例应用AASHTO道路规范在光伏电站进场道路的实

AASHTO道路规范在光伏电站进场道路的实

例应用

聂强 / 青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司

【摘 要】 AASHTO规范是美国联邦级公路及交通运输协会通过道路试验，材料测试等数据分析制定的一套完整的结构层设计及施工方法的道路规范。本文通过在建工程实例，对美标AASHTO道路规范中沥青混凝土柔性路面结构设计及计算进行相关研究。探讨光伏电站进场引接道路在AASHTO中各种参数取值、计算方法等问题，希望本文可以对今后光伏电站项目进场道路依据AASHTO规范设计时有一定的指导作用。

【关键词】沥青混凝土路面 AASHTO 光伏电站进场道路 回弹模量

1 引言

我院承接的乌兹别克斯坦100MW光伏电站设计项目，按照合同要求进场道路、220kV升压站及开关站内道路需要遵循AASHTO规范，并结合光伏电站运维的交通量特点进行设计。业主工程师在道路断面卷册审核过程中要求我院依据美标AASHTO-1993^[1]规范出具道路计算书，验证道路各结构层的可靠性。因此我们对AASHTO道路规范中沥青混凝土柔性路面结构的设计方法，参数选取原则进行了详细的研究，并切实应用到光伏电站进场道路及升压站内部道路设计中。参数选取、计算过程和方法均得到了业主工程师的认可，道路断面图纸得以顺利批准。本文对设计方法，参数选取等计算过程进行总结，希望对今后类似项目的应用有一定的参考意义。

2 光伏电站项目及AASHTO规范简介

2.1 乌兹别克斯坦100MW光伏电站项目简介

乌兹别克斯坦100MW光伏电站项目(Uzbekistan Scaling Solar Project)是新建光伏电站，规划容量100MW。 项目位于乌兹别克斯坦中部城市Navoi以西约30公里处，该地区气候干燥少雨，场地排水条件好，无冻胀，湿陷性等不良地质。

根据工程地质勘察报告，建设场地地基土层主要分为两层，由地表粉土和砂砾组成。地下8.0m内未见地下水。建设场地路基以砂砾为主，承载力高。现场排水条件好，地下水对路基的无影响。路基经过压实后，CBR值超过10%，可以采用当地的砂石材料作为道路的路基材料。

2.2 AASHTO规范简介

美国国家公路与运输协会（American Association of State Highway and Transportation Officials，简称AASHTO）是美国研究交通运输相关问题的机构，是美国最著名的公路与交通联合会。AASHTO道路规范是通过经验与试验分析建立起的道路结构层厚度设计方法，试验测试场地位于渥太华。通过不断的完善，AASHTO-1993已成为具备一套涵括道路设计、改建、施工等全方面的道路规范。

3 沥青混凝土路面结构设计

3.1 计算交通量

3.1.1 交通量参数

交通量是道路设计中最基本的设计参数，光伏电站项目与传统火电相较，交通量小。但随着光伏电站的运行，光伏组件更换及跟踪支架维修次数增加，会导致交通量明显增加，这些因素在道路设计过程中都是需要考虑的。AASHTO道路规范中交通量计算是依据分析期内以预测的80kN（18kip）为等效单轴荷载（ESAL），并考虑交通量的逐年增长和车道分布系数等的影响。

本项目为100MW光伏电站项目，项目建成后升压站存在少量人员值守，光伏场区存在水清洗等，初始交通量相对于传统火电而言较小。光伏电站投产后，光伏组件更换，跟踪支架检修会导致交通量增加，故交通增长率V取0.03.交通量初始参数详见表3-1-1：

表3-1-1 交通量参数

3.1.2 设计周期

AASHTO中关于分析期指的是设计年限内不出现大修的时间年限。随着经济的发展，设计周期呈现增长的趋势，通常可按照下表3-1-2确定：

表3-1-2 分析期

• • 公路条件	分析期（年）	公路条件	分析期（年）
    市区大交通量	30～50	小交通量沥青面层	15～25
    郊区大交通量	20～50	小交通量集料面层	10～20

光伏电站进场道路为小交通量沥青面层，取值范围应为15~25年。因光伏电站设计寿命为25年，且交通量较小，对结构层影响较小。本项目取值t=25年，即整个光伏电站寿命期内不进行大修。

3.1.3 车道分布系数及方向分配系数

车道分布系数是指存在多车道时，车道内车辆数量对道路的影响。市区道路与电厂道路存在一定区别，电厂道路通常为双向单车道。本项目进场道路宽度7m，站内道路宽度4m。每一方向的车道数均按单车道考虑，车道分配系数f_i=1.00.方向分配系数在光伏电站道路中区别较小，按照f_d=0.5考虑。

3.1.4 分析期内设计车道的标准轴数W₁₈

按照上述参数取值，通过公式 计算得出，分析期内设计车道的标准轴数为23186轴次/车道。

3.2 确定各项设计参数

3.2.1 可靠度和标准正态偏移

道路可靠度是依据设计道路的功能等级确定的，AASHTO中表3-2-1明确规定了道路可靠度的选取标准。并参照表3-2-2，选定与可靠度水平相对应的标准正态偏移Z_R。

表3-2-1 对不同功能等级道路提供的可靠度水平

光伏电站的进场道路不可分期建设。按照功能分类，应属于主要干线，但交通量比较小，并且不是AASHTO中严格意义上的城市间的主干线，本项目可靠度R取值75.00%。

表3-2-2 不同可靠度水平的标准正态偏移

通过上表查得，当可靠度75%时，标准正态偏移Z_R=-0.674。

3.2.2 设计服务能力损失

道路设计最终服务能力取值越小，表示路面舒适程度难以接受司机的百分比越高。对于主要道路的设计，推荐取2.5或者更高的指标；对于电厂道路Sargent&Lund在沥青路面设计指南^[2]中推荐的最终服务能力水平值为2.0，光伏电站项目属于交通量较低的新能源电厂项目，P_t取2.0。下表3-2-3为AASHTO道路规范中最终服务能力水平P_t的取值及难以接受司机所占比重。

表3-2-3 最低P_t水平

• • • • 最终服务能力水平	难以接受的人的百分比
        3.0	12
        2.5	55
        2.0	85

AASHTO道路规范中规定最初的服务能力P₀对于柔性路面取4.2，所以设计服务能力可损失值∆PSI＝P₀­­­-P_t =2.20。

3.2.3 有效土基回弹模量M_R

根据AASHTO中规定，有效土基的回弹模量是根据土壤回弹模量与湿度的关系确定。地勘报告中给出每个月份的回弹模量，然后按照计算公式计算得出最终平均的有效土基的回弹模量。

实际工程运用时，地勘单位经常无法提供每个月份的试验数据，导致该方法无法运用。AASHTO规范中也提到可以通过路基土的CBR值，根据经验公式法得出有效土的回弹模量，即运用公式M_R(psi)=1500*CBR。本项目根据地勘任务书，给出多个探坑的CBR值，最终CBR计算取值8%。按照AASHTO中的经验公式，倍数取值范围与含水率有关，通常为750至3000之间的某一数值。为了道路设计更可靠，本项目M_R(psi)=1000*CBR=8000psi。

3.2.4 结构层层系数

结构层系数是根据各结构层回弹模量通过查表得出的数值，通常按结构层材料类型和功能的不同分为五大类：沥青混凝土、粒料基层、粒料底基层、水泥处治和沥青基层。

本项目通过选取各结构层的材料性质，确定其回弹模量，然后查AASHTO 1933规范中表得出各结构层的层系数。对于沥青混凝土面层的弹性模量，应根据规范TM 5-822/AF JMAN 32-1018^[3]中的相关规定，考虑全年平均气温确定。沥青混凝土面层回弹模量E_AC= 145000 （Psi）；对于粒料基层的材料的弹性模量及颗粒级配要求应参考AASHTO M147-65-2012^[4]确定碎石基层回弹模量E_SB= 36250（psi），碎石底基层回弹模量E_BS= 15950（psi）。最终根据回弹模量，查表得出沥青混凝土面层层系数a₁=0.24; 基层层系数a₂=0.16; 底基层层系数a₃＝0.12。

3.2.5 柔性路面排水系数

柔性路面中基层、底基层材料的排水系数m_i值可由表3-2-4确定。

表3-2-4 柔性路面中未处治的基层、底基层材料的修正结构层系数的推荐值m_i

本项目根据地勘及水文报告中相关数据看出，该场地降雨量小，且排水条件良好。因此本项目基层排水系数m₂和底基层排水系数m₃均取1.25。

3.3 柔性路面结构设计

3.3.1 确定结构数

a.确定结构数：将前文中从AASHTO中选取计算得到的各项设计参数Z_R、∆PSI和E_SB等代入公式 确定结构数SN₁。代入数据计算后得出W₁₈=382435轴次/车道。

b.验算结构数SN_１：求出W₁₈，如果W₁₈≥W₁₈，则结构数SN_１满足要求。否则增加SN_１，再进行计算，直到满足要求，经过计算得出SN_１=1.42inch满足要求。

c.确定结构数SN₂：将前面计算得到的各项设计参数Z_R、∆PSI、和E_BS等代入公式 确定结构数SN_２，代入数据计算后得出W₁₈=2146014轴次/车道。

d.验算结构数SN_２：求出W₁₈，如果W₁₈≥ W₁₈，则结构数SN_２满足要求。否则增加SN_２，再进行计算，直到满足要求，通过计算得出SN_２=2.60inch满足要求。

e.确定结构数SN₃：将前面计算得到的各项设计参数Z_R、∆PSI、和M_R等代入，根据公式 确定结构数SN_３，代入数据计算后得出W₁₈=2994712轴次/车道。

f.验算结构数SN₃：求出W₁₈，如果W

₁₈≥ W₁₈，则结构数SN_３满足要求。否则增加SN_３，再进行计算，直到满足要求，经过计算得出SN_３=3.48inch满足要求。

3.3.2确定各结构层厚度

3.3.2.1 计算公式

根据公式SN=a₁D₁+a₂D₂m₂+a₃D₃m₃将结构数SN转化为实际的面层、基层和底基层厚度。其中a₁，a₂，a₃表示面层、基层、底基层的层系数；D₁，D₂，D₃表示面层、基层、底基层的实际厚度；m₂，m₃表示基层和底基层的排水系数。

3.3.2.2 各设计层厚度

AASHTO中规定可根据交通量控制各层结构最小的厚度，如表3-3-1所示。通过上述计算，光伏电站项目交通量小于50000，沥青及底基层厚度应不小于1.0和4inch。本项目沥青混凝土面层最小厚度暂取5.90inch，基层及底基层均取7.97inch。

表3-3-1 最小厚度（英寸）

各结构层厚度验算按下图3-1所示，由上到下逐一确定各结构层的最终厚度。

图3-1 选取各结构层厚度的步骤

a.根据所计算出的路面结构数SN₁,由公式 确定面层厚度D₁。通过上述计算得出的面层厚度D₁=5.90inch，满足要求。

b.根据所计算出的路面结构数SN₂,由公式 确定面层厚度D₂。通过上述计算得出的基层厚度D₂=5.90inch，满足要求。

c.根据所计算出的路面结构数SN₃,由公式 确定面层厚度D₃。通过上述计算得出底基层厚度D₃=5.90inch，满足要求。

4 结束语

本文是从光伏电站运维交通量的特点出发，根据项目所在场地的地勘资料，依据AASHTO道路规范进行沥青混凝土柔性路面结构层厚度的设计过程。AASHTO道路规范中影响道路结构层厚度的主要因素文中都已经提到并做了详细的解释，文中的计算方法及计算参数选取都比较切合光伏电站进场道路的实际情况。上述参数取值及计算方法只是对光伏电站进场道路应用AASHTO规范的初步研究，虽然在本项目中得到了业主工程师的认可，但是还存在很多不足之处，恳请各位同行指正。

参考文献

[1] AASHTO-1993, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures[S].

[2] Design of Asphalt Pavement [M].Sargent & Lundy Civil Design Guideline CDG-006，2011.

[3] Pavement Design for Roads, Streets, and Open Storage Areas, Elastic Layered Method: TM 5-822/AF JMAN32-1018[S].

[4] Materials for Aggregate and Soil-Aggregate Subbase, Base, and Surface Courses: AASHTO M147-65-2012 [S].

作者简介

聂强，本科，工程师，青岛鸿瑞电力工程咨询有限公司从事总图设计工作。