山区风电场新型筒承式风机基础设计及生态环境效益分析

陈晓琳，尹武君，张体强

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在碳达峰与碳中和背景下，加速推进清洁能源发展是未来中国能源建设的主要路径和方向。风力发电在提供清洁能源的同时也带来一定程度的生态破坏和水土流失[1-2]。中国幅员辽阔、地形复杂多样，随着大容量低风速风机的研制成功，越来越多的山区风能具备经济上的开发优势和技术上的开发条件，成为陆上风电开发的重点[1,3]。但是，山区风电场具有地形复杂、海拔高、气候恶劣和生态环境脆弱等特点[4-6]，植被破坏后恢复难度大，在开发过程中引起的生态破坏和水土流失尤为突出。下面以重庆市某山区风电工程为依托，创新性提出适用于陡峻山区风电场的新型筒承式风机基础，并对其产生的生态环境效益进行了分析，其研究对建设“生态风电”创新模式具有重要的意义。

1 山地风电场生态环境影响特点

1)生态环境脆弱，恢复困难

风电场的生态环境影响主要是施工期永久占地和临时占地对地表原有生态系统的破坏[7]。风机基础、升压站等永久占地将会导致地表植被完全损失，且一般是不可逆的；吊装场地、施工道路等临时占地也会一定程度上碾压地表植被，影响区域内植被覆盖度和植物群落组成，使区域植被生产能力降低。同时，由于山区生态环境脆弱，植被一旦被破坏则恢复困难[8]。但是，山地风电场建设后植被恢复覆盖率往往不达标，常出现青山挂白的现象，生态恢复的代价极高。

2)施工扰动大，水土流失严重

风电场基建开挖、临时堆放土石方等施工活动将不可避免地扰动原有地貌，建设过程中点、线、面扰动并存，施工作业面大，使原生地表的覆盖物和土壤结构遭受严重破坏，土壤抗蚀性降低，加剧土壤侵蚀强度，且恢复难度大[9]。风电场建设过程中本身会产生大量的土石方，基础开挖和填筑等施工活动严重影响了土层的稳定性，进一步加剧水土流失。

2 筒承式风机基础的特点

2.1 设计依托工程概况

筒承式风机基础的设计以重庆某山区风电场工程为依托，该风电场属于典型的山区风电场，东侧存在高耸陡崖，且存在岩土崩塌失稳的不良地质作用。风电机组机位需距离东侧陡崖满足一定安全距离，大多数机位均移动至西侧的山坡下。采用常规方法需向下开挖边坡形成风机基础及吊装平台，从而导致风电机组机位的东侧、东北侧、东南侧普遍存在约10～30 m左右的高边坡。常规风机基础将会导致开挖面积增大，大量增加土石方开挖量和渣土量，造成严重的生态破坏，且后期恢复难度极大。

2.2 筒承式风机基础的特点

中国陆上风机基础主要结构形式包括扩展基础、梁板基础、桩基础、锚杆基础，其中扩展基础(如图1所示)和桩基础应用最多，但是上述基础不能很好地解决不同地形高差的风机基础问题，导致开挖面大、开挖土石方多、生态环境破坏严重等问题。

图1 常规扩展风机基础

参照重庆地区吊脚楼建筑及火力发电厂烟囱特征，针对特殊的陡峻山区地形特点，首次创新性地提出适用于陡峻山区地形的筒承式风机基础，其具体的基础形式如图2所示。筒承式风机基础可分为上、中、下3个部分：上部为圆形承台，圆形承台内预埋风机塔筒基础环或预应力锚栓，圆形承台顶部为与风机塔筒底部连接的圆柱台；中部为适应于调整坡地高差的圆环筒，圆环筒位于圆形承台边缘下部，圆环筒与上部圆形承台采用刚接连接；下部为设置在设计持力层上部、适应于坡地高差调节的圆环形基础。

图2 筒承式风机基础

筒承式风机基础已在重庆某山区风电场工程进行应用，共6台风机(基础编号为6号、9号、16号、20号、23号、29号机位)采用筒承式风机基础。

3 筒承式风机基础的生态环境效益分析

风电场在建设过程中对生态环境的影响，主要体现风机基础开挖等施工活动干扰和扰动原地貌，造成植被破坏和水土流失[6]。以重庆某山区风电场工程为例，将常规的方案1(大开挖平台+扩展风机基础)与所设计的新型方案2(高低吊装平台+筒承式风机基础)就对占地和植被的影响、对土石方开挖量和弃土量的影响以及对水土流失量的影响等方面进行比较分析。

3.1 对占地和植被的影响

风电场风机基础占地属于永久占地，永久占地面积将对原有植被造成破坏，改变原有土地利用类型。现将方案1与方案2的永久占地面积、生物损失量进行对比分析，如表1和表2所示。

表 1 筒承式风机基础和扩展风机基础永久占地面积对比

表 2 筒承式风机基础和扩展风机基础生物量损失量对比

由表 1可知，6台风机机组均采用方案2，较常规的方案1可有效减少因风机基础及平台施工开挖面积和永久征地面积，减少面积高达8896 m2，减少比例为36.2%。

风电场建设对植被的影响主要集中在建设过程中，永久占地和临时占地对植被造成破坏，尤其是风础永久占地将直接破坏地表植被，导致植被完全损失[10]。由表 2可知，方案2的永久和临时扰动地表面积更少，永久和临时占地造成的生物损失量较方案1分别减少106.85 t、172.08 t，总损失量较方案1减少43.1%。由此可见，相同地形条件下，筒承式风机基础减少扰动地表优势明显，在控制水土流失方面效果更佳，更有利于项目区生态环境的保护。

3.2 对土石方开挖量和弃土量的影响

对采用方案1与方案2的土石方开挖量和弃土量变化情况进行对比分析，说明新型基础在减少土石方工程量的优势，计算结果见表 3。

表 3 筒承式风机基础和扩展风机基础开挖量和弃土量对比分析表

由表 3可知，6台风机机组均采用方案2较常规的方案1可有效减少因风机基础及平台施工开挖的土石方量(300 695 m3)，减少比例为73.2%。通过分析不同基础形式弃土量可以看出，采用筒承式风机基础后，风机及风机平台弃土量减少303 860 m3，减少比例为75.1 %。从生态环保角度分析，土石方开挖量和弃土量的减少，从根源上减少了水土流失的来源，有利于水土保持和生态环境保护。同时，弃土量的减少可减少工程弃土场的数量，进而减少因布置弃土场扰动地表和破坏植被的面积，达到减少水土流失、保护生态环境的目的。

3.3 对水土流失量的影响

结合重庆某山区风电场工程区域地形地貌特征、土壤质地和植被覆盖情况等情况，按照SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》土壤侵蚀强度分级表，水土流失强度以轻度、中度为主。根据SL 773—2018《生产建设项目土壤流失量测算导则》推荐公式计算方案1与方案2的水土流失量见表 4。

表4 筒承式风机基础和扩展风机基础水土流失量对比分析

由表 4可知，6台风机机组采用方案1和方案2水土流失总量分别为174 t、110 t，新增水土流失量分别为116 t、73 t，方案2较方案1的水土流失总量和新增流失量减少比例分别为36.8%、37.1%。这主要是筒承式风机基础贴合陡峻地形的特点进行了高低基础和高低平台的设计，有效减少了地表扰动面积和土石方开挖量，从而大大减少了水土流失量，在控制水土流失方面有积极作用。

4 结 论

新型筒承式风机新型基础与传统的扩展风机基础相比，有效减少了风机基础永久和临时占地面积，降低了植被破坏和生物损失量，减少了土石方开挖量和弃土量，从而减小了水土流失量，实现了对生态环境的最小影响。新型筒承式风机基础，主要适用于地形复杂、生态环境脆弱、植被恢复困难的陡峻山区风电场，该风机基础的创新设计改善了生态环境影响，有效缓解了山区风电工程建设的痛点和难点，为建设“生态风电”提供了良好的示范。