AutoTURN在西南山地风电场道路设计中的应用

2019-12-07任腊春许海楠

水电站设计 2019年4期

任腊春，许海楠，柴亮

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

一般来说，山地风电场设计的难点在于道路和风机平台的设计。西南地区地形复杂，海拔较高，风机平台一般位于山脊上，道路设计需要连接进场道路和风机平台，在山坡上进行多次展线，不可避免地需要设置回头曲线、小半径曲线等。由于道路建设的目的主要服务于大件风电机组设备运输需要，道路等级较低，没有相应的设计规范。对于道路的路面宽度、加宽宽度、转弯半径、纵坡等要素，大多以经验判断其可行性；而风电工程工期普遍较短，并且道路作为其关键线路，往往要求道路设计和修建能一次性满足车辆运输的要求。AutoTURN作为一款专门模拟车辆转弯的软件，可用来检验路线设计的合理性，尤其是能够检验较小半径弯道的通过性。所以，合理利用AutoTURN能够检验道路设计的合理性，并且能够在一定程度上节约造价，缩短工期，对工程具有一定的指导价值。

近年风力发电项目大规模开发，对于风力发电建设十分有利的地形资源日益紧张，陆上风电场类型正向丘陵、山区等风资源较好、但工程建设相对投资大幅增加的区域推进［1］。

赵一鸣［2］等人研究了单机容量为2.5 kW的风机，其叶片长度可达53 m，随着技术的进步，现在风机单机容量逐渐提升，3 kW、3.65 kW等更高单机容量的风机进入市场，其叶片长度也相继提升，相应地就要求提高道路参数。

道路平曲线半径一般是由叶片的长度尺寸和运输方式决定。水平固定摆放的运输，平曲线半径一般要求不小于40～50 m；山岭重丘区因局部地形限制，在适当加宽路基的情况下，一般平曲线半径也不小于35 m；应用特殊运输车辆（可在竖直方向调整叶片长度方向与水平线的夹角）运输时，平曲线半径一般不小于25 m；极限情况下，平曲线半径一般不小于 20 m［3］。

通过对目前国内常用运输方式的调查，在运输叶片时一般将叶片末端悬挑出车板一定长度，故在计算平曲线最小加宽值时应按平曲线的内外弯情况区别考虑，现场实际地形情况包括全挖方型内弯、内填外挖型内弯、内挖外填型外弯、全填方型外弯的两大类四种弯道［4］。

AutoTURN软件作为车辆转弯模拟软件，在国外应用很广，一些风机厂家也用其初步模拟道路，如Vestas等。该软件能根据不同风机叶片长度，自定义运输车辆的长度，能直观地模拟车辆转弯的情形，进而检验道路的通过性，这就提高了道路设计的准确性，也避免了后期设计反复修改，节约了设计成本。该软件可以用于指导山地风电场道路的设计，为设计人员选择道路设计参数提供了一定的参考性。

AutoTURN软件得到了全球67个国家设计师的肯定，可以自动完成车辆转弯时的最大宽度测算，并直接生成绘制路线［5］。AutoTURN是全球运输工程师、建筑师和规划师首选的车辆扫描路径分析软件［6］。

1 平曲线参数模拟计算

1.1 通过AutoTURN模拟道路平曲线参数

结合西南某在建风电场选用的2.5 MW风机机型，其叶片长度达59.5 m。考虑该山地风电场地势较陡，叶片运输公司选用特种车辆运送风机叶片，可大大减小道路的转弯半径。根据运输公司反馈的车辆尺寸信息，用AutoTURN模拟该车辆，模型见图1，模拟转弯路径见图2。模拟得到的平曲线半径和加宽值见表1。

图1 特种运输车辆模型示意（单位：m）

图2 AutoTURN模拟转弯路径示意

表1 平曲线半径和加宽值计算 m

1.2 通过汽车转弯半径分析模型计算平曲线参数

参考相关文献［7］，绘制叶片特种运输车辆计算模型如图3所示。以牵引车与半挂车的铰接角为自变量，可以计算出平曲线半径和所需的道路宽度，从而确定各平曲线要素以及加宽值。

图3 平曲线转弯半径计算示意

具体计算公式如下：

式中，a为牵引车前悬，取1.2 m；b′为牵引车轴距，b=4.1+1.6=5.7 m；c为牵引车后轴中心线与半挂车纵轴的交点至半挂车后轴中心线的距离在水平面上的投影，c=16．3-f-g-e=12.5 m；d1为牵引车车宽，取2.5 m；d2为半挂车宽度，取3.36 m；e为牵引车后轴中心线与半挂车纵轴线的交点至铰接点的距离在水平面上的投影，取0.1 m；f为半挂车牵引销铰接点至半挂车前部的距离在水平面上的投影，为1.6 m；g为半挂车后悬，取2.2 m；θ为牵引车与半挂车的铰接角；R′为牵引车前端转弯半径；R为平曲线半径；r为半挂车后端回转径；W为道路宽度。计算结果见表2。

表2 AutoTURN模拟的平曲线半径和加宽值 m

1.3 西南某在建风电场采用平曲线指标

该在建项目参考四级公路标准设计，设计速度15 km／h，路基宽度4.5 m，路幅构成为0.50 m路肩+3.5 m路面+0.50 m路肩，平曲线弯道不设加宽的最小半径为250 m。根据风电场道路设计相关经验，拟定该项目采用的路面加宽值见表3。

表3 路面加宽值m

1.4 平曲线加宽值对比

对比AutoTURN模拟和理论公式计算得到的平曲线半径和路面加宽值如图4。

图4 对比两种方法得到的半径和加宽值

由图4可以看出，对于同一种车辆，两种方法得出的平曲线半径和路面加宽值很接近，据此可推断，当得知车辆尺寸信息后，用任一种方法均可以得到该车辆的转弯半径和对应的加宽值。相比较理论公式计算道路平曲线半径和加宽值，采用AutoTURN软件具有快捷、方便的特点，并且该软件能更直观地表达车辆运输路径。尤其是对于某一具体的弯道，通过该软件可以快速地模拟出某一转弯半径对应的加宽值，同时也可以筛选出合适尺寸的车辆来进行风机设备的运输。

由表1、2对比表3，可以看出根据相关设计经验拟定的路面加宽值数值偏大。原因是在进行设计时，没有事先得到风机叶片运输车辆的相关信息，所以采用的加宽值较保守。

目前山地风电场道路设计没有建立统一的规范和标准，各个设计院采用的平曲线半径、路面加宽值等参数均不一致。由此，采用AutoTURN转弯模拟软件，对现有运输车辆建立模型，模拟其运输路径，能准确、快捷、方便地检验道路设计参数的合理性。