。

2)施工擾動大，水土流失嚴重

風電場基建開挖、臨時堆放土石方等施工活動將不可避免地擾動原有地貌，建設過程中點、線、面擾動并存，施工作業(yè)面大，使原生地表的覆蓋物和土壤結構遭受嚴重破壞，土壤抗蝕性降低，加劇土壤侵蝕強度，且恢復難度大[9]。風電場建設過程中本身會產(chǎn)生大量的土石方，基礎開挖和填筑等施工活動嚴重影響了土層的穩(wěn)定性，進一步加劇水土流失。

2 筒承式風機基礎的特點

2.1 設計依托工程概況

筒承式風機基礎的設計以重慶某山區(qū)風電場工程為依托，該風電場屬于典型的山區(qū)風電場，東側存在高聳陡崖，且存在巖土崩塌失穩(wěn)的不良地質(zhì)作用。風電機組機位需距離東側陡崖滿足一定安全距離，大多數(shù)機位均移動至西側的山坡下。采用常規(guī)方法需向下開挖邊坡形成風機基礎及吊裝平臺，從而導致風電機組機位的東側、東北側、東南側普遍存在約10～30 m左右的高邊坡。常規(guī)風機基礎將會導致開挖面積增大，大量增加土石方開挖量和渣土量，造成嚴重的生態(tài)破壞，且后期恢復難度極大。

2.2 筒承式風機基礎的特點

中國陸上風機基礎主要結構形式包括擴展基礎、梁板基礎、樁基礎、錨桿基礎，其中擴展基礎(如圖1所示)和樁基礎應用最多，但是上述基礎不能很好地解決不同地形高差的風機基礎問題，導致開挖面大、開挖土石方多、生態(tài)環(huán)境破壞嚴重等問題。

圖1 常規(guī)擴展風機基礎

參照重慶地區(qū)吊腳樓建筑及火力發(fā)電廠煙囪特征，針對特殊的陡峻山區(qū)地形特點，首次創(chuàng)新性地提出適用于陡峻山區(qū)地形的筒承式風機基礎，其具體的基礎形式如圖2所示。筒承式風機基礎可分為上、中、下3個部分：上部為圓形承臺，圓形承臺內(nèi)預埋風機塔筒基礎環(huán)或預應力錨栓，圓形承臺頂部為與風機塔筒底部連接的圓柱臺；中部為適應于調(diào)整坡地高差的圓環(huán)筒，圓環(huán)筒位于圓形承臺邊緣下部，圓環(huán)筒與上部圓形承臺采用剛接連接；下部為設置在設計持力層上部、適應于坡地高差調(diào)節(jié)的圓環(huán)形基礎。

圖2 筒承式風機基礎

筒承式風機基礎已在重慶某山區(qū)風電場工程進行應用，共6臺風機(基礎編號為6號、9號、16號、20號、23號、29號機位)采用筒承式風機基礎。

3 筒承式風機基礎的生態(tài)環(huán)境效益分析

風電場在建設過程中對生態(tài)環(huán)境的影響，主要體現(xiàn)風機基礎開挖等施工活動干擾和擾動原地貌，造成植被破壞和水土流失[6]。以重慶某山區(qū)風電場工程為例，將常規(guī)的方案1(大開挖平臺+擴展風機基礎)與所設計的新型方案2(高低吊裝平臺+筒承式風機基礎)就對占地和植被的影響、對土石方開挖量和棄土量的影響以及對水土流失量的影響等方面進行比較分析。

3.1 對占地和植被的影響

風電場風機基礎占地屬于永久占地，永久占地面積將對原有植被造成破壞，改變原有土地利用類型。現(xiàn)將方案1與方案2的永久占地面積、生物損失量進行對比分析，如表1和表2所示。

表 1 筒承式風機基礎和擴展風機基礎永久占地面積對比

表 2 筒承式風機基礎和擴展風機基礎生物量損失量對比

由表 1可知，6臺風機機組均采用方案2，較常規(guī)的方案1可有效減少因風機基礎及平臺施工開挖面積和永久征地面積，減少面積高達8896 m2，減少比例為36.2%。

風電場建設對植被的影響主要集中在建設過程中，永久占地和臨時占地對植被造成破壞，尤其是風礎永久占地將直接破壞地表植被，導致植被完全損失[10]。由表 2可知，方案2的永久和臨時擾動地表面積更少，永久和臨時占地造成的生物損失量較方案1分別減少106.85 t、172.08 t，總損失量較方案1減少43.1%。由此可見，相同地形條件下，筒承式風機基礎減少擾動地表優(yōu)勢明顯，在控制水土流失方面效果更佳，更有利于項目區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護。

3.2 對土石方開挖量和棄土量的影響

對采用方案1與方案2的土石方開挖量和棄土量變化情況進行對比分析，說明新型基礎在減少土石方工程量的優(yōu)勢，計算結果見表 3。

表 3 筒承式風機基礎和擴展風機基礎開挖量和棄土量對比分析表

由表 3可知，6臺風機機組均采用方案2較常規(guī)的方案1可有效減少因風機基礎及平臺施工開挖的土石方量(300 695 m3)，減少比例為73.2%。通過分析不同基礎形式棄土量可以看出，采用筒承式風機基礎后，風機及風機平臺棄土量減少303 860 m3，減少比例為75.1 %。從生態(tài)環(huán)保角度分析，土石方開挖量和棄土量的減少，從根源上減少了水土流失的來源，有利于水土保持和生態(tài)環(huán)境保護。同時，棄土量的減少可減少工程棄土場的數(shù)量，進而減少因布置棄土場擾動地表和破壞植被的面積，達到減少水土流失、保護生態(tài)環(huán)境的目的。

3.3 對水土流失量的影響

結合重慶某山區(qū)風電場工程區(qū)域地形地貌特征、土壤質(zhì)地和植被覆蓋情況等情況，按照SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級標準》土壤侵蝕強度分級表，水土流失強度以輕度、中度為主。根據(jù)SL 773—2018《生產(chǎn)建設項目土壤流失量測算導則》推薦公式計算方案1與方案2的水土流失量見表 4。

表4 筒承式風機基礎和擴展風機基礎水土流失量對比分析

由表 4可知，6臺風機機組采用方案1和方案2水土流失總量分別為174 t、110 t，新增水土流失量分別為116 t、73 t，方案2較方案1的水土流失總量和新增流失量減少比例分別為36.8%、37.1%。這主要是筒承式風機基礎貼合陡峻地形的特點進行了高低基礎和高低平臺的設計，有效減少了地表擾動面積和土石方開挖量，從而大大減少了水土流失量，在控制水土流失方面有積極作用。

4 結 論

新型筒承式風機新型基礎與傳統(tǒng)的擴展風機基礎相比，有效減少了風機基礎永久和臨時占地面積，降低了植被破壞和生物損失量，減少了土石方開挖量和棄土量，從而減小了水土流失量，實現(xiàn)了對生態(tài)環(huán)境的最小影響。新型筒承式風機基礎，主要適用于地形復雜、生態(tài)環(huán)境脆弱、植被恢復困難的陡峻山區(qū)風電場，該風機基礎的創(chuàng)新設計改善了生態(tài)環(huán)境影響，有效緩解了山區(qū)風電工程建設的痛點和難點，為建設“生態(tài)風電”提供了良好的示范。