摘要：风电场进场道路设计同等级公路相比平曲线要求相对较高，纵坡要求相对比较低，其主要功能是在风电场施工期间担负施工材料及设备运输任务。节省投资、经济实用、施工快捷是风电场道路设计的基本特点，本文即以某工程实例具体分析了舍子源风电场进场道路设计的设计。
关键词：风电场；道路设计；影响因素
引言
当前，我国社会经济发展迅速，环境问题也日益严重。为此，必须加大对新能源的开发力度，其中山区风电场的建设越加频繁。如果山区风电场地形复杂，场内道路的设计就会对施工工期和投资产生影响，这时，设计人员能否做出合理的规划设计就显得尤为重要。
1 道路道路设计主要影响因素
1.1风机道路设备因素
为风机设备提供交通运输条件是风电场道路的主要功能之一，风机设备的尺寸和重量也是风电场道路设计的控制因素。设备的尺寸和重量主要与选择的单机功率有关，目前国内单机功率最常见为1.5 MW、2.0 MW和2.5MW。机舱重量一般在70t左右，塔筒一般分4节运输，最下节重量在60t左右。就尺寸而言风机塔筒长约80m，一般要求厂家不要超过22m，风机叶片在山区运输一般采用特种运输（举升），因而在高度上不能有障碍物，长度上没有风机塔筒那样要求高。因此制约道路设计参数的通常是风机塔筒的长度。
1.2地形因素
一般而言，山区风电场选址受地形、地质条件及环境影响很大。在宏观选址阶段，进场道路需做到交通便利，有利于施工安装和运行管理。在微观选址阶段，风机与场内道路的布置往往会形成相互制约，由于地形、地质条件限制，有时道路会难以满足风机的布置要求。因此，风机选址过程中应充分考虑道路布线的影响，重视边坡、排水、弃土等问题，尽量避免对环境的破坏，减少道路用地数量。
2 进场道路方案的选择
进场道路方案对场内道路的总体布置会产生直接影响，同时也会影响风电场的布局和成本，应进行技术经济比较和方案论证。进场道路方案选择的总体要求是：使风电场对外联系便捷、满足重大件设备运输要求、安全可靠、改造和新建工程量小，同时能兼顾当地政府和附近村民的交通需要。
3 工程实例
3.1工程概况
舍子源风电场位于湖南省永州市新田县境内。舍子源风电场场工程区域地貌类型为中低山，高程700m～1000m。场址距新田县城公路里程约为13km。场址北侧有省道S317、南侧有省道S325、西侧有省道S216、东侧有省道S214等，场区对外交通较为便利。
3.2地形地貌
场址区地形地貌受构造和岩性控制，山势总体走向呈北东向、近东西向，山顶(脊)高程660.00m～955.00m，谷底高程约400.00m，相对高差260.00m～555.00m，属低山地貌类型。山坡地形坡度一般为15°～35°，局部可达45°。山顶(脊)主要为灌木丛、杂草等，植被覆盖率较高。坡脚主要为耕地、水田及村庄。
3.3交通情况
3.3.1场外交通
风电机组设备经S61岳临高速流峰收费站下高速后，经省道S323(约33km)、县道X042(约5km)、县道X093(约12.5km)和村道(约7.5km)可到达场内，共58km。本进场道路省道无需改造，县道和村道局部弯道需改造。
3.3.2场内交通
场内树木植被较茂盛，地形较陡，多为土质边坡，为避免造成场区内植被大面积毁坏，道路设计中尽量采取多挖少填方案，以减少占地，并设置弃渣场集中堆放多余土方。
3.3.3进场道路方案
风电机组设备经S61岳临高速流峰收费站下高速后，经省道S323(约33km)、县道X042(约5km)、县道X093(约12.5km)和村道(约7.5km)可到达场内，共58km。本进场道路省道无需改造，县道和村道局部弯道需改造。
3.4场内改建及新建道路设计
从现场查勘分析，场内无原有道路，本风电场主干路15.686km，支路3.622km，错车道0.5km，进站道路0.036km，总长19.844km。
3.4.1道路平面设计
结合本风场的实际情况及设备厂家提供的设备参数，在风电场内采用特种车道路运输方案，该方案运输最长设备为叶片，对道路平面要求较高，在平面设计时保证行车安全且不增加工程造价情况下，尽量采用较大曲线半径，本工程最小曲线半径为20m。当新建及改造道路平曲线半径≤250m时，在曲线内侧进行曲线加宽，曲线加宽值除按线路规范1类双车道加宽，同时还按满足设备运输对道路宽度要求进行加宽。
3.4.2道路纵坡设计
根据汽车爬坡能力的计算理论,对风电场大件运输车辆最大爬坡坡度的计算方法如下：
（1）汽车驱动轴上的牵引力及行驶时的阻力计算
①汽车驱动轴上的牵引力
大件运输车辆在行驶时必须有足够的驱动力来克服各种行驶阻力,为增大汽车的驱动力,汽车发动机通过变速箱和主传动器的两次降速,将发动机曲轴上的扭矩传到驱动轮上。
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式中： —汽车驱动轮扭矩(N·m )；
—发动机曲轴扭矩(N·m)；
—总变速比,，为主传动器速比；为变速箱速比,考虑到大件运输平板车满载爬坡时一般釆用一档,故本文取一档时的变速箱速比。
—传动系统的机械效率,本文参考相关资料取。
用驱动轴上的牵引力T和汽车行驶阻力R形成的一对力偶代替驱动轮上的扭矩。
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式中：r—车轮工作半径(m),与内胎气压、外胎构造、路面的刚性与平整度及荷载等有关,本文根据风电场实际运输车辆未变形半径的0. 95倍取值。
②汽车行驶时的阻力
汽车行驶时的阻力包括空气阻力RW、道路阻力RR及惯性阻力RI。
根据空气动力学的研究成果,汽车在空气中运动产生的阻力为：
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式中： —空气阻力系数,本文以平板挂车为例取0.8；
—汽车迎风面积；
—空气密度,本文取1.2258 (N·s2/m4)；
—汽车与空气相对速度,近似取汽车的行驶速度(m/s)；
—汽车与空气相对速度(km/h),本文按机舱运输车辆克服最大爬坡坡度时的工况考虑,取。
道路阻力包括滚动阻力和坡度阻力,。
假定风电场道路坡道倾角为,则滚动阻力为
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式中： —滚动阻力(N)；
—车辆总重力(N)；
—滚动阻力系数,主要与路面类型、轮胎结构和行驶速度有关。
坡度阻力为
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式中：—坡度阻力(N)；
—车辆总重力(N)。
因此道路阻力为
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参考相关研究,车辆行驶时由汽车的平移质量及旋转质量产生的惯性力及惯性力矩分别为
平移质量的惯性力
旋转质量的惯性力矩
式中： —旋转部分的转动惯量；
—旋转部分转动时的角加速度。
为简化计算,一般给平移质量惯性力乘以大于1的系数来代替旋转质量惯性力矩的影响,即
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式中：—质性阻力(N)；
—车辆总重力(N)；
—重力加速度(m/s2)；
—汽车加速度(m/s2) ；
—惯性力系数,主要与飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关。
综上所述,汽车的总行驶阻力为
根据汽车的驱动平衡方程式,在车辆节流阀全开的情况下,汽车的驱动力必须要大于行驶过程各种行驶阻力之和,汽车才能正常行驶。故机艙运输车辆正常行驶的条件为：
为使车轮与路面之间有足够的附着力,避免车轮打滑,车辆的驱动力应小于车轮与路面之间的摩擦力,即：
式中：P—车轮附着系数,主要与路面的粗糙程度、潮湿泥疗程度、轮胎的花纹和气压、车速和荷载有关；
—驱动轮荷载,参考常用机舶：运输车辆轮轴组合情况,本文取实际装载时车辆总重力的0. 7倍。
（2）机枪运输车辆的最大爬坡坡度计算
根据汽车的驱动平衡方程式
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将行驶阻力表达式代入上式并整理后可得
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令上式左端为D,称为动力因素,将有关公式代入上式,即
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代入相关数据可得风电场机船运输车辆最低档的最大动力因素DIMAX。
动力因数受海平面及汽车满载情况的影响会发生变化,需根据实际风电场所处海拔高度及运输卒辆装载情况乘以修正系数予以修正,即
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式中：为动力因数D的海拔荷载修正系数,其值为
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式中： —海拔系数,,式中为海拔高度(m)；
—满载时车辆总重力(N)；
—实际装载时车辆总重力(N)。
汽车的最大爬坡坡度是指汽车在良好路面上等速行驶时克服了其它行驶阻力后所能爬上的最大纵坡坡度。因,则
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将有关公式代入上式并解此三角函数方程式,得
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式中： —最低档所能克服的最大爬坡倾角；
—滚动阻力系数；
—最低档的最大动力因数。
因此,汽车的最大爬坡坡度釆用下式计算可得
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代入相关数据可得最低档所能克服的最大爬坡倾角及汽车的最大爬坡坡度值。
在本工程中，风电场运输设备重，构件长，运输车辆牵引力大，行驶速度低的特点，根据与厂家、建设方进行的设计联络会中设计纵坡≤14%，在地形受限情况下以及防止植被大面积破坏，部分风机支线坡度达到21%，其他均参照《公路路线设计规范》(JTGD20-2006)公路四级标准和设计速度15km/h要求进行设计，在连续纵坡大于10%路段后设置纵坡小于5%长度大于60m的缓和坡段；路基设计标高为路基边缘标高，在设置超高、加宽路线为未设超高、加宽前该处路基边缘标高；在纵断面所有纵坡变坡点处，无论为凸形或凹形均设置半径大于200m圆曲线，其曲线长度大于20m。
3.4.3路基路面设计
道路设计考虑满足施工及设备运输要求，根据地质建议对路基边坡、宽度及防护进行设计。土方开挖时保留表层腐殖土并集中堆放，开完坡高<10m挖方地段坡比按地质建议坡比执行。路基填方边坡采用1:1.3～1:1.5；每级边坡填方高度10m，设置1.5m宽的马道。浸水部分的路堤边坡要设浆砌石护脚。
路基填方应分层铺筑、均匀压实，压实度满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)规范要求，不小于表5.5.3-1的要求。
表5.5.3-1 路基压实标准表
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风机设备运输对道路路面承载力的要求为满足15t/m2的要求，最大承载率95%；根据该要求及结合现场实际情况，道路路面结构设计如下：
场内新建道路，路基宽为5.5m，路面宽度为4.5m，并在弯道处依据半径不同而加宽，路面结构采用20cm厚山皮石面层(局部路段采用混凝土硬化)。
路面路基在弯道处路面进行加宽设计，加宽值按设备运输对道路的宽度要求计算而得。
路基防护采用设置挡土墙、路肩墙及路基护脚墙的方式。
结语
综上所述，舍子源风电场进场道路设计属于山区公路，但又与一般山区公路存在许多不同。首先，其等级要求较低，交通量少，尤其是在运行管理期通行车辆更少；其次，要满足重大件运输需要，特别是长大件运输是影响道路设计的关键因素。在实际工程中，道路具体设计应以满足重大件运输、施工、运行管理为前提，同时需综合考虑地形、地质、经济等因素，做到安全可靠、经济合理。