风沙地区高速公路路基防护技术研究

风沙地区高速公路路基防护技术研究

分类号：U4110710-20118341专业硕士学位论文风沙地区高速公路路基防护技术研究张世鑫导师姓名职称郑南翔教授专业学位类别工程硕士申请学位类别硕士及领域名称交通运输工程论文提交日期2015年10月15日论文答辩日期2015年12月16日学位授予单位长安大学 StudyontheProtectionTechnologyforHighwaySubgradeinWindDriftSandRegionADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZHANGShixinSupervisor：Prof.ZHENGNanxiangChang’anUniversity,Xi’an,China 论文独创性声明导师的指导下，独立进行研究工本人声明：本人所呈交的学位论文是在中己经往明引用的内容外，对论文的研巧做出重作所取得的成果。除论文中Ｗ明确方式标明。本论文中不包含任何要贡献的个人和集体，均已在文未加己经公开发表的成果。明确注明的其他个人或集体本声明的法律责任由本人承担。’＾《年；２＾月，７日论文作者签名１论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学レ请专利等权、、借阅ッ及申校、复制公开阅览。学校享有Ｗ任何方式发表文或与该论文直接相关的学术论文或成利。本人离校后发表或使用学位论学。果时，署名单位仍然为长安大守此规定）（保密的论文在解密后应遵节巧／／碑／７曰ｔ论文作者签名：旅！泉年／２月日导师签名：勺 摘要甘肃是我国沙漠分布的主要省份之一，随着西部大开发政策的推广实施，未来将会有更多的公路包括高速公路穿越省内的沙漠地区，但是目前省内还没有一整套设计经验。为了保证高速公路的安全畅通，风沙对公路的危害必须降至最低。本次研究所依托项目是甘肃省第一条风沙地区高速公路。通过对全线复杂多变的风沙地形进行细致地调查，查阅相关参考资料及科研成果，经过计算分析和方案比选，对高速公路风沙路基防护措施进行研究，采用工程类比以及施工期间效果的观测来验证方案的可行性，并以此完善设计、指导施工。本文研究的主要内容根据沙害对路基的危害分为两个方面。第一、减轻路基风蚀为主的路基防护措施，如防止路基掏空风蚀而采取的防护措施的研究，如路基的填土高度、路基填料、边坡防护措施及土工材料的应用等。第二、减轻风沙通过路基而致沙粒沉落以及沙丘对路基的掩埋而采取的防护措施的研究。如路基横断面的选择，工程防沙体系的建立等。为完成研究目标，本文通过现场调查和有关资料的收集整理，分析环境气候影响因素；通过对参数的计算分析，获得研究区风沙活动和风沙危害特征，主要有临界起动风速、输沙量、主导风向、沙源分布等；在进行路基的稳定性研究时，分析了路基损坏的原因和影响因素，同时参照区域旧路的风沙侵蚀状况和实体工程的建设情况，以此来确定路基横断面形式。针对不同路段的风沙危害特征提出相应的路基边坡防护形式以及工程防护体系，从而总结设计经验，完成研究报告。以最终能够形成一个系统的适合甘肃省实际的风沙地区高速公路路基防护的完整经验资料，并对以后的建设提供一些参考。关键词：风沙地区高速公路，路基防护设计，设计研究I AbstractGansuprovincesisoneofChina"smajordesertdistribution.Withthepromotionoftheimplementationofthewesterndevelopmentpolicy,thefuturewillhavemoreroads,includinghighwaysacrosstheprovince,desertareas,butatpresenttheprovincehasnotyetsetdesignexperience.Inordertoensuresafeandsmoothhighway,sandforroadhazardsmustbeminimized.TheinstitutereliesprojectinGansuProvinceisthefirstsandareaexpressway.Throughthefullrangeofcomplexandmeticulousinvestigationsandyterrain,accesstorelevantreferencematerialsandscientificresearch,throughcomputationalanalysisandschemecomparison,sandyroadbedofhighwayprotectivemeasuresstudied,usingtheanalogyandtheobservedeffectsduringconstructiontoverifythefeasibilityoftheprogram,andthusimprovethedesignandconstruction.Themainresearchcontentsofthisstudyisdividedintotwoareasaccordingtosanddamagetoroadbedhazards.First,reducethesubgrade’swinderosionprotectionmeasuresbased,researchsuchaspreventionoferosionandembankmenthollowedtakeprotectivemeasures,suchasroadbedfillingheight,embankmentfill,slopeprotectionmeasuresandtheapplicationofgeotextilematerialandthelike.Second,reduceresearchsandstormcausedbyroadbedsubgradesanddunessinkandburiedandtakeprotectivemeasures.SuchasthecrosssectionofroadbedchoosetoestablishotherprojectsandSedimentControlSystem.Fieldinvestigationanddatacollectionwereprocessedtoanalyzetheinfluenceofclimate.Thesandwindcharactersoftheresearchareawererequiredbycalculatingandanalyzingtheparameters,mainlyaboutthecriticalthresholdvelocity,sedimentload,thedominantwinddirection,sandsourcedistribution,andsoforth.Thecausesandinfluenceparametersofroadbeddamagewereanalyzedduringroadbedstabilitystudy,thestudyalsoreferedthesandwindconditionofoldroadandconstructionconditionofengineeringtodeterminetheformofcrosssection.Appropriateofembankmentslopeandengineeringprotectionsystemofdifferentstrengthofsandwindwasproposedtocompletetheresearch,theresultscanbeusedtobuildadatabaseofexpresswayroadbedprotectionaccordingwiththepracticalsandwindareainGansuprovince.Keywords:highwayinsandwindregions,protectiondesignofsubgrade，studyondesignmethodII 目录第一章绪论······························································································11.1课题的研究背景和意义·········································································11.1.1我国沙漠分布特征和气候特点····························································11.1.2我国公路沙害基本现状和特点····························································11.1.3课题的提出···················································································21.1.4研究意义······················································································31.2风沙地区路基防护措施的发展及现状·······················································31.2.1国外的发展情况··············································································31.2.2国内的应用和发展···········································································41.3本文研究的主要内容和技术路线·····························································41.3.1研究的主要内容··············································································41.3.2研究方法、技术路线········································································5第二章沙漠路基气候和环境数据的分析···························································62.1环境资料收集及气候数据分析································································62.1.1沿线沙漠特征················································································62.1.2沿线风沙特征················································································72.1.3气象、风速、出现频率·····································································82.1.4风向数据分析················································································92.2风速参数的计算和选定·······································································102.2.1确定沙漠起动风速·········································································102.2.2确定动力风向风速·········································································102.2.3确定沙漠公路与主导风向交角···························································112.3项目沿线沙源的确定··········································································122.3.1确定沙源分布区············································································122.3.2土质样品分析··············································································13第三章风沙地区高速公路路基设计·······························································183.1路基损坏原因和影响因素分析······························································183.1.1风沙地区公路路基损坏的形式和原因·················································18III 3.1.2风沙地区筑路的不利因素································································193.1.3原有公路现状···············································································193.2风沙地区路基填料的选择····································································203.2.1风积沙填筑的优缺点······································································213.2.2路基填料的选择及具体方案·····························································213.3风沙地区路基横断面··········································································223.3.1横断面的选择和影响因素分析··························································223.3.2横断面一般设计原则······································································233.3.3路基横断面与阻沙指标参数·····························································243.3.4路基横断面设计要点······································································263.3.5路基横断面具体设计······································································283.3.6路基中央分隔带形式······································································293.4风沙地区路基土工材料的应用······························································313.4.1沙质土基受力分析·········································································313.4.2土工合成材料的作用······································································323.4.3土工合成材料的使用方法································································32第四章风沙地区高速公路路基边坡防护························································344.1风沙地区路基边坡防护与稳定性分析······················································344.1.1路基边坡稳定性分析······································································344.1.2边坡防护措施对边坡的作用·····························································344.2风沙地区路基边坡防护设计·································································354.2.1周边省份风沙路基边坡防护经验的借鉴··············································354.2.2路基边坡防护设计原则···································································364.2.3路基边坡防护设计·········································································374.2.4风沙地区高速公路路基排水设计对边坡防护的影响·······························40第五章工程防沙体系················································································435.1风沙对公路工程防沙体系的危害····························································435.1.1公路工程防沙体系破损的形式和特点·················································435.1.2公路工程防沙体系破损的鉴别··························································445.1.3沙障破损与风沙活动的关系·····························································45IV 5.1.4公路防沙体系的宽度······································································465.2适应本区域公路工程防沙体系的建立·····················································475.2.1工程防沙体系的设置原则································································475.2.2工程防沙体系的建立······································································485.2.3工程防沙体系的具体内容································································485.2.4工程防沙体系的施工······································································525.2.5工程防沙体系的维护······································································53第六章结论和进一步建议··········································································556.1本文主要结论···················································································556.2进一步研究建议················································································56参考文献································································································58致谢································································································60V 第一章绪论第一章绪论1.1课题的研究背景和意义1.1.1我国沙漠分布特征和气候特点2地球上沙漠面积为1535万km，占陆地面积的10.3%，中国是世界沙漠分布最多国家之一，沙漠分布广袤数千公里，绵延于我国的西北、东北西部和华北北部，主要分布在我国西部的新疆、甘肃、青海、宁夏、内蒙古、陕西等省区。这一弧形沙漠带，南北2宽600km，东西长4000km，总面积约80.89万km，占国土总面积的8.43%。我国的沙漠约有80%分布在乌鞘岭和贺兰山以西的内陆腹地，如塔克拉玛干沙漠、古尔班通古特沙漠、柴达木沙漠等。相当一部分在海拔1000m以上的内陆高原上，如海拔1200~1800m的阿拉善高原上的腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠等。我国的沙漠一般深居内陆，远离海洋，且周围有高山、高原阻隔，因而具有典型的大陆性气候特点：夏季酷热、干燥，冬天干冷，春季风沙多、年温差大。干燥少雨是沙漠气候最主要的特征。我国沙漠地区降水量的空间分布基本趋势是从东向西递减，且愈向内陆减少越加迅速。不仅降水十分稀少，而且很不稳定，同时蒸发又极为强烈。沙漠里夏季白天虽然气温很高，但是相对湿度低，大都低于30%，高温低湿，热而不闷，日温差变化极为显著。我国沙漠地区不仅风力较大，而且频繁。大部分沙漠地区的起沙风每年可达300次以上，加上地表大部分为疏松的沙物质，易受风力吹扬造成风沙弥漫，特别是在植被稀疏的流沙地区更加频繁，甘肃省就是受沙尘影响严重的地区。1.1.2我国公路沙害基本现状和特点我国的主要沙漠如塔克拉玛干沙漠、腾格里沙漠等都修筑了公路。同时，受沙漠影响的沙漠化土地面积广阔，现有的很多公路都从沙漠化土地或沙漠边缘上通过，风沙危害不同程度地影响公路，根据沙漠危害公路的形式和近年来调查情况，公路沙漠危害程度划分为轻度沙害、中度沙害、重度沙害，具体划分如下：轻度沙害是指风积沙导致积沙沙埋坡脚至边坡的一半。范围涉及我国西部所有沙漠、沙地分布区，包括本论文所描述的地区。中度沙害是指积沙沙埋边坡的一半至路肩。范围涉及我国所有沙漠、大部份沙地分布区，以宁夏、陕西、甘肃地区为主，流沙对公路的危害相对较重。重度沙害是沙丘移动导致路面1／4以上被流沙掩埋。范围涉及我国所有沙漠分布1 长安大学硕士学位论文区，以青海、新疆、内蒙古西部地区为主，流沙对公路的危害很重。而甘肃省河西走廊地区位于青藏高原以东，北面受巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠影响较大。同时该地区的地貌类型和地表景观特征主要以戈壁为主，是我国戈壁主要分布区之一。加之独特的地理位置以及地形影响使得河西走廊地区风力也十分发育，并以强风著称。当戈壁地表砾石遭到人为破坏之后，砾石层之下的第四纪松散冲洪积物在强烈的风蚀作用下，迅速起沙，导致携沙风的形成。携沙风在运动过程中，受到公路沿线附近局地地形的影响，会产生风蚀、风积等风沙危害，从而严重影响公路本身以及行车的安全。公路风沙危害产生于风沙活动的整个过程，因具体地貌、部位及路基设计形式的不同，沙害形式及程度也各异。主要的风沙危害有风蚀危害和风积沙埋危害两种，其中，风蚀作用主要体现在携沙风对路基、公路标志、建筑物、车辆的损害，以及对行车的安全影响等方面。河西走廊地区修筑路基往往是就地取材，所用的路基材料缺乏粘性，易于松散，受到风力作用，沙粒很容易被风吹走，产生路基吹蚀；或因风沙流中的沙粒不断冲击路基、路面而发生磨蚀，以至于将路基的路肩部分或路面下的土基掏空，造成塌陷，严重影响路基的稳定性，这不仅增加养护上的维修工程量，而且由于风蚀造成路基宽度的减小，严重影响行车安全。风沙地区的公路风积沙埋危害主要是由于公路的修建，尤其是高速公路的修建改变了当地的风场，从而使得携沙风在公路附近因减速而卸载大量沙物质，填埋道路，堵塞交通，影响公路和行车安全。1.1.3课题的提出近年来，随着我国经济快速发展，特别是自国家实施西部大开发战略以来，甘肃省公路建设日新月异，高等级公路建设所占的比例越来越大。甘肃是我国主要沙漠分布的2省份之一（仅次于新疆和内蒙古），分布面积约30530km，占甘肃省国土总面积的6.4％。甘肃目前仅有几条低等级公路穿越沙漠或风沙戈壁区，但随着全省经济的高速增长和西部大开发政策的推广实施，大规模进军沙漠，开采矿藏，发展旅游给沙漠公路建设带来了前所未有的发展机遇，未来将会有更多的公路包括高速公路穿越省内的沙漠地区，但是目前因省内还没有在风沙地区修筑过高速公路，所以还没有一整套设计、施工、管理经验。另外，近几年随着全球气候变暖，西部的治沙环境也进一步恶化，温家宝总理两次前往巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠边缘的武威地区民勤县视察治沙情况，这表明我国目前沙漠化形势十分严峻，也说明气候的变化增加了沙漠地区修筑公路尤其是高速公路的难2 第一章绪论度。为了保证公路的正常运营，达到高速公路安全畅通的标准，风沙对公路的危害必须降至最低，否则，因防护不当或防沙工程的失效，特别是沙埋公路后，造成大量沙子堆积于路面，将严重影响行车安全，极易发生交通事故。基于以上原因，本文为寻求如何合理有效的解决沙漠地区高速公路路基沙害而展开对路基防治的研究。1.1.4研究意义本次研究所依托项目是我省第一条风沙地区高速公路。通过对全线复杂多变的风沙地形进行细致地调查，查阅相关参考资料及科研成果，经过计算分析和方案比选，对高速公路风沙路基防护措施进行研究，以“适地、环保、经济、可持续性”为原则，采用工程类比以及对施工期间效果的观测来验证每个方案的可行性，并以此完善设计、指导施工。在满足设计需要的同时，提高对风沙危害的认识，找出适合于甘肃实际的风沙地区公路路基防护设计的完整经验资料。为以后同类设计提供可以借鉴的设计经验，达到提高效率、保证质量、总结经验的目的。1.2风沙地区路基防护措施的发展及现状1.2.1国外的发展情况阿联酋、沙特阿拉伯：为减轻和消除路面积沙，在道路横断面的设计中采取下风侧抬高，尽量保持较缓的边坡，路肩修整为圆形，线路设计采用大半径的平曲线。为了增加风力自清沙作用，沙漠公路采用低矮的路基。在路基防护方面采用具有50%空隙度的本地产芦苇、木条、塑料网制的防沙栅栏阻沙，结合植树种草的生物措施来固沙。由于国家资金雄厚，此方面投入较大，效果也较好。埃及、阿尔及利亚：根据沙丘移动速度、距离和方向预测沙丘接近公路的时间，使选定的线路不会在近期内遭到沙埋。利用土工布隔离流动沙层及沙砾组成的路基填料，然后在其上铺筑路面。或避开沙丘，架设桥梁或修建隧道，以空运代替陆运。日本：道路部门采取设置防沙栅栏、沙障来防止河岸吹来的风沙，并采用大量的植树种草等生物措施来固沙。防沙栅栏采用木板、水泥板、铁皮及塑料网制成，沙障则采用中国引进的草方格方法。科威特：修筑沙漠公路时均采取分离式路基，单幅路基宽度9～11m，中央隔离带宽度采用6～8m。而在道路防护方面，则采用生物治沙措施或工程治沙措施。生物措施3 长安大学硕士学位论文则是种植当地耐干旱的植物，工程措施则是采用金属板、塑料、水泥板、农作物秸秆等制作沙障和阻沙墙。此外，美国在土工织物加土工格室固定沙漠方面取得了很多经验。1.2.2国内的应用和发展甘肃省周边的新疆、内蒙古、陕西、宁夏等省区已经修筑了一些沙漠地区高速公路，也先后对沙漠地区公路修筑技术进行研究，取得了一些成功经验。分布于新疆的沙漠面积占国内沙漠的半数以上，远远多于其他省份，在沙漠公路修筑和研究方面也开始较早，上世纪50年代末开始，兰州沙漠研究所、新疆交通科研院、新疆公路局等单位先后在沙漠边缘对风沙地貌、公路防沙、路基横断面边坡等方面进行了试验研究，之后又开始了工程防沙与生物治沙相结合的公路筑路技术研究，并取得了一系列科技成果。从1995年至今，新疆主要进行了G315线且末县城至卡拉米兰段和且末—塔中沙漠公路的科研工作，同时对轮台—民丰沙漠公路运营后的效应观测、施工检测方法、沙漠公路养护、防沙工程维护、成本核算等问题进行了许多研究。新疆已在上世纪修建了我国第一条横穿塔克拉玛干沙漠的沙漠公路，陕西省在本世纪初修建了我国第一条沙漠地区高速公路—榆靖高速公路。在这些方面，新疆和陕西走到了前面，并总结出适应本省的一系列技术和经验。所以，随着沙漠公路的不断实践势必促进对沙漠的不断了解和沙漠地区筑路技术以及沙害防治的研究和推广。甘肃省风沙路段广阔，有比较多的地方沙漠道路经验，特别是近年来，民勤至武威等地方二级公路的建设，也与中科院寒旱所（在兰州）等单位配合做了部分研究，总结了一些经验。高速公路方面，国主干线连霍高速公路古浪至嘉峪关段也受风沙影响，但因影响较微弱，未做系统的防沙设计。而本论文依托的实体工程是目前甘肃省真正意义上的风沙路段高速公路项目。1.3本文研究的主要内容和技术路线1.3.1研究的主要内容本文通过野外实地调查和对一些经验资料的分析，针对沙害特征提出合理的公路路基防护形式。本文研究的具体内容根据沙害对路基的危害，主要分为两个方面：第一、减轻路基风蚀为主的路基防护措施防止路基掏空、坍塌而采取的防护措施的研究，如路基的填土高度、坡率，路基填料，路堤、路堑的坡面防护措施，路肩及积沙平台的防护措施以及路基中土工材料的应用等。4 第一章绪论第二、减轻路基沙埋为主的路基防护措施减少风沙通过路基而致沙粒沉落以及沙丘对路基的掩埋而采取的防护措施的研究。如路基横断面的选择，工程防沙体系的建立，沙障控制公路沙害的机理研究和应用等。此外还包括为满足工程设计和施工需要提出的一些合理的建议。1.3.2研究方法、技术路线为了完成上述研究目标，本项目采取如下技术路线：1、通过现场调查和有关资料的收集等手段，获得影响研究区风沙活动特征的资料，分析环境气候影响因素；2、通过对资料的计算分析，获得设计所需要的基本参数，主要有临界起动风速、输沙量、主导风向、沙源分布等；3、在进行风沙地区高速公路路基的稳定性研究时，分析路基损坏的原因和影响因素，同时参照区域旧路的风沙侵蚀状况和实体工程的建设情况，以此来确定路基填料、横断面形式，指导路基防护设计。4、研究风沙活动对公路本身以及行车安全所带来的危害，重点分析风沙对路基的危害特征及其形成机制，从而针对不同路段的风沙危害特征和成因提出相应的路基边坡防护形式以及防止风沙危害的综合防护体系，并完成研究报告。资料收集获得气候特点分析路基和路调研旧路、实最终提出路和风沙特征基边坡稳定体工程以验证基防护模式野外观测设计计算资料图1-1研究技术路线框架图结合国家高速公路网青岛至银川公路陕西定边至甘肃武威联络线营盘水至双塔段（以下简称营双高速公路）的实体工程，对项目所在地地质、地形、气候观测数据进行分析，确定设计思路和基本方案，根据工程实际情况提出详细的、具体的防风沙设计。实体项目于2010年年初开工建设，论文研究期间，又根据项目实施过程中的具体问题进行了必要的验证和修正，以最终能够形成一个系统的适合甘肃省实际的风沙地区高速公路路基防护的经验，对以后的建设提供一些参考。5 长安大学硕士学位论文第二章沙漠路基气候和环境数据的分析2.1环境资料收集及气候数据分析对项目所在地周边环境及气候资料进行分析是非常重要的，但是实际公路设计过程中经常会被忽略。沙漠路基环境气候资料的收集和分析为沙漠地区高速公路路基防护设计提供了科学依据。2.1.1沿线沙漠特征营双高速公路所在区域处于甘肃省北部腾格里沙漠南缘和祁连山余脉向黄土高原过渡地区，地形由南而北、自东向西逐渐变低。走廊带内南部为中山、低中山区，中部为山前平原，北部为沙漠、半沙漠区。路线穿越风沙路段两侧基本为连绵不断的各类固定、半固定沙丘，地势平坦开阔，若遇到大风沙尘天气，沙粒极易因风沙携带、搬运或堆积。腾格里沙漠是中国第四大沙漠，位于内蒙古自治区阿拉善左旗西南部和甘肃省中部边境，面积42,700平方公里。沙漠内沙丘面积占71％（其中7％属于固定、半固定沙丘），以流动沙丘为主，沙漠西南部（项目所在地）原有地表为戈壁滩，大部有植被覆盖，主要为麻黄和油蒿。受风向影响，风携带沙砾在戈壁滩表面形成格状沙丘链及新月形沙丘链，高度多在1～5m之间。也有复合型沙丘链高5～10米，常向东南移动。由于地表裸露，且气候干燥，风沙频繁，形成了沙漠边缘典型的风积地貌和风蚀地貌。所以，本项目所在区应定义为戈壁风沙地区或沙丘覆盖的戈壁平原。区内海拔高度：1700～1900m，公路气候区划：ⅢD1河西东部干旱寒冷气候区，最大冻土深度：90mm～120mm。图2-1治沙林场（左）、八步沙林场（右）沙漠区本项目共有约17公里长路段穿越八步沙林场（3.5公里）、治沙林场（13.5公里）等风沙地貌区（见图2-1），其中约有8公里穿越半固定沙丘区、9公里穿越固定沙丘区，另有约17.5公里路段穿越戈壁区、沙漠化土地区（表面有厚度不等沙层覆盖的耕地）和受风沙影响较大的农田灌溉区，近35公里长的风沙路段占全线长度的1/5，里程长、危6 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析害大。2.1.2沿线风沙特征本文主要针对这35公里长的风沙路段进行研究。根据调查，沿线无流动沙丘，主要有以下几种形态：半固定沙丘：也称半流动沙丘，沙丘整体基本固定或移动量不大，但局部仍处于活动状态，并在风力较大时能产生较强的风沙流活动。固定沙丘：沙丘表面稳定固结，基本上不存在移动问题。沙地：在原有的戈壁滩表面有薄层沙沉积或覆盖的地带。沙漠化土地：在气候变化和人类活动等因素作用下，所产生的一种以风沙活动为主要标志的土地退化过程。其中包括风力作用下的土地风蚀、风沙流、流沙堆积、沙丘活化与前移等一系列过程，还有当地居民无序放牧和一些工程建设等，受这些影响而引起退化的土地。本项目穿越风沙路段主要有八步沙林场和治沙林场两个主要的片区，以及一些属于沿线村庄的表层由薄沙层覆盖的沙漠化耕地地路段。林场内主要以半流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘为主，若不加强治理，其有逐渐向流动性沙丘转化的危险，周围的沙漠化荒地面积也会逐步扩大。这些都会对今后的高速公路的建设及运营带来巨大危害。沿线风沙特征详细分段见下表2-1：表2-1沿线沙漠情况一览表序起止桩号长度沙丘性质主风向具体情况危害情况号K423+230~表层薄纱覆沙质草滩荒地,右侧积沙严重，有较厚的局部有沙埋1800NEK424+030盖一条沙陇沉积层，厚度约3-4m。危险K424+030~易遭受沙埋2470坡面积沙NE连续山坡，坡面积沙严重，沙厚0.2~0.8m,K424+500危害K424+500~固定-半固定林场风沙区，由风吹细砂堆积而成，沙有风蚀与沙31660NEK426+160沙丘层表面较松散，局部钙化结为硬壳。埋危险K426+160~半固定-半流呈波状沙丘，新月形沙丘链，由风吹细易遭受沙埋4940NEK427+100动沙丘砂堆积而成，沙层表面松散。危害K427+100~固定-半固定风蚀地貌区。呈风蚀残丘，局部可见风易遭受风蚀51070NEK428+170沙丘蚀洼地。残丘多为粉土夹砂。及沙埋危害7 长安大学硕士学位论文K428+260~河道两侧均有松散的风成沙堆积，地表易遭受风蚀6740固定沙丘NEK429+000沙层厚度变化大，局部夹有粉土层。及沙埋危害K429+000~易遭受沙埋7130沙土荒地NE风成沙堆积，局部夹有粉土层。K429+130危害K429+350~表层薄纱覆表层薄沙荒地，因位于山脚，风吹后堆易遭受沙埋850NEK429+400盖积危害K435+950~地表为松散的风成沙堆积，沙层厚度变易遭受风蚀9800沙质荒地NEK436+750化较大，局部夹有粉土层。及沙埋危害K439+340~零星小固定沙质荒地，地表为松散的风成沙堆积，易遭受风蚀10460NEK439+800沙丘局部夹有粉土层。及沙埋危害K439+880~地表为松散的风成沙堆积，沙厚度不大，易遭受风蚀、111320沙质荒地NEK442+200以粉土层为主。植被覆盖率极小。沙埋K442+200~平沙地或称为小沙原，地形宽广平坦，易遭受风蚀12990固定沙丘NEK443+190风蚀洼地发育，部分已开垦为旱地。及沙埋K443+190~半固定半流大沙丘，地形宽广平坦，风蚀洼地发育，易遭受风蚀133950NEK447+140动沙丘部分已开垦为旱地。及沙埋危害K447+140~平沙地，地形宽广平坦，风蚀洼地发育，易遭受风蚀141960固定沙丘NEK449+100部分已开垦为旱地。及沙埋危害K449+100~半固定-半流由风吹细砂堆积而成，沙层表面松散，易遭受沙埋15730NEK449+830动沙丘植被覆盖率在10％以下。危害K451+660~易遭受沙埋16210半流动沙丘NE由风吹细砂堆积而成，沙层表面松散。K451+870危害K451+870~平沙地，多数已开垦为耕地。地表以风易遭受风蚀17930沙地NEK453+900蚀为主，风沙主要在冲沟边缘堆积及沙埋危害K453+900~小沙原，多数已开垦为耕地。地表以风易遭受风蚀18900固定沙丘NEK454+800蚀为主，风沙主要在冲沟边缘堆积及沙埋危害K454+800~为固定-半固呈波状沙丘、高大沙丘、沙垄，由风吹易遭受沙埋193300NEK458+150定沙丘细砂堆积而成，沙层表面松散。危害。2.1.3气象、风速、出现频率项目所在地区气候干旱，昼夜温差大，热量充沛，风沙频繁，植被稀少，年降雨量280mm以下，蒸发量达2100mm以上，日照持续时间长。极端最低气温为-21.5℃，极端最高温度达31.5℃以上，常年主导风向为东北风，最大风速为16m/s，风沙日占全年总天数的40%左右，其中3-6月份风沙日高达全月的1/2以上。8 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析年平均气温：6.5℃，一月平均最低气温：-14℃，七月平均最高气温：37℃，年极端最低气温：-29℃，年降水日数：小于80天，年降水量：280mm以下，日最大降水量：小于40mm，年最大风速：20m/s。2.1.4风向数据分析现场勘测调查时通过多种措施或者根据风沙的沉积特点来辨别局部工点的风向，然后我们又多次深入沿线附近武威气象站、古浪气象站收集了连续三年的风向及风沙天气等常规气象观测数据。这些数据包括一般沙尘天气和沙尘暴天气天数，整点平均风风向、风速，每日最大风风向、风速，每日瞬时极大风风向、风速，对这些数据的整理或并依此完成了当地的动力风向风速图（玫瑰图）和风向观测资料统计表。我国气象站风向观测按16个方位进行，某风向频率按F（某时段风向频率）=m（该时段内风向出现次数）/n（记录总次数）。通常把频率最大的风向称为主导风向。以主导风向为公路设计的主要依据。下图为整理完成的古浪站和武威站的风频率玫瑰图。图2-2古浪站和武威站的风向频率玫瑰图9 长安大学硕士学位论文2.2风速参数的计算和选定2.2.1确定沙漠起动风速供沙漠公路设计所需要的风速，是能致沙粒起动时的风速。沙粒起动风速的大小取决于沙粒粒径、地表性质和沙子含水率等因素。干燥沙子起动风速和沙粒粒径的关系可用表示为式（2.1）：（式2.1）式中：d为沙粒平均粒径（单位：mm），为2m高处风速m/s。气象站的风观测是在8m高度风标测定的，所以必须把2m高度风标风速换算成8m高度风标风速，可用式（2.2）描述：V2=0.75V8（式2.2）式中：V8—8m高度风标风速（m/s）V2—2m高度风标风速（m/s）关于沙粒平均粒径，可用沙粒直径的图解度量，取其具有代表性沙子经过筛分析（圆孔筛孔径为5、3、2、1、0.5、0.25、0.10、0.074mm）算出各筛孔通过或累计筛余百分数，绘制沙子粒径与相应粒径的百分数曲线，查出百分数坐标为50%时交与曲线所对应的粒径，即为沙子的平均粒径，其算式为式（2.3）：dcp.=P50（式2.3）结合本项目沙粒试验结果所得本项目区起沙风风速为4.4m/s，根据观测资料，当地每天的最大平均风风速都远远大于4.4m/s，整点平均风风速也大多数超过4.4m/s，因此风是造成沙粒堆积造成沙害的重要原因。2.2.2确定动力风向风速关于动力风向风速，是按风质点的动能原理导引的，在此为平均起沙风速的平方与该风向频率的乘积。即式（2.4）：（式2.4）式中：V动—动力风向风速（m/s）；10 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析—平均起沙风速（m/s）按算术平均值计算；—风向频率（每月各风向频率）%。计算动力风向的风速是月平均起沙风速。计算出的全年各月平均起沙风速及其风向频率后，可依次算出全年各月的动力风向。并以此绘制年动力风向风速图。动力风向风速图状似玫瑰，所以也叫动力风向玫瑰图，将一年中逐月各动力风向按比例点于各自方位上，并相连成图，由图可知该处沙丘移动的方向及沙垄伸趋势和各方向风所占的比率。综合以上气象资料经整理后确定当地主风向为东北风（EN），见图2-3，一般沙尘天气出现天数为46天，沙尘暴天气出现天数为12天。图2-3动力风向玫瑰图2.2.3确定沙漠公路与主导风向交角主导风向确定后，即可算出每处风沙路段的交角。根据相关的研究成果和防治经验，不同的角度对公路路线线形、横断面、边坡坡率、路基防沙方案有不同的影响。我们总结出以下几方面。（1）积沙量和风向夹角成正比，随路线走向和风向夹角的增大，积沙量增加，夹角大于30°时积沙量猛增，因此沙漠公路走向与多年主风向呈30°以下的交角是最佳路线选择。（2）风沙高速公路的路基横断面和边坡坡率的选定与不同角度下风沙的运动规律有不同的影响。（3）夹角不同对公路外的防风沙体系有不同的要求，交角越大，防风难度越大，防沙体系及规模也越大。沙障、防沙栅栏的布设均与夹角有关。因此，论文后面论述路基及路基防护工程时均与角度有关系。营双高速公路路线走向为由东向西，而主风向为东北向，夹角在60°~85°之间，所以要做系统的防风沙设计。11 长安大学硕士学位论文2.3项目沿线沙源的确定由于风沙危害的实质就是风力作用下沙子的吹蚀、搬运和堆积，风沙流是造成地表风蚀的主要因素之一，也是影响戈壁公路行车安全的最重要因素。为此，抑制和减少外来沙源、减轻路基风蚀、减少风沙流活动是公路路基防护成功与否的关键。因此，针对公路沿线地区的实际情况，首先要明确研究区风沙流活动的沙源，寻找其发生、发展规律，以便制定合理的防护措施。沙漠路基设计所需要的沙粒起动风速的大小取决于沙粒粒径等因素，所以需对地表沙层、原状土或沙源土质进行取样分析，以方便研究和计算。该项工作主要通过野外调查、相关资料分析、室内样品分析等手段完成的。2.3.1确定沙源分布区首先通过对沿线的详细调查和对所获得资料的分析，查明不同土地类型的分布面积和分布区域，从而初步确定影响公路及行车安全的主要沙源分布区。本区域处于甘肃省北部的腾格里沙漠南缘，沙源主要来源于腾格里沙漠。此外沿线分布着绿洲农田、灌丛沙堆和沙漠化土地、沙砾质戈壁等土地类型。（1）防护林网保护下的绿洲农田：该土地类型主要分布在沿线村镇附近如大靖镇、土门镇范围内，土壤多为绿洲灌溉农田土，风沙危害微弱，在防护体系中可以不予考虑，见图2-4。图2-4灌溉农田区卫星影像（2）河道滩涂地：主要分布在大靖河、古浪河岸边，由于水分较多，地表植被覆盖度较高，地表物质为河滩土，一般不易起沙。（3）沙砾质戈壁：在K440~K450段公路北侧广泛分布着晚更新世冲洪积物组成的砂砾质戈壁，由于物质组成松散，表层为半胶结状态，在人为活动破坏表层的胶结物之后，易遭风蚀，形12 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析成携沙风，给公路带来危害。故在防护体系中应予以重视。（4）灌丛沙堆、沙丘、片状沙地和沙漠化耕地：见图2-5。图2-5K457路段原有公路北侧的片状沙地和南侧的沙漠化耕地研究区有17Km穿越了灌丛沙堆、固定沙丘、半固定沙丘，地表覆盖物少，易退化形成沙源，故在防护体系中应予以重视。此外还有受风沙影响的耕地路段，这些路段目前还有林带保护，土质以黄土夹杂沙土为主，一般不易起沙。2.3.2土质样品分析为分析本区域土质类型和其对风沙形成的影响，我们还对公路沿线进行详细的实地勘探，见图2-6。在不同地表类型区挖掘、测量和记录了8组地质剖面，对剖面分5层取样，每个剖面重复3次，合计120个样品。所获样品进行了实验室粒径分析室进行粒径组成分析。图2-6典型剖面分层取样13 长安大学硕士学位论文由于半固定~固定沙丘、戈壁、沙漠化土地、灌丛沙堆是研究区的主要风沙地貌类型，因此分别在上述类型地区选择典型区进行地表物质组成的研究。为了详细了解地表类型的物质组成，在高速公路沿线不同区域的地表随机测量了10个地表样方，每个样方的面积为20厘米×20厘米，首先对各样方在同一高度，进行相同焦距的拍照，按照网格法计算出单位面积内粒径>2毫米的砾石表面积，从而得出样方的砾石覆盖度，然后将各样方地表以下2厘米高度范围内的土样搜集回室内，利用筛析法得出不同粒径的重量百分比。研究结果表明，在沙漠戈壁0-2厘米表层，粒径大于2mm的砾石平均覆盖度为10-12%，各粒径组成中，峰值粒径为2-3mm的砾石，其平均重量百分比为28.17%，粒径大于2mm的砾石平均重量百分比为32.83%，粒径为2-0.02mm的平均重量百分比为64.80%，粒径小于0.02mm的粉沙和粘土的平均重量百分比为2.37%。结果表明，研究区主要路段地表为砾石百分含量较低的沙砾质地表。图2-7公路沿线沙砾质地表2018表层161412(%)108百分含量64204〈4-3.203.20-2.502.50-2.002.00-1.601.60-1.251.25-1.001.00-0.800.80-0.630.63-0.500.50-0.400.05-0.020.02-0.01粒径0.40-0.315(mm)0.100-0.080.08-0.0630.063-0.050.01-0.0050.315-0.2500.250-0.2000.200-0.1540.154-0.1250.125-0.100图2-8研究区砂砾质戈壁垂直剖面分层粒径组成14 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析研究区沙砾质戈壁典型剖面的粒径组成如图2-8所示，表层的主粒径峰值集中在2-3.20mm，次粒径峰值集中在0.125-0.2mm左右；中间层的粒径峰值则分别向右移动到0.63-0.80mm和0.02-0.05mm左右；底层粒径的峰值则分别位于1-1.60mm和0.01-0.02mm左右，说明从表层向下，沙物质组成逐渐变细。野外调查结果表明，研究区的戈壁在类型上属于沙砾质戈壁。根据观察，沙粒质戈壁床面属于不稳定床面，在沙砾质戈壁表面的砾石层破坏之后，下层的细粉沙物质极易在风力作用下形成风沙流，给公路和行车带来危害。图2-9雏形（左上）、发展中（右上）、逐渐活化的（左下）灌丛沙堆和丘间地（右下）除了沙砾质戈壁之外，固定、半固定沙丘、灌丛沙堆等风沙地貌类型虽然在研究区整个路段占较少的部分，但却是影响公路和行车安全的主要沙源。本项目以位于旧路S308线八步沙附近南北两侧的白刺灌丛沙堆作为典型区进行了研究和观测。研究结果表明，戈壁滩上分布较多灌丛沙堆，上风向携沙风遇到白刺等灌丛的阻挡之后，风速减慢，沙物质沉积在灌丛附近，形成灌丛沙堆，随着沙物质的增加，灌丛沙堆逐渐增高，当沙堆增高到灌丛植物的根系无法得到地下水补给的时候，植物因缺水枯死，失去植物固定的沙堆随之变成活动沙丘，向下风向移动，为公路的风沙危害提供丰富的沙源。野15 长安大学硕士学位论文12外观测结果表明，位于公路北侧的部分线形沙丘即由灌丛沙堆演化而来，见图2-9。108(%)64百分含量202.50-2.002.00-1.601.60-1.251.25-1.001.00-0.800.80-0.630.63-0.500.50-0.400.05-0.020.02-0.010.40-0.3150.100-0.080.08-0.0630.063-0.050.01-0.0050.315-0.2500.250-0.2000.200-0.1540.154-0.1250.125-0.100粒径(mm)图2-10.八步沙S308线路南灌丛沙堆表层粒径分布图2-11.不同风沙地貌类型沙物质粒径含量重量百分比16 第二章沙漠路基气候和环境数据的分析141210(%)86百分含量4204〈4-3.203.20-2.502.50-2.002.00-1.601.60-1.251.25-1.001.00-0.800.80-0.630.63-0.500.50-0.400.05-0.020.02-0.010.40-0.3150.100-0.080.08-0.0630.063-0.050.01-0.0050.315-0.2500.250-0.2000.200-0.1540.154-0.1250.125-0.100粒径(mm)图2-12.八步沙路南灌丛沙堆丘间地粒径分布通常来说，沙漠沙的粒径主峰值集中在0.1-0.25mm的细沙范围内，其次为粒径0.25-0.5mm的中沙和粒径为0.1-0.05mm的极细沙，粒径2.0-0.5mm的粗沙为最少。不同的风沙地貌类型对应着不同沙物质含量百分比，见图2-11。而对八步沙路南发展中灌丛沙堆粒径分析的结果（图2-10、图2-12）表明，正在发展中的灌丛沙堆主峰值粒径为0.5-1.0mm的粗沙，其次才是0.1-0.25mm的细沙，再次是1-2mm的极粗沙，这说明灌丛沙堆相对于活动沙丘来说有较强的稳定性，如果加强保护固定灌丛沙堆，维持它的稳定性，则可以有效控制沙源。但是，对八步沙区域内一些高大、逐渐活化灌丛沙堆的研究结果表明随着沙堆体积的增大和灌丛的退化，其粒径结构逐渐向活动沙丘的粒径结构靠拢，也就是说峰值粒径变为0.1-0.25mm的细沙。17 长安大学硕士学位论文第三章风沙地区高速公路路基设计风沙地区高速公路路基设计主要是考虑风沙路基的稳定性。研究过程中我们首先查找了风沙路基的损坏原因，分析风沙地区路基填筑的影响因素，同时对同区域同走廊带的旧路的风沙侵蚀状况进行了详细的分析总结，并将其作为一个重要的参照。风沙地区路基横断面设计是路基设计的重点部分，合理确定高速公路路基横断面是防风沙设计的关键。3.1路基损坏原因和影响因素分析3.1.1风沙地区公路路基损坏的形式和原因首先我们分析一下风沙地区公路路基损坏的形式，一般常见的路基病害有以下几个方面：（1）路基持续的下沉：①压缩下沉：压实路基在行车与路基自重作用下，颗粒间隙还会被进一步压密，相应密度增加，或者施工时压实度不足，也会导致发生压缩下沉，这对风沙路基来说是难以避免；②路基局部下沉：路基局部下沉一般在路基或路堤底部的中心处，由于路基及路堤在底部的中心压力超过了地基承载力导致路基局部下沉；③高路堤整体下沉：高路堤在自重作用下及行车荷载发生整体下沉，主要由于地基设计整体承载力不足所致。（2）路基侧向变形严重：风沙地区公路路基在行车荷载作用下，路基边坡逐渐变形，向外侧倾斜，并使路基行车道部分凹陷，这是风沙地区公路路基在运营期容易发生的病害现象。一是由于地基承载力不足引起的路基侧向变形；二是路基侧向抗剪强度不足，在汽车荷载水平力作用下产生的。（3）风沙流频繁袭击路面：风沙流由于受阻在路面上而沉积，这种现象在沙尘暴季节经常发生，其造成的公路危害有下面几种情况：一是积沙较薄时，积沙造成行车阻力、车速减缓。二是积沙较厚时，积沙会形成沙埋使路面产生车槽、沙辙，造成行车及会车困难。严重时，如驾驶不当，会造成车翻人亡的交通事故。（4）风沙流袭击路基：风沙流袭击路基引起的危害有两种：一是路基边坡一直到路肩被覆盖，使驾驶员分不清路面、路肩与边坡。这种灾难性的覆盖使行车十分困难，有时无法前进，稍不注意，会使车辆侧滚翻倒路侧。二是风沙流风蚀路基边坡，形成风蚀孔洞并逐渐变大，使边坡与路肩损坏，直接威胁到路面的正常工作。18 第三章风沙地区高速公路路基设计3.1.2风沙地区筑路的不利因素（1）粘性材料严重缺乏：风积沙是一种松散体，由于缺乏粘性，它的塑形指数近乎于零，风沙地区普遍缺乏粘土材料，本项目也不例外。（2）水源稀少：风沙地区水源严重缺乏，这对修筑公路十分不利。路基压实、基层拌合等均需用水，而且要求水质要好，矿化度低。风沙地区地下水层位较深，经调查，沿线地下水为在70米以下，通过钻井取水也相当困难。（3）路基施工困难：风沙地区路基稳定性难以控制，尤其是高路堤在压实过程中容易失稳，地基凹陷，并向两侧挤出。在施工前需对风沙地基做好特殊处理，再进行路堤填筑。3.1.3原有公路现状对此区域相同条件下的公路进行必要的调查，可以为设计提供宝贵的资料和经验。为此，我们在高速公路路基设计前详细的了解了旧路的设计情况和目前现状。与本项目平行的原有公路S308线是1998年由原甘肃省计委立项，甘肃省公路局负责实施的二级公路。路线约有4公里路段穿越八步沙沙漠地带，与此段高速公路相距2Km，原有公路部分路基指标和采取的防护措施如下：（1）路基宽12m，路面积沙现象不多，仅在零填和挖方路肩处有少量积沙，且因公路等级低，运行车速不高，少量积沙也未对公路造成大的危害；（2）路基基本依据地形设计，多为低填浅挖路基，路基填土高度平均在0.5~3m，风蚀情况较弱。（3）低填方路基土路肩部分硬化，填方坡脚和挖方土质边沟均有种植沙柳等植物，植被长势良好；（4）低填路基坡脚之外，在迎风面设置了10-20m天然疏沙带（机械整平），间断独立沙丘用麦草方格网进行固沙封闭。（5）对深挖路基（最大挖方高度3.95m）的边沟之外，路基两侧设5-6m宽积沙平台，积沙平台范围内沙丘整平后用麦草方格网固沙封闭。（6）在风沙严重路段，草方格使用较多，从目前看效果较好，能够固定两侧的沙丘，避免起沙。（7）在路床顶面设置了土工布和土工格栅，提高沙土路基的整体强度与抗剪强度，防止路基在使用过程中的沉陷。通过我们对原有S308线二级公路调查资料的整理，然后我们对照在建高速公路设19 长安大学硕士学位论文计要求进行对比评价，见表3-1。表3-1原有旧路现状调查对比表序影响因素原S308线二级公路待建高速公路标准及要求对照评价号公路等级二级公路、高速公路、路基宽度越窄，其所受风沙影1路基宽度路基宽12m路基宽不小于24.5m响越小，造成的危害越小。风沙路段地质和气候特性基2穿越沙漠情况穿越沙漠路段为4km穿越沙漠路段为17km本一致，但穿越里程相差大。路线平、纵面指标要求不高，指标要求高，不可避免的会高速公路对原沙漠段的破坏3指标多依据地形、低填低挖出现少量高填深挖，大，路线可调整余地不大。中央分隔带易成为阻沙带，需4中央分隔带无有特殊设计防止积沙。路肩位于边缘，受风蚀影响5土路肩硬化必须硬化大，必须硬化。填方1：2，应根据不同的填、挖高度采边坡放缓有利于风沙流快速6边坡坡率挖方缓于1：1用不同的缓坡率通过，但越缓造价越高原有公路填、挖方均不高，边高速公路需采取适当防护形7坡面防护坡坡面可忽略不计，也未相应应全面防护式才能保证坡面稳定。处理整平带是防风固沙总体防护8整平带有2km设置了10-20m整平带应当设置的组成部分，应合理设置。9积沙平台有2km设置4-6m积沙平台.应当设置同上细沙填筑、分别掺粘土、土工应确定路基填料、换填措路基需保持长期稳定，路基填10路基填筑塑料格栅、土工布加固施、压实施工方法等。料用量大，应保证够用。5cm沥青面层+20cm稳定基层.应提高路面设计标准，保证高速公路相对于原公路交通11路面+16cm砂砾垫层高速公路使用功能。量和车辆荷载等大大提高在设计前除参考以上的一些因素，我们将甘肃周边省市已建或在建风沙地区高速公路进行了调查，并与相关设计单位进行了交流。吸收了相似环境条件下高速公路的设计及修建经验。在路基设计基本参数、路基横断面选择借鉴了陕西榆靖高速公路和内蒙古包头至巴彦淖尔高速公路以及宁夏境内在建的沙漠高速公路的设计经验。3.2风沙地区路基填料的选择风沙地区公路路基稳定性包括路基基底稳定性、路基整体稳定性和路基边坡稳定性。这三方面都与路基填料的选择有着密切关系。风沙地区路基填料主要有风积沙、黄土、砂砾土等。20 第三章风沙地区高速公路路基设计3.2.1风积沙填筑的优缺点在我国风沙地区公路修筑中很多采用了风积沙填筑。这当中大多为低等级公路，对路线指标、路基稳定性要求低，且路堤较低，路基稳定性较容易满足；其次是公路穿越区域无其他路基填料，只能就地采用风积沙作为填料。近几年，高速公路也采用了风积沙作为填料，并作了大量实验，积累了一定成果。虽然通过种种方式可以提高风积沙路基的稳定性，但风积沙填筑路基还是有很多不足。通过我们对风积沙填筑路基的研究和与相关公路设计单位的座谈，并现场考察查阅大量资料后认识其具有以下缺点：（1）风积沙很细，易因风蚀而流动，沙的颗粒表面活性很低，无粘性，内聚力小，非常松散，压实困难。为增强风积沙填筑路基的稳定性和抗变形能力，可设置土工材料以提高沙土路基的整体强度与抗剪强度，或需在沙中掺水泥、石灰、沥青、化学物质等进行加固，但这些掺加剂不仅增加施工工艺的难度，还易导致施工期间对高速公路附近的污染和环境破坏；（2）若大量采用风积沙进行路基填筑，需大规模在沙漠区取沙，在路线附近取沙留下的取土坑容易遭受风蚀并危及路基，另外会不可避免的破坏了多年形成的原地表硬壳层和原本不多的稀疏植被，形成新的沙源；（3）风沙地区以风积沙填筑路段容易发生干翻浆现象，使路面发生破坏。陕西榆靖高速公路和内蒙古包头至巴彦淖尔高速公路在部分路段采用风积沙填筑路基，为了保证其稳定性，采取了很多处理措施。西安公路研究所已通过榆靖高速公路的施工，总结出沙漠地区高速公路风积沙路基施工的方法。在和宁夏公路设计院进行座谈沟通后，了解到宁夏院在以往的沙漠公路设计中也曾采用风积沙填筑路基方案，但在施工中由于风积沙压实、检测程序繁琐，不好控制，施工单位反应强烈等各种原因，常常将风积沙填筑路基方案变更，在近年来的设计中已取消了风积沙填筑方案，而采用路床范围内用砾类土填筑（挖方路基路床范围换填砾类土）的方案。3.2.2路基填料的选择及具体方案本项目全线风沙路段总长度虽长，但并不连续，分成四小段，其前后均为非风沙路段，如果风沙路段用风积沙填筑，而非风沙路段再用一般填料填筑路基，则不同的填料之间变化频繁，施工不好控制；本项目与宁夏接壤，地理气候接近，都是在原有戈壁表面由风积沙形成的沙丘，沿线戈壁砂砾料较多。戈壁砂砾土远比细沙更适合做路基填料，21 长安大学硕士学位论文鉴于项目的实际情况，经综合比较后确定本项目风沙段路基采用砂砾土进行填筑，这样既避免了以上问题的出现，又确保了路基的稳定。具体做法为：（1）路基填筑高度大于2m的路段对原地表清表后铺筑一层聚丙烯编织布（土工布），然后在其顶面换填砂砾土，路堤填筑砂砾土至路床顶面后再后铺筑路面；（2）路基填筑高度小于等于2m的路段对原地表清表后换填50cm厚砂砾土，在原地表处铺筑一层聚丙烯编织布（土工布）后，直接填筑天然砂砾至路床顶面后铺筑路面；（3）挖方路段，路床部分超挖换填天然砂砾，路床底面铺筑一层聚丙烯编织布（土工布），再在其上铺筑路面。3.3风沙地区路基横断面3.3.1横断面的选择和影响因素分析合理的路基横断面形式能达到最佳的输沙效果，所以要分析路堤或路堑的边坡坡率、边坡高度对输沙效果的影响：①路堤边坡度对输沙性能的影响路堤的风流场随着边坡坡率变缓而趋向对称路堤中心线分布，边坡坡率较陡的路堤路肩处产生风蚀，背风侧弱风区面积较大。随着坡度坡率变缓，风蚀强度减弱，背风侧弱风区面积减小。②路堤高度对输沙性能的影响路堤高度影响产生的弱风区域长度约有迎风侧为路堤高度的3~5倍，在背风侧弱风区域长度为路堤高度7~10倍，弱风区面积随着陆地高度的增加成比例的增加。③路堑断面对流场影响区域分析在路堑迎风坡上，气流运动发生阻滞，近地面层风速逐渐减低，流线加密，在背风坡脚下达到最小；在路中央和迎风坡脚速度略有加强，总体上整个路堑内风速消减过快，是一个流场分布较为均匀的弱风区；通过路堑上部的流场受到下方的气流略有减缓外，变化较小。④路堑边坡度对输沙性能的影响随着路堑边坡的变缓，进出路堑的流场趋于平衡；随着路堑边坡的进一步变缓，路堑逐渐形成浅槽效应，当路堑顶口宽与其深度之比介于10~25时，就将形成较强的浅槽效应，此时路堑内的弱风区趋于零，积沙的可能性进一步减少；从风速的分布情况则发现随着坡度的变缓，通过路堑的风速在逐渐加快，路堑朝着输沙性能好的方向变化。⑤路堑深度对输沙性能的影响22 第三章风沙地区高速公路路基设计当路堑边坡为一适当的定值时，随着路堑深度的增大流场趋于路中心位置对称，坡脚弱风区在逐渐增大，路堑的输沙能力减弱、阻沙能力在逐渐提高。⑥中央隔离型式对路堤输沙性能的影响不同的中央隔离型式对路堤流场有着显著的影响，随着中央防撞栏从封闭式到透风式，对路堤流畅的影响范围也在缩短，尤其表现在：防撞栏后的影响区域在缩小，即弱风区面积在缩小。这就要求中央分隔带的形式应采用疏透形式，在防撞栏间不种植任何植物。3.3.2横断面一般设计原则风沙地区路基横断面设计的技术关键是如何保证风沙流能顺利地通过所设计的横断面，而不至于在断面上受阻或在横断面上积沙，而影响断面的正常工作状态。按照这一设计原则，设计将归结到主要设计边坡的长度、坡角、坡面形状与状态。根据物体空气动力学原理，决定坡道长度与坡角大小有如式（3.1）或（3.2）的运动方程。（式3.1）或S＝（式3.2）式中F—沙体运动的力（kN）；—坡道阻力，即摩擦力（kN）；—摩擦系数，一般为0.3～0.6；—坡角（º）；S—边坡长度；—沙体的初速度（m/s）；—沙体的末速度（出坡顶时）（m/s）；t—沙体的加速时间（s）；m—沙体的质量（kg）。按式中取一般参数为：风沙流加速时间取t＝5s，△v＝－＝5m/s（一般起沙风速为4.5m/s），即保证在坡道上沙子不致沉落的风速，坡面与沙体间的摩擦系数＝0.35，根据有关资料，坡角一般取为＝25º，则坡面的长度应为：23 长安大学硕士学位论文S＝＝＝＝≈13（m）（式3.3）L＝S·=13×0.9063≈12（m）（式3.4）上式为理论值，需要根据实际情况作一定修正。一般情况下，用一个幅度表示：L=8～15m。在选用L时，应根据当地情况而定。一般，高路堤取用高限，低路堤取用低限。路基横断面形式处理的好，风沙流顺利通过；处理不当，阻力很大，则风沙流将沉落而堆积。根据国内外成功经验，流线是坡面的最佳形式，风沙流通过该种坡面时阻力最小，坡面的状态以光滑状为最好。由于完全光滑很难实现，因此，一般坡面总有一定的粗糙度，在可能的情况下摩擦系数应控制在低限为宜（0.35左右）。3.3.3路基横断面与阻沙指标参数①阻沙指数r与路堤边坡度i的关系分析阻沙性能指数比值在相同路堤高度下，随边坡、风向夹角的变化趋势。阻沙性能指数随路基高度的变化呈现负指数变化，如式（3.5）：-B·ir=A·e（式3.5）式中：r—阻沙性能指数i—边坡坡度A、B—回归系数结合以上公式计算，路堤的阻沙能力随着边坡的放缓而减少，在0.5m高度时，1：1.5坡度时的阻沙能量是1：6时的1.7倍；在5m高度时，1：1.5坡度时的阻沙能力是1：6时的12.4倍。路堤坡度对阻沙性能的影响将随着路堤高度的增加而明显增加。②阻沙指数r与路堤高度H的关系在边坡坡度为1;1.5时，阻沙指数r与路堤高度H呈现良好的指数模式；随着边坡坡度的变缓r与路堤高度H呈现良好的直线模式。B·Hr=A·e1(适用于1：1.5边坡)r=A1·H+B1(适用于1：3、1：6边坡)式中：r—阻沙性能指数i—路堤高度24 第三章风沙地区高速公路路基设计A、B—回归系数③阻沙指数r与路堑边坡度i的关系满足是（3.6）：-B·ir=A·e（式3.6）式中：r—阻沙性能指数i—边坡坡度A、B—回归系数路堑的阻沙性能r是随着边坡坡度i的变缓而减弱；随着路堑深度增加而增加，如在路堑交角为90°时，5m深的路堑在坡度为1：2时，阻沙指数r是2m深路堑阻沙指数的18倍，在相同条件下，2m深的路堑则是0.5m深路堑的3.5倍；当高度为2m，路堑边坡从1：1.5放缓到1：6时，路堑阻沙性能指数减少3.2倍。④路堑阻沙指数r与路堑深度H的关系如（式3.7）所示：B·Hr=A1·e1（式3.7）式中：r----阻沙性能指数H----路堤高度A、B---回归系数路堑的阻沙性能随着路堑边坡度的增大而增大，在90°时，深度为1m的路堑，当边坡坡度从1：1.5放缓到1：6时，其阻沙性能减少2.6倍；相同边坡1：6条件下，深度从1m增至6m时，阻沙性能减少2.6倍。沙漠地区路基高度、横断面的合理取值是沙漠公路设计过程中需要重视的问题，涉及到路基的输沙、阻沙性能、工程造价、道路安全等诸多因素。周边已建成的沙漠高速公路路基设计均为顺地爬，填挖方高度均不高，大部分在2m之内，对于填方高度稍高的路段边坡坡率均放缓。较低的填挖方高度和缓边坡配合的横断面形式，能避免或减少风沙流对路基的风蚀和沙埋。25 长安大学硕士学位论文图3-1陕西榆靖高速公路挖方缓边坡（左）、包头至巴彦淖尔高速公路填方缓边坡（右）通过对调查资料的总结，得出不同填土高度所对应的边坡坡率，见表3-2。表3-2风沙地区边坡坡率采用值路堤横断面边坡路堑横断面路堤路堑调查推荐值调查推荐值高度深度调查值调查值（m）一级、高速二级以下（m）一级、高速二级以下0.3~0.51：8≤1:8≤1:4≤1.51：8≤1:81:4~1:60.5~1.01：4≤1:8≤1:41.51.01：21：2~1:81:1.5~1:4≥6.01：21:2~1:41:23.3.4路基横断面设计要点路基横断面是路线中线上各点的法向切面，它是横断面设计线与所围成的整个断面。合理的横断面形式能避免或减少风沙流对路基的风蚀和沙埋。①零填地段的路基横断面设计根据风沙流在行进中不遇阻力或障碍物不沉积的原理，即对不填不挖的路基横断面可以不作特殊处理而保持原地面设计状态，但有两种情况，需要对边坡进行一定的泄流设计：一种情况是为防止贴地运动的滚动式风沙流在沥青路面，特别是夏天的沥青路面上受阻。这样，两侧的边坡应做成加速流线形形式。加速流线形式的结构为：在风沙流进口一侧做凹形跌坎垂直面，紧接着与流线断面连接直至路肩。这样，风沙流进入该种断面时，首先进行一次加速，然后再由流线形断面快速疏走，达到了不积沙的目的。另一种情况是设置宽浅边沟或积沙平台，如不作特殊处理，则风沙流首先必须将积沙平台填满后，再向路肩与路面堆积。对边沟处理的方法仍然做成流线形断面。由于路面标高不提高，因而，不需做成跌坎式断面。由于路面近乎地面，因此，风沙流能顺利26 第三章风沙地区高速公路路基设计地通过边沟流线形断面而越过路面进入背风侧。②低路堤设计一般低路堤设计与上述第一种情况相似，主体以流线形边坡为主，边坡长度L＝3～5m，坡角一般为25º左右。由于路堤较低，因此边坡设计可以两边对称。由于是低路堤，因此，一般情况下可以不设边沟。它的防沙特点是在天然沙丘与公路之间设置了能截断沙移的防护带。当风沙流从天然沙丘吹来时，引起天然沙丘沙移。另一部分沙子（风沙流自带的与刮走天然沙丘的）在防护堤迎风面沉积，再有一部分沉落到了背风侧，这就是说，公路将风沙流拒之于它的较远的迎风面。公路两侧要设一定宽度的整平带，并将边坡与整平带一并予以防护，尤其流线型边坡和路肩更要加重防护，任何不平坦处及边坡沙面的暴露，都将引起沙子的风蚀与堆积，会影响流线型路堤的输沙效果。③高填路段的路基横断面设计高填路段的路基横断面由于风沙流受阻而最容易在两侧积沙。因而，防止积沙是设计边坡的关键。在这一设计中应注意两点：一是设计的坡面要长，比一般低路堤要长2倍以上，这样等于把高路堤变成了低路堤，可用低路堤的原则进行设计。二是由于坡道很长，因此，除将坡道做成流线形形式外，表面尚需进行光滑加固处理。3m以上的高路堤，坡长（L）应不小于5m，5m以上的高路堤坡长（L）应大于8m。根据风沙流贴地运行的规律，应适当加大背风坡面长度，以使风沙流迅速滑出路堤。背风坡道长度为迎风侧的1.2倍左右。④路堑地段的路基横断面设计路堑地段的路基横断面，由于在进风处出现旋涡，需要作特殊设计，来保证路堑中不积沙。本项目在挖方路段采用设置积沙平台的方式以挖做填，对于进风处坡面采用压覆卵砾石的防护方式减少粗燥度。坡面地表一般比较光坦，其粗糙度Z0很小（粗糙度Z0是平均风速减小到零的几何高度，以cm为单位），在0.3cm以内，对气流的阻力不大，因此当运动的风沙流遇到突然下凹的路堑，气流断面突然扩大，风速骤减，若整个路堑内气流分离层厚度大于路堑深度，是路堑与主风向大角度相交路段路堑内经常出现积沙的原因。浅路堑横断面设计：流线形边坡形式（1m左右路堑）这种横断面形式它的主要特点就是加强了两侧边坡的流线形形式。一般做得很长，约为3～5m，左右两侧基本一样，并对坡面进行加固，以防止风蚀。风沙流吹过坡道时，由于坡道平滑，因而气流中沙子不会沉落。27 长安大学硕士学位论文深路堑横断面设计：较深路堑横断面形式（1～3m）与一般路堑或低路堑横断面形式的区别在于坡道加长变缓且护坡道也加长，其长度应大于10m以上。这样，即使积沙，预留段也已足够，不会影响路面的工作区。3.3.5路基横断面具体设计根据以上的设计要点，经过我们对沿线的实际调查和认真研究，我们根据风向、不同的填土高度、周边地形等针对不同的路段采用不同的横断面形式。设计所采用的横断面边坡坡率详细分段（节略），见下表3-3：表3-3横断面设计一览表最大填序长度填方边坡最大挖方边挖方边坡积沙平起止桩号方边坡号(m)坡率坡高度(m)坡率台高度(m)1K423+300~K423+850右5509.31：22K423+850~K424+380右5306.21：3设置3K423+300~K423+620左3906.21：24K423+620~K423+780左16051：3设置5K423+780~K423+900左1202.41：46K424+380~K424+852右4728.61：27K424+430~K424+852左4224.21：48K424+852~K425+000右1482.61：3设置9K424+852~K426+000左11483.51：3设置10K425+000~K425+540右5403.01：411K425+540~K426+000右4603.11：3设置12K426+000~K426+246右2465.51：413K426+246~K426+830右5849.01：3设置14K426+000~K426+234左2344.71：315K426+234~K426+900左6667.41：3设置16K426+830~K427+430右6006.81：2～1：317K427+430~K427+930右5006.71：3设置18K427+930~K428+900右97011.91：4～1：219K426+900~K427+400左5004.51：320K427+400~K427+970左5709.01：3设置21K427+970~K428+900左93011.61：2～1：422K435+950~K436+400右4506.71：2～1：423K435+950~K436+400左4507.31：2～1：424K441+180~K441+700右5207.81：4～1：225K441+750~K441+900右1501.61：428 第三章风沙地区高速公路路基设计26K441+900~K442+400右5004.41：3设置27K442+400~K442+960右5602.61：428K442+960~K443+190右2303.11：3设置29K441+100~K441+420左3203.51：3设置30K441+420~K441+700左2808.81：231K441+700~K442+430左7307.61：3设置32K442+430~K442+650左2200.61：433K442+650~K442+800左1500.91：6设置34K442+800~K442+960左1602.61：435K442+960~K443+170左2106.51：3设置36K443+190~K443+730右5409.01：237K443+730~K444+160右4301.11：6设置38K444+160~K444+560右4004.21：439K444+560~K444+700右1400.91：6设置40K444+700~K445+270右5702.31：441K445+270~K446+600右13309.21：3设置42K446+600~K446+700右1003.11：443K446+700~K447+440右7408.81：3～1：6设置44K447+440~K447+570右1301.31：445K447+740~K447+960右2200.71：6设置46K447+960~K449+000右10401.41：847K449+000~K449+270右2703.01：6设置48K449+270~K449+500右2305.51：449K449+500~K449+700右2004.11：3设置50K449+700~K449+830右1306.41：251K443+240~K443+360左1205.11：3设置52K443+360~K443+700左3404.11：353K443+700~K444+200左5006.81：3设置54K444+200~K444+530左3303.41：455K444+530~K444+700左1703.81：3设置56K444+700~K445+230左5302.21：457K445+230~K446+550左13206.61：3设置58K446+550~K446+700左1502.41：459K446+700~K447+620左9206.11：3设置60K447+830~K447+930左1000.41：6设置3.3.6路基中央分隔带形式陕西榆靖高速公路路基宽24.0～36.0m，中央分隔带宽2.0～11.0m，在沙漠路段多29 长安大学硕士学位论文采用11.0m的宽中央分隔带路基，宽中央分隔带依据实际地形分别设置成浅碟流线型，便于在起风时，风沙能够快速通过路基。在中央分隔带内设置了一定厚度的粘土封层，可以减少因受到风力作用，沙粒被风吹走而产生的路基吹蚀。中央分隔带内还栽植了易于成活的灌木和草，目前长势效果良好，既是沿线景观重要的组成部分，还能起到降低风速、固沙等作用。路缘石采用卧式流线型，便于风沙吹离路面。图3-2榆靖高速公路宽中央分隔带（左）中宁至孟家湾高速公路2m宽中央分隔带（右）内蒙古包头至巴彦淖尔高速公路中央分隔带采用标准中央分隔带宽度2.0m，为使风沙能快速通过路面，中央分隔带采用平齐式，C25混凝土预制板封闭。现场考察期间正好遇到大风，离地面20cm内有少量、连续沙粒通过路面。借鉴以上高速公路不同宽度的中央分隔带和周围沙漠分布的实际情况，分析发现陕西榆靖高速公路虽处于沙漠路段，但两侧植被较好，在整体防风、固沙体系的成功作用下，沙漠已基本稳定，已无明显的流动沙漠形态。在风作用下，并无明显的风沙过路现象，两侧沙丘基本都已固定。本项目营双高速公路经过的风沙路段，基本位于八步沙林场和治沙林场，当地林业部门已栽种了大量的草灌和树木，植被有生长的条件，实际情况与陕西榆靖高速公路较为接近，因此在设计时采取的中央分隔带断面形式如下：在八布沙林场沙漠段（K453+680～K458+200）采取11.0m宽中央分隔带的路基横断面形式，不设防撞护栏。同时在中央分隔带内设置一定厚度的粘土封层，以减少因受到风力作用，沙粒被风吹走而产生的路基吹蚀。在治沙林场沙漠段（K423+200～K428+534）和其他受风沙影响的路段采取标准中央分隔带宽度2.0m方案，为使风沙能快速通过路面，中央分隔带采用平齐式，C25混凝土预制板封闭。由于但整体式24.5m路基较宽，沙粒不易一次性全部通过路面，会造成路面部分积沙现象，为有效减少风沙对公路的危害，减少沙粒过路和路面积沙现象，需要对公路两侧一定范围内进行封闭固沙，设置工程防沙体系。30 第三章风沙地区高速公路路基设计3.4风沙地区路基土工材料的应用土工合成材料主要由聚酯、聚乙烯、聚丙乙烯、聚烯胺等高分子化学原材料经过加工制成，他们都有耐腐、耐酸、耐水、强度高、延伸率小以及工程造价低等技术经济特点，在道路工程特别是沙漠地区道路上的应用前景十分广阔。在风沙地区，因沙层较厚，将沙层全部清除不切合实际，只能以沙层作为路基基底，但若不进行处理，又很难保证其稳定性，若基底不稳，整个路基的稳定性也无法保证。对于干燥的风沙路基，其顶面一般可铺设土工布，土工布采用聚丙烯编织布，其具有耐腐、耐酸、耐水，强度高、延伸率较小以及工程造价低等技术经济特点。应用土工合成材料加强加固后，回弹模量可提高到70～130MPa，能有效地提高沙土路基的整体强度与抗剪强度。设计中采用对原基底清理整平后展铺聚丙烯编织布，并使土工布与沙土基底紧密贴合并确保原基底的压实度不低于90%。经压实之后的沙基，水稳性好，不易发生不均匀沉降。3.4.1沙质土基受力分析(1)风积沙的工程特性风积沙具有级配不均匀难以压实，松散无粘性的特性，加之其大多为石英具有非亲水性，沙粒表面对水几乎没有物理吸附作用。风积沙的内摩擦角一般随其平均粒径变细而逐渐降低。本区域的细沙和粉沙其内摩擦角f约为28°~36°。松散沙的f值与天然休止角接近,下层的密沙的f值要比天然休止角大，沙的内聚力c非常小，一般近似为零，因此在计算抗剪强度时只考虑由f角所引起的抗剪力。风积沙属低压缩土，沙土地基一般E0值普遍较高。(2)沙质土基受力分析由于实体工程采用砂砾土填筑路基，因此只分析原有风积沙土基顶面和沙基的破坏机理，在公路荷载和土体自重作用下，沿破坏面分解成垂直破坏面对周围沙基土体的压力和平行破坏面对沙基土体的剪切力。由于风积沙粘聚力较小，侧向抗剪能力不足，沙基土体沿剪切面破坏。另外，车辆向前行驶的摩擦力也会传导至沙基。沙基的破坏是以上两种力的总和作用。其中，竖向方面的作用力，引起沙基土体的局部剪切破坏和刺入破坏，与车辆行驶方向相同的剪切力将引起土体的侧向剪切破坏，而引起沙基的侧向位移，坍塌、边坡鼓胀，以及纵向拥抱等路基破坏。31 长安大学硕士学位论文图3-3沙基在静载（左）和剪切力（右）作用下破坏示意图3.4.2土工合成材料的作用根据沙基的破坏机理，运用土工合成材料可以在以下两方面作用：（1）限制沙基的侧向位移，将具有一定抗拉强度的土工合成材料设置与沙基内可使沙基的侧向位移得以约束，从而提高沙基的稳定性及强度。（2）在土内设置土工材料以改善沙基土体的抗剪性能。使用土工合成材料后，首先是增强了路基的垂直回弹模量，从而使路基路面的综合整体强度得到加强，确保了路基实际使用寿命。其次作用是增强了路基的水平抗力，可使土工材料上部产生水平抗力。此外，还可以提高沙基路基的抗剪切性能。土工材料的抗剪强度或抗撕裂强度高，使来自路面的集中荷载或分布于路基上的均布荷载不致剪断土工材料而使该土体沉陷，从而保证路基的正常工作状态。铺设土工材料时，还应验算其强度是否满足要求。3.4.3土工合成材料的使用方法营双高速公路路基填料采用砂砾土填筑，所以不需在路基中铺设土工材料，只是为改善沙基基底强度不足的问题，在基底铺设了土工布。具体方法如下：路基填方高度H≥1.0m时，对原地表清表50cm厚后在底部铺筑聚丙烯编织布，采用振动压路机进行碾压后换填50cm厚砂砾土，路床和路基部分均采用砂砾土填筑；路基填方高度H≤1.0m和挖方路基时，对路床部分超挖后，在路床底部铺筑聚丙烯编织布，采用振动压路机进行碾压后直接填筑天然砂砾（砂砾含泥量不大于5%）至路床顶部。对路基基底也需进行填前碾压，用于路基压实的压路机应具备以下技术性能：10～20t铰接式自动振动压路机；振动频率在30～45Hz之间，振幅在0.4～0.1mm之间；碾压速度不大于6km/h；碾压遍数为填方路段4遍，挖方路段3遍，碾压速度以2～4km/h为宜。基底碾压后再铺设土工布，布幅宽根据路面宽度而定，允许采用工业机缝加宽，一32 第三章风沙地区高速公路路基设计般采用2～4幅，幅长以每卷500～1000m为宜。在施工过程中将土工布纵横平铺搭接宽度为30cm，土工布平铺和锚固时，必须拉紧拉平，不允许起包卷翘、推移等。土工布外观应质地均匀，编织规整，不得采用粘档、断丝、缺经少纬的次品，土工布在储运过程中，均不应靠近火源、热源，并避免受日光直接照射。实体项目-营双高速公路于截至2010年10月，风沙区路基正在填筑过程中，通过对部分填筑完的路基的观测，采用换填砂砾土和铺设土工布后，路基完全满足施工规范要求。33 长安大学硕士学位论文第四章风沙地区高速公路路基边坡防护路基边坡防护是沙漠地区高速公路路基工程中的重要组成部分，是确保路基边坡稳定的必要条件。现有风沙地区的边坡防护分为三类：生物固沙、工程固沙、化学固沙。根据本项目特征，我们只对工程固沙和生物固沙做以介绍。4.1风沙地区路基边坡防护与稳定性分析4.1.1路基边坡稳定性分析要做好沙漠路基尤其是高速公路路基的边坡防护，首先分析路基的边坡稳定性，路基边坡稳定性包括边坡整体力学稳定性和自然环境下的坡面稳定性。（1）路基边坡整体力学稳定性风沙地区公路路基边坡的整体力学稳定性必须考虑边坡横断面和坡比设计与路容的协调等多方面因素。一般遵循以下基本原则：①根据风沙地区地貌、地形特点、风沙运动特征、风向、风力、路线与风向的关系，选择合理边坡形式。②合理确定边坡体结构设计、施工压实工艺、标准及防护要求，保证边坡设计的经济性、有效性及与沿线景观的协调一致。（2）风沙环境对路基边坡稳定性的影响风沙地区公路在风沙环境作用下路基边坡易产生沙埋、风蚀现象，如不采取防护措施，掏蚀继续下去会危及路面，造成路面坍塌。高路堤风蚀最为严重，常常形成上陡下缓、坎坷不平的风蚀坡面。路基边坡稳定性不仅与路基边坡主体防护有关，而且与路基两侧防护体系也有关系。4.1.2边坡防护措施对边坡的作用研究资料表明，风蚀与沙埋均对路基边坡的力学稳定性不利，常用风沙防护措施对路基边坡的作用主要表现在以下三个方面：（1）改变路基土性质。一是采用具有发达根系的沙生植物固定路基边坡沙粒，加之枯枝落叶的堆积，腐烂后有利于有机质的聚集，促进沙的成土作用；二是采用粘土或麦草网格类的材料，改变由单一沙土构成的路基边坡。边坡土体采用上述措施改良后，强度增大，抗风蚀能力增强，有利于路基边坡稳定。（2）路基边坡栽种乔灌木或进行工程防护，如植物束笆方格防护，草方格防护等，增加了地表的粗燥度，因而也就增加了对风的阻力，削弱和抑制边坡土体的活动，降低地表风沙对路基边坡的风蚀能力，减少边坡的风蚀现象。34 第四章风沙地区高速公路路基边坡防护（3）隔绝风的直接作用。用不易风蚀材料，将路基全面覆盖，工程中常用的措施为粘土包边、卵砾石防护。我国的沙漠路基大多采用此法隔绝风的直接作用，使路基免遭风蚀和水毁病害，保证路基的完整性。设计时应重视路基边坡防护，防止发生风蚀和沙埋，确保路基边坡稳定性，保证公路的正常运营。戈壁是自然界一个重要的地表景观和良好的输沙场。运用砾石增加地表粗糙度，降低近地表风速达到抑制地表风蚀的效果，已得到广泛共识。砾石一方面起着覆盖、固定或阻截沙物质的作用；另一方面改变下垫面粗糙度，造成一种既能利于沙子堆积，又能促进天然戈壁输沙场的形成的条件，从而为风反向搬运创造一个适宜下垫面。所以在需要输沙的部位如路肩或边坡处，可以就地取材采用河滩地卵砾石或片石对路肩或边坡处进行压沙和固沙。因此，对于戈壁路段应利用好卵砾石作为边坡防护的材料。4.2风沙地区路基边坡防护设计4.2.1周边省份风沙地区路基边坡防护经验的借鉴陕西榆靖高速公路路基边坡防护的做法是在缓边坡（包括填方、挖方边坡）坡面上覆盖一定厚度的粘土包边，并在坡面上种植适合沙漠土质及气候条件的植物，如沙篙、油篙、沙打旺及沙柳等，目前长势良好，不但保持了边坡坡面的稳定，还和中央分隔带内的灌木以及路基外侧的防风林带构筑了整体的防风固沙体系，也形成了公路沿线绿色环保的优美景观。图4-1榆靖高速公路边坡粘土护面种草灌图4-2包头至巴彦淖尔高速公路骨架护面沙埋内蒙古包头至巴彦淖尔高速公路沙漠路段基本为低填方，在边坡坡面上采用了拱形骨架护面形式，但由于风积沙堆积，目前仅能依稀见到原拱形骨架的轮廓，使用工兵铲下挖约40cm后，发现仍为风积沙。边坡坡脚3～5m内为公路界，现也全部被沙粒覆盖，公路界外20m范围内有零星草丛和树苗，目前长势一般，较远处有成片的防护林带。虽然该林带已形成规模，但由于离路基较远，而路基坡脚20m范围内没有有效的坡面防护措施，不但在起风时，会有大量沙粒通过路面，而且还有边坡坡面逐渐被埋的趋势。可35 长安大学硕士学位论文以看出，防护林带由于设置距离过远未起到作用，坡脚外整平带的植物防护、工程防护没有发挥作用。另外在和宁夏院进行座谈沟通后，了解到的宁夏关于边坡坡面防护的处理措施为混凝土框格骨架内平铺卵砾石，现场考察的效果为部分路段混凝土框格骨架可见，平铺的卵砾石已基本被掩埋。图4-3种植草灌（上）、干砌片石（中）、草方格（下）三种边坡防护形式4.2.2路基边坡防护设计原则在吸收相关经验后，结合营双高速公路实际情况，并针对风沙路段不同的路基填挖方高度，设计中坡面防护采取如下设计原则：（1）填方路基高度小于0.5m路段：边坡采用1:8的缓边坡，坡面铺砌卵砾石或粘土防护后种草；（2）填方路基高度大于0.5m并小于2.0m路段：边坡采用1:4的缓边坡，坡面铺砌卵砾石或粘土防护后种草；（3）填方路基高度大于2.0m并小于4.0m路段：边坡采用1:3的缓边坡，坡面干砌片石防护或坡面层铺柴草类防护；（4）填方路基高度大于4.0m路段：边坡采用1:2的缓边坡，坡面层铺或平铺柴草类防护；（5）挖方路基高度小于3.0m路段：边坡采用1:6的缓边坡，坡面铺砌卵砾石或粘土防护后种草；（6）挖方路基高度大于3.0m路段：边坡采用1:3的缓边坡，坡面层铺或平铺柴草类防护或粘土防护后种草；此外对于积沙平台坡口外侧或整平带的缓边坡上也可采用格状草类边坡防护，形式同柴草沙障，起到固沙防沙的作用。积沙平台的外边坡可采用卵砾石防护，以减少坡面粗燥度便于输沙。边坡坡率变化的地方采用流线型过渡，对边坡坡率变化频繁的段落可36 第四章风沙地区高速公路路基边坡防护以根据实际情况进行合并。4.2.3路基边坡防护设计对于沙漠路基防护，主要应遵循“因地制宜，就地取材”的原则。防护条件不同，路基边坡设计及稳定性也不同。对于风沙路基边坡，在条件允许情况下，可采用砌体和柴草两种不同类型的措施进行防护。当采用砌体时，边坡设计可适当陡些，如干砌片石。当路基边坡采用柴草或其他同类措施进行防护时，边坡设计要缓且要适当考虑一些安全储备。此外，要考虑公路建设的经济性，这就要秉持就地取材的原则，如距河滩较近时采用卵石，离村镇近时多采用柴草类。根据本项目的实际情况最终确定了路基边坡防护形式有以下几种：①坡面层铺柴草防护：将植物的茎杆砍成50cm左右的短节，从坡脚开始向上每层按5~10cm厚度层铺、灌砂、捣实。一般设置于沙漠边缘地区，且距离村庄、农家较近，边坡坡面略陡的风沙路段；图4-4坡面层铺柴草防护②坡面平铺柴草或枝条纺织物防护：将材料扎成直径5～10cm的束把，或将其编织成芭块，沿路基坡脚向上平铺，以桩钉固定。一般设置于沙漠边缘地区，且距离村庄、农家较近，边坡坡面略缓并有景观要求的风沙路段；37 长安大学硕士学位论文图4-5坡面平铺柴草防护③坡面铺砌卵砾石防护：将卵砾石平铺于边坡坡面，先用10cm以上的卵石在边坡上做成1×1m的并和路肩边缘成45°角的方格，格内平铺粒径较小的卵砾石，路肩平铺卵砾石可适当掺配些粘土，以增加其稳定性。主要适用于风沙路段路基高度或路堑深度小于2m的路基边坡防护。在本项目应用在沿线经过的河滩前后卵砾石较丰富的路段以及整平带和积沙平台缓边坡上的防护；图4-6平铺卵砾石防护图4-7平铺卵砾石防护大样图图4-8干砌片石防护大样图④坡面干砌片石防护：在边坡坡面上先铺15cm厚砂砾垫层，再分两层铺设片石，下层铺砌15cm厚干砌片石和上层25cm厚干砌片石，部分缝隙用小石子填塞，适用于38 第四章风沙地区高速公路路基边坡防护有石料来源（青山寺）且路基高度或路堑深度小于8m的坡面防护；图4-9干砌片石防护大样图⑤坡面八棱砖防护：采用C20混凝土预制框格、八棱砖，并用现浇C20混凝土肋柱连接。框格内覆种植土10cm并撒播草籽，种植土应为无碱性、不含砂砾的农田种植土。一般用于有景观要求且风蚀影响较小的特殊工点的边坡坡面防护。图4-10坡面八棱砖防护39 长安大学硕士学位论文⑥坡面粘土包边种植灌木防护：在缓边坡（包括填方、挖方边坡）坡面上覆盖一定厚度的粘土包边，并在坡面上种植各种适合沙漠土质及气候条件的植物，如沙篙、油篙、沙打旺及沙柳等，不但可保持边坡坡面的稳定，还和路基外侧的防风林带构筑了整体的防风、固沙体系，同时也能形成公路沿线绿色环保的优美景观。一般用于低矮边坡或立交匝道边坡坡面防护。图4-11坡面粘土包边种植灌木防护4.2.4风沙地区高速公路路基排水设计对边坡防护的影响对路基边坡防护有影响的还有路基的排水问题，虽然风沙地区降雨量小，但也应注意降雨对路基及边坡的冲刷，所以应加强排水设计。风沙地区高速公路的排水主要是路面、中央分隔带、路基边坡的排水。陕西榆靖高速公路在沙漠路段一般都是宽中央分隔带形式，中分带多为凹型，全部植草，未有专门的排水措施，主要靠蒸发和下渗排水，只在底部最凹处铺砌了宽约40cm的碎砾石，用于防止雨水短时汇集后的冲蚀；填方边坡土路肩均设置了沥青混凝土拦水带，每隔50m设一道边坡急流槽，将路面水引离路界以外；挖方边坡在边坡坡脚土路肩外侧设置了连续的梯形混凝土预制板边沟，在部分缓边坡段，将土路肩做成无砂混凝土便于透水，并在土路肩外侧设置了宽浅型的积沙平台，平台外侧为缓边坡，坡面表层用一定厚度的粘40 第四章风沙地区高速公路路基边坡防护土封闭并植树、种草，目前长势良好，长成的树、草已将沙子固定，也未见有明显的流水痕迹。图4-12榆靖高速公路中央分隔带水蒸发下渗（左）、低挖方路段的路侧边沟（右）图4-13榆靖高速公路无砂混凝土透水路肩（左）及沥青砼拦水带和边坡急流槽（右）内蒙古包头至巴彦淖尔高速公路采用的是2m宽的标准中央分隔带，并将中分带用混凝土预制板封闭，路面排水在超高路段是上半幅漫流至下半幅。全线土路肩处设置了沥青混凝土拦水带，防止雨水冲蚀和风蚀，见图4-13。营双高速公路所在区属沙漠干旱地区，降水稀少，且地表土质的渗透性能好，可不设路基边沟，尽量采用散排，但对于己集中的水流要设置排水沟引离路基之外。本项目针对风沙路段分别采取如下排水措施：（1）对于本项目沙漠路段采用的11.0m宽中央分隔带的路段采用散排方式。对于采用2m宽齐平式中央分隔带的段落，对中分带进行封闭；（2）对路基高度在2m以上的平曲线内侧和竖曲线低凹处易形成集中冲刷的段落，设拦水带和急流槽，将水流排至坡脚以外，从坡脚到出口设置成缓坡。（3）挖方路基外侧设置了4.0m宽的积沙平台，并对平台底面进行铺砌卵砾石加固，挖方边坡外侧不再设置截水沟。（4）土路肩和中央分隔带路缘石处设计50cm宽30cm厚现浇无砂混凝土，在表面41 长安大学硕士学位论文栽砌砾石使其凸起，即可使路面水迅速排离，还起到对振动提醒作用。（5）由于路基外侧设置了积沙平台、整平带、防护林带、沙障固沙带等防沙措施，路域外的水流基本不会对高速公路路基产生危害，若原地表有明显沟道，应设置涵洞和导流堤以保护路基稳定。42 第五章工程防沙体系第五章工程防沙体系5.1风沙对公路工程防沙体系的危害公路工程防沙体系主要指利用当地较多的柴草、粘土、卵砾石、土工材料等，在沙面上设置各种形式的阻沙、固沙、输沙、导沙等带状、网状、格状或平铺状障碍物，以此固结或覆盖沙面，控制风沙流活动的速度、强度，达到防风固沙目的的防治体系。主要包括生物措施和工程措施，生物措施是最为有效的根本措施，但要求较高且成本大，所以常与工程措施相配合。植物措施中我们调查采用当地林场推广的沙柳、沙拐枣、梭梭等植物作为固沙林带，由于当地林场已有较好的经验，本次未对植物措施做进一步研究。项目沿线粘土较少，而农田较多，麦草丰富，当地林场采用较多的就是麦草沙障，所以本文以麦草沙障作为主要研究对象。由于麦草沙障材料具有一定的时效性，使用一定时间后，防沙体系的结构在不利因素的作用下必然发生破坏，导致防沙功能的丧失，因而，针对体系破损的特点、破损部位、严重程度采取相应的维护或恢复措施，以充分发挥防沙体系的功能。设计及论文研究期间，我们通过对当地治沙林场和旧路两侧原有的麦草沙障的情况进行观察分析，研究其破损的特点，以此来指导适用于本项目的麦草沙障。图5-1麦草沙障5.1.1公路工程防沙体系破损的形式和特点公路两侧工程防沙体系破损形式可分为风蚀、沙埋、材料腐烂以及破口四种。风蚀主要造成沙障倒伏和掏蚀，沙埋使沙障被流沙覆盖，材料腐烂使沙障分解失效，破口主要由鼠兔挖洞、人畜践踏引起，其结果是使洞口迅速扩大，形成风蚀坑，坑口出现片状积沙。不论沙障以何种形式破损，一旦出现，破损面积都具有成倍甚至呈几何级数增长的特点。(1)防沙体系破损的不等时性。公路工程防护体系破损随时都在进行，但破损的程43 长安大学硕士学位论文度与使用年限和材料有关。有资料表明：防护体系设置时间越长，破损程度越严重。以库布齐沙漠穿沙公路沙柳沙障为例，三年的防护体系破损率为26％，四年的为41％，五年的为66～70％已经基本失效。沙障的耐腐烂程度与原材料有关，稻草沙障使用时间为1~2年，麦草为3~4年、芦苇为4~6年、沙柳为4~5年。(2)防沙体系破损的不等量性。工程防护体系破损程度随地形、地貌的变化而变化，呈现不等量性。从沙丘个体来看，迎风坡和丘顶以风蚀破损为主，背风坡以沙埋为主，而材料腐烂先从丘间低洼处开始，逐步发展到沙丘的各个部位；从整体上看，沙丘高大、密集区的工程防沙体系受风蚀、沙埋的破坏最为严重。低矮沙丘区防沙体系受损程度相对较低。对同样的材料、相同使用时间的沙障来说，沙丘顶部、迎风坡中上部风蚀破损严重，背风坡中下部沙埋严重。(3)防沙体系破损的不等效性。同样破损程度的防护体系，由于所处部位不同，在形成公路沙害过程中的贡献率不同。如迎风向的防沙体系对公路路基影响较大，直接影响到路面行车安全，所以一般来说路基迎风侧均加强防沙体系的宽度，以增强防沙效果。(4)防沙体系破损的不均匀性。沙障破损程度与多种因素有关，在其他条件一致的情况下，沙障的规格越大越容易破损，通过对原有旧路两侧麦草沙障的观察，发现特别是风蚀造成的沙障倒伏表现最为明显。在规格相同的情况下，由于地形、地貌、植被等因素的影响，不同的调查点对麦草沙障的抗风蚀性能、风蚀破损程度差异较大，这需要我们对其进行仔细分析。(5)破损体系效益的残留性。不论防护体系的破损程度多大，但残留的部分仍具有一定的防护功能，即使体系全部被沙埋，其地表粗糙度仍比流沙地的大几十倍甚至几百倍。此外，人为的破坏也应注意。河西走廊地区广泛存在的砾石戈壁已形成稳定的戈壁面或硬壳层，如果没有人为活动破坏其表面的硬壳层，地表状态逐渐趋于稳定，很难起沙，但是破坏了表层砾石覆盖，下覆沙物质在强烈的风蚀作用下，会迅速向下风向运动，遇到高出戈壁面的公路，会大量积沙，形成风沙危害。所以在修筑公路的时候，要特别注意戈壁面的保护，防止对戈壁面的人为破坏作用。所以，工程防沙体系必须设置隔离设施。5.1.2公路工程防沙体系破损的鉴别（1）风蚀破损鉴别。破损率的定义是——在风蚀作用下倒伏、破损沙障与全部沙障面积之比的百分数。以破损率划分可将工程防护体系风蚀破损程度分为四级：即轻度破损、中度破损、重度破损、极重度破损。44 第五章工程防沙体系（2）沙埋程度的鉴别主要针对阻沙体系中的沙障，以沙埋率（沙埋高度与沙障高度之比的百分数）为指标，可将工程防护体系沙埋程度划分为四级：轻度沙埋：积沙厚度≤沙障高度的1/4；中度沙埋：积沙厚度≤沙障高度的1/2，两列沙障之间出现风蚀现象；重度沙埋：积沙厚度≤沙障高度的3/4，两列沙障之间出现强烈风蚀，并成为固沙带的新沙源；极重度沙埋：积沙厚度≥沙障高度的3/4，沙障基本失效。5.1.3沙障破损与风沙活动的关系（1）沙障不同破损率与输沙量的关系为研究沙障破损率与防风固沙的关系，在穿沙公路格状沙障和高立式沙障防护体系内部，通过人为地拆除沙障，形成各种破损率，然后记录和观测风速的变化和输沙量的变化。为此我们与当地八步沙林场进行了多次交流，并整理了的有关资料，通过资料的研究我们发现从风速降低百分比、输沙量变化情况分析，当沙障破损率达到40%~60%时，风速降低百分率与输沙量均发生了质的变化，主要表现在风速降低值显著减小，输沙量明显增加，可以认为此时沙障已经失去了大部分防护效益，仅有残留效益。因此沙障破损率在达到40%时必须进行及时维护。当地林业部门就是按此标准进行维护养护，所以公路后期的养护部门也要吸收经验，只有及早维护才能保障公路的畅通，还能降低维护强度和规模。（2）几种沙障不同沙埋率与粗糙度的关系高立式沙障的主要作用是切断沙源，随着沙埋高度的增加，其阻沙效率逐步降低，其粗糙度也相应的下降。实体工程有一处典型的事例，在高速公路穿越大靖镇时与明长城并行，现有长城为2至5米高左右土墙，通过对其的观察，发现其有一定的阻沙能力，并随土墙高度降低，阻沙效率和粗燥度也逐步降低。沙埋对沙障的阻沙作用的降低有着很大的影响，不过即使沙埋到90%，沙障仍然具有残留防沙作用，其粗糙度仍比流沙大的多，所以在恢复防沙体系功能时应充分利用沙障的残留防沙功能，以节约维护费用。半隐蔽式格状沙障被流沙埋压后粗糙度的变化趋势和高立式沙障大致相同，随着沙障规格的加大，粗糙度有逐步降低的趋势。沙障被流沙埋压后粗糙度降低的实质就是沙障对风的阻力降低，导致了风的挟沙能力的加强，削弱防沙体系的防沙功能。但只要沙障的沙梗还在，风蚀作用就不能无限制地向下进行。某些地方即使沙障已经被流沙埋掉，45 长安大学硕士学位论文但即使再出现风蚀，其深度也只能达到原来的沙面高度而不能继续向下进行，残留沙障构成了一个风蚀基面，风蚀活动只能在基面以上进行而不能在基面以下进行。沙障的残留效益对于防沙体系的维护和修复有重要意义。5.1.4公路防沙体系的宽度我们采用了经多年公路沙害治理总结出的一个比较精确，定量地推算防护带宽度的计算公式。首先确定主风向和公路之间的夹角，定位观察流沙的年移动速度，如果就单个的沙丘链来说，假如它距公路的距离是w，那么将在n年后到达路肩，那么他们的关系可用式（5.1）表示：QW=nDsinθ，D（式5.1）rH式中：w——防护带宽（m）；n——公路使用年限（y）；D——流沙年移动速度（m/y）；Q——输沙量（g）；H——沙丘高（m）；3r——沙子容重（g/m）；θ——主风向和公路之间的夹角。如果沙丘链的前沿已经达到路肩，经建立一定宽度的防沙体系，那么防护带宽度的计算公式可表示为式（5.2）：(nnnn)(QQQQ)sin123123W（式5.2）rH式中：Q——固沙带积沙量；1Q——阻沙带阻沙量；2Q——路基积沙量；3n——流沙克服固沙带的阻力而积沙所用的时间；1n——流沙克服阻沙带的阻力而积沙所用的时间；2n——流沙克服路基的阻力而积沙所用的时间；3在运用以上公式时，要考虑具体沙害路段流动沙丘的年移动速度及地形地物情况，灵活掌握，切不可一概而论。因为公路为长条状结构，风沙对公路的危害形式在时间上具有不等时性，在空间上具有不等量性，在形式上具有连续型危害和离散型积沙。如果46 第五章工程防沙体系沙害路段沙丘密集、沙丘高度变异不大的情况下，可考虑分区段使用该公式，如果沙丘密度很小，属离散型分布，则应根据单个沙丘计算防护距离。如果使用土工材料构建公路防沙体系，由于沙障的可调控性，在有养护条件下，则可对防护带宽度不必做过多地考虑。5.2适应本区域公路工程防沙体系的建立原S308线二级公路穿越八步沙沙漠时已有一定规模的防沙体系。因其与本项目同在八步沙沙漠林场附近，且相距不远，具有很好的指导和借鉴作用。但是无论从规模、所经沙漠段里程长度、治理的难度、受风沙影响的危害程度等各个方面都还无法与待建的高速公路相等同，而且一些适用于二级公路的措施也不能直接在高速公路项目上直接实施。沿线公路穿越风沙路段，虽有八步沙林场和治沙林场，但从目前林场治理的效果来看，林场现有的治沙植被单一，大部分植物也因极度缺水旱死，现有林场内的植物防风、固沙的效果非常有限，林场方面显得力不从心；另一方面，当地居民沿用古老的放牧传统，牧羊人和群羊任意穿越林场，踩踏并且啃食对原本稀疏的植被进一步破坏。若将来放任这些现象在高速公路两侧出现，会严重破坏公路两侧植被，影响防护效果，加大风沙对公路的破坏，危及行车安全。5.2.1工程防沙体系的设置原则通过对资料的收集、整理、研究，并作了一定的基础计算工作，考虑到现实情况，针对高速公路的线形特点来建立工程防沙体系。根据对研究区的野外调查和现有资料的研究结果，引起公路风沙危害的一个是公路自身的设计问题，另外一个就是周围的风沙环境问题。虽然建立良好的公路横断面可以具备输沙、导沙功能，防止沙物质堆积，掩埋公路。但不根除公路附近的沙源，就无法改变公路遭到风沙活动的危害。所以，针对研究区的沙源问题，我们制定了一个综合防护体系的设计方案。首先，制定减少外来沙源的合理措施，设置防护林带阻止和减弱携沙风在公路路基附近出现；通过设置林带、沙障等增加地表粗糙度，降低近地面风速，改变地表风沙流活动，使地表出现一种动态的蚀积平衡，即侵蚀量等于堆积量，地表逐渐趋于稳定。除了对外来沙源进行控制，对体系内部也要进行防护，对积沙平台、整平带及保护带进行必要的处理措施，如设置草方格、卵砾石铺砌。对于防护体系中的灌丛沙堆、沙47 长安大学硕士学位论文片、沙丘。为了避免其退化演变为沙源，防护体系采取了多种措施。首先，整平带内将原有小沙丘移走，对于较大半固定沙丘，利用沙障进一步固定，使其不能活化；其次，通过在植物保护带内丘间地和片状沙地上铺设麦草方格，固定沙源，使得不能起沙；此外还必须设置隔离设施防止人为破坏。5.2.2工程防沙体系的建立在风沙地区新修筑公路时一定要注意保护原有的天然植被，包括乔灌木林、灌丛沙包和荒漠沙生草原植被，凡是过去曾生长有植被或现在还残留有天然稀疏植被的地方，仍然具有恢复天然植被的潜在可能性。不能走先破坏后建设，一面建设一面破坏的老路。否则植被因破坏不断变少以致荒漠草场日渐缩小，固定沙丘活化，沙丘面积不断扩大，风沙对高速公路的危害愈来愈严重。保证公路的正常运营是风沙地区公路防沙工程建设的宗旨，建立经济、合理、有效的完整防沙体系是防沙工程建设的目标。沙障是最常见的固定流沙措施，其防沙原理是增加地表粗糙度，改变其上的风速廓线，从而减弱贴地面层风速，降低实际风力作用的有效性，控制风蚀。我省河西走廊地区常年受风沙侵袭，林带和林网是河西干旱地区农田、交通线等广泛应用的防风沙措施，当风沙流经过植被区时，风力和风的输沙能力降低，风沙流处于过饱和状态，即出现流沙的沉积。本次高速公路设计结合本项目的实际情况，防沙体系主要由高速公路路侧设置整平带、防护带和植物保护带等部分构成，详见下图5-2。图5-2工程防沙体系总布置图5.2.3工程防沙体系的具体内容风沙路段高速公路路侧工程防沙体系包括整平带、防护带和植物保护带。针对不同48 第五章工程防沙体系路段的实际情况分四种不同类型进行布设。①对于地表植被稀疏的大面积半流动～半固定沙丘路段，在迎风侧设置20m宽整平带，100m宽防护带，150m宽植物保护带；在背风侧设置20m宽整平带，60～100m宽防护带，100m宽植物保护带，见图5-3。防护带内为20m宽灌木林带和20m宽柴草沙障防护交替布置，植物保护带内全部设置柴草沙障。对防护带和植物保护带内的原有灌木或植被等予以保护利用。靠近公路侧的20m宽灌木林绿化带与整平带范围一同计入高速公路永久性占地，作为公路路侧防护的基础保障。其他防护带和植物保护带范围可计入高速公路临时性占地，但在高速公路施工时作为防护措施的一部分应与工程部分同时施工。防护带施工时沙障设置与灌木林种植应同时展开，沙障为植物成活、生长创造了条件，待沙障失去作用后，林带已能充分发挥防风、固沙作用。图5-3工程防沙体系总布置图（半流动～半固定沙丘路段）②对于地表植被一般的沙丘整体基本固定或移动量不大的半固定～固定沙丘路段，在迎风侧设置20m宽整平带，60m宽防护带，100m宽植物保护带；在背风侧设置20m宽整平带，60m宽防护带，50m宽植物保护带，见图5-4。防护带内为20m宽灌木林带和20m宽柴草沙障防护交替布置，植物保护带内全部设置柴草沙障。对防护带和植物保护带内的原有灌木或植被等予以保护利用。图5-4工程防沙体系总布置图（半固定～固定沙丘路段）③对于地表植被茂密的固定沙丘或表层薄沙覆盖的小沙地路段，在迎风侧设置20m宽整平带，60m宽防护带，25m宽植物保护带；在背风侧设置20m宽整平带，20m宽防护带，见图5-5。迎风侧防护带内依次为20m宽灌木林带和40m宽柴草沙障防护，背49 长安大学硕士学位论文风侧防护带内为20m宽灌木林带。图5-5工程防沙体系总布置图（固定沙丘或薄沙覆盖的小沙地路段）④对于路线经过的有风沙侵害的耕地或荒地路段，在迎风侧设置20m宽灌木林防护带，20～40m宽沙障灌木植物保护带；在背风侧设置10～20m宽灌木林防护带，见图5-6。图5-6工程防沙体系总布置图（沙漠化耕地路段）公路路侧防护体系采取的具体措施和内容详见下表5-1表5-1防风固沙处理措施一览表整平带永久占地序长度防护带宽度保护带宽度起止桩号宽度宽度号(m)(m)(m)(m)(m)1K423+500~K424+030左5302040402K423+840~K424+450右6102060403K424+030~K424+450左4202040404K424+450~K424+500左50204050405K424+450~K424+854右4042060406K424+500~K425+883左13832060100407K424+854~K426+160右1306206050408K425+883~K427+100左121720100100409K426+160~K427+100右940201001004010K426+160~K427+100左940201001504011K427+100~K427+150右50201004012K427+150~K427+610右46020404013K427+950~K428+170右214202050 第五章工程防沙体系整平带永久占地序长度防护带宽度保护带宽度起止桩号宽度宽度号(m)(m)(m)(m)(m)14K427+100~K427+150左50201004015K439+340~K440+077左73720204016K440+077~K440+218左141202017K440+218~K440+460左242202018K441+230~K441+520左290101019K441+240~K441+520右280101020K441+520~K442+570左1050202021K442+570~K442+960左39020204022K442+570~K442+960左39020204023K442+960~K443+760左8002060504024K442+960~K443+190右2302040504025K443+190~K447+140右39502060504026K443+760~K447+100左334020601004027K447+100~K447+612左512101028K447+140~K447+500右360101029K447+750~K448+300右5502040504030K447+820~K448+000左180202031K448+000~K449+300左3002060504032K448+300~K449+784右14842060504033K448+300~K449+100左80020601004034K449+100~K449+784左684201001004035K451+800~K452+100右300604036K451+700~K451+870左17020604037K451+870~K452+900左103020404038K452+400~K452+900右50020404039K453+200~K453+711右511202040K453+200~K453+636左436202041K453+636~K453+900左264604042K453+711~K454+299右588604043K454+299~K454+793右49420604044K453+900~K454+680左78020601004045K454+680~K454+800左120201001004046K454+800~K456+000左12002010015040风沙路段防风、固沙综合防护工程应积极争取当地政府的支持，还要尽可能的与农林部门密切配合，依靠群众大力开展风沙地区公路两侧的群众性植树、绿化工程，适度51 长安大学硕士学位论文的退耕还草、退耕还林，重视环境保护，共同建成公路固沙防护林区。通过生物防护治理，公路两侧沙漠边缘地区绿树成荫，达到了既能长远固沙，又能与公路沿线景观协调的目的，同时也增加了风沙地区公路环境美感。当公路两侧树、草、灌木整体互相配合形成了整体的防沙、固沙体系之后，即使再出现大风风沙天气，也可使得公路路界范围内的沙害大大减轻。5.2.4工程防沙体系的施工（1）一般规定：在通行条件较好的地区，上风侧防沙工程的施工宜先于公路施工，施工时可先空留路基附近需要推筑的部分，等路基施工完成后，立刻补齐；下风侧防护工程的施工，宜在路基施工完成后立即进行。在无通行条件的地区，防沙工程施工应与路面施工大体同步进行，在路基施工完成后，路面施工应尽快进行，为防沙工程施工创造通行条件。图5－7半隐蔽式柴草沙障布置图（2）沙障固沙施工流程如下：用铡刀将材料按设计要求截成一定长度的节；测量画线，布设草方格位置；将截裁好的材料沿布设位置线均匀地平摊在沙面上，材料走向与位置线垂直，材料中点应落在位置线上；用平头铁锹沿位置线将材料插入沙中，插入深度10~15cm或为其外露高度的1/2；方格形成后用脚向草茎的基部培沙并踩紧，使方格中间沙面成浅洼状，见图5-8。52 第五章工程防沙体系图5－8沙障施工方法5.2.5工程防沙体系的维护体系建成后必须予以维护以保证其效果，针对防沙体系的破损情况与时间的关系，我们一般将工程防沙体系的维护分为初期维护和后期维护。（1）初期维护包括日常的养护及防火检查，封禁巡查。初期对轻度破损和轻度沙埋要进行经常性的检查，发现问题及时处理，特别是保护带（阻沙带）的沙障，要仔细巡查，特别是要防止破口的出现，即使发现鼠洞也要及时封堵，防止进一步扩大。对于造成的路面和路肩边缘积沙，及时发现后及时清理。工程防沙体系的防火工作是保障工程防护体系完整的重要措施，防火主要在冬春季节以巡逻检查、限制行人司机生火取暖为手段，必要时设立标志标牌以提醒注意。本项目设计时在防沙体系的外围设置了隔离栅，以保护防沙体系免受人为的破坏，需要有人员定期的检查。除此之外，还应加强宣传力度，与执法部门配合，运用《森林法》《环境保护法》《公路法》等法律法规，依法做好高速公路路域生态系统的保护和防沙体系的保护工作。若被沙埋，要及时拔高沙障。沙障的拔高完全依靠人工作业，虽然费工费时，但是，实验证明拔高沙障的投资仅为重设沙障的50%，对于节约材料、节省后期养护成本有重要意义。此外，对于防护林带（主要为沙柳等耐寒树种）每年修剪或折断的枝叶也应充分利用，可用其作为加固加密沙障的材料。（2）后期维护一般来说，沙障在建成2~3年后，体系开始破损，但此时沙障中应该出现一些植被，植被的出现是提高防沙体系的稳定性和防沙效益、延长防沙体系的使用年限有重要的意义，加强植被的保护是后期维护中最关键的任务。对原有防沙体系的维护要根据前面提出的破损程度的不同，采取不同的方式解决。53 长安大学硕士学位论文对于使用两年以上，破损程度不超过20%的防沙体系维护的主要任务是修补、扶正、拔高沙障，维护的重点是防护林带。对于使用三年以上，破损程度不超过60%的防沙体系维护的主要任务是防止流沙上路，这时，由于高速公路的对安全的要求，应考虑对沙障进行重设。54 第六章结论和进一步建议第六章结论和进一步建议6.1本文主要结论通过这次系统的研究，我们总结归纳了一些经验，主要有以下几方面：（1）沙漠高速公路的设计，首先需要做好环境气候资料的收集，通过对气象资料的研究分析，找出主导风向，以此来指导路基的防护设计。风向资料的分析对路基防沙非常关键，就如同水文计算对于冲刷防护非常重要一样。（2）通过对资料的分析和现场调研，认识到风沙对公路的影响危害方式，公路路基风蚀是沙化及沙漠区公路沙害最为普遍的形式，主要表现在因过境风沙流的冲击、磨蚀，导致路基掏空而塌陷。沙埋路面是沙化及沙漠区公路最为严重的风沙危害形式，主要在当过境饱和风沙流运行过程中遇到路基阻碍时，因地形的变化而削弱风沙流的挟沙能力，而引起多余沙粒沉积造成积沙。（3）沙漠气候大多相同，但不同地形、不同路段又略有差异，要结合具体段落、微地形、工点来设置路基防护工程。（4）借鉴相同条件下的已建成公路的路基防护的经验是非常必要的，由于高速公路设计前的勘察不可能做到十分详细，或者所做的措施不一定适合，而同等条件下的原有公路就为我们提供了一个非常好的观察点。（5）本文详细论述了实体工程路基填料的采用情况，这也是近年来不断总结的结果。前几年，各省市虽作了不少风积沙填筑段落，并取得一定经验，但对本项目代表的戈壁滩风沙路段，采用砂砾土填筑是一个保证质量，减少施工难度，避免施工变更的方法。（6）通过对沿线原有旧路的调查，发现路堤填土高度在0.5~2m之间，积沙程度很小，查找相关的资料以及与其他设计单位交流，发现大致情况相同，所以这个高度对以后戈壁风沙区高速公路的路基设计有一定的借鉴意义。（7）风沙路基路基横断面的选择是路基设计的关键，一个适应于风沙流活动特点的断面就是理想的路基横断面形式，它应该具有良好的气流附动运动条件，即贴地层气流不分离，不产生漩涡的条件。（8）不同的路堤高度或路堑深度对应着不同的边坡坡度范围，这是由风沙路段风向风速、地形地势所决定的，就是要使路基横断面达到良好的输沙效果。（9）中央分隔带形式可根据项目特点确定，如果造价允许，采用宽中央风格带是55 长安大学硕士学位论文最佳的选择，若资金紧张、占地困难，采用齐平式的中央风格带也是一个较好的方式。（10）通过对沙障不同破损率与输沙量的关系的研究，我们发现沙障破损率在达到40%时必须进行维护。只有及早维护才能保障公路的畅通，还能降低维护强度和规模。（11）研究资料表明，半隐蔽式格状沙障比我们想象的效果要好的多。并且沙障对于防沙体系还有残留效益，只要沙障的沙梗还在，风蚀作用就不能无限制地向下进行。某些地方即使沙障已经被流沙埋掉，即使再出现风蚀，其深度也只能达到原来的沙面高度而不能继续向下进行，残留沙障构成了一个风蚀基面，风蚀活动只能在基面以上进行而不能在基面以下进行。沙障的残留效益对于防沙体系的维护和修复有重要意义。（12）对于高速公路风沙路基采用土工材料以改善基底的抗剪力是个较好的方法。若为风积沙填筑，更要采用必要的土工材料加筋以改善土层之间的侧向约束力。由于风积沙较细，施工中不容易刺破，只要考虑土工材料的耐久性和强度，土工材料便可较好的应用在风沙路基的处理上。（13）治沙是个系统的工程，施工时尽量减少破坏，建成后不但需要及时的维修和养护，还要对沿线居民和运营的车辆进行宣传，设置必要的标志、标牌，以保护工程防沙体系。若能跟当地的治沙工作相结合是最好的方式。我们通过该课题的实施，更新设计思路，积累了风沙地区高速公路设计经验。本条高速公路设计之初，我们因缺少该方面的设计经验，还通过积极的学习和现场考查来为设计做准备，在这个课题的研究过程中，我们拓宽了设计思路，坚持纵横比较原则：纵向是将以往设计与本项目进行对比，汲取过去经验应用于本次设计的同时改进各个环节突显本项目特色，并将以往设计中的不足加以改进和完善；横向是对照国内外的新技术、新方法及相关的发展动态，在项目要求的允许范围内改进设计，并且根据营双高速公路项目建设过程中的具体问题又进行了验证和必要的修正。综合以上各个方面，我们在坚持设计可靠性、新颖性和经济性的前提下，通过设计和科研活动的开展，针对风沙路段高速公路采取的一系列设计和处理措施既满足了设计的需要，也得到了建设单位和主管单位的一致认可。6.2进一步研究建议由于时间及项目工期所限制，对于风沙地区高速公路路基防护的研究还是很粗糙。本人水平有限，经验不足，在本次科研活动中还有许多不完善和考虑不全面之处：(l)本项目所经沙漠路段均为沙漠边缘，根据工可批复，全线路线控制点基本确定，这使本项目的路线选线方面施展的余地不大，所经沙漠区也是不得不穿过的路段，对风56 第六章结论和进一步建议沙路段的平面线型仅在满足高速公路整体的要求后根据此次成果作适当微调，未进行多方位的路线比较和研究；(2)风沙对高速公路造成的影响和危害本文只是通过原有公路或周边风沙高速公路的调查得出，还没有最直观的认识，目前实体工程路基正在施工当中，经验还需进一步的积累。(3)在成片连续风沙地区修建高速公路也可采用风积沙进行路基填筑，本次由于每段沙漠并不长，且附近取土场填料均为砂砾土，为保证施工效果，全采用砂砾土填筑，以后也应对风积沙填筑做些应用和研究工作。(4)工程防护体系的措施还未能得到实践检验，如何在施工过程中与当地政府及林业部门积极的配合来最大限度的达到防风、固沙的效果也值得关注。(5)在模拟风洞试验和数值分析方面我们做的还远远不够。由于设计周期、人员有限等原因，我们只是收集了当地风沙和风向等气象资料做以研究，未做相关的风洞试验。在设计中我们只是采用一些相关资料和经验公式来确定相关设计参数，更多的是借鉴了风沙地区公路建设的研究成果。所以在本项目的适应情况，有待施工过程中进一步观察、积累、总结。为能继续完善研究内容，更好的总结经验，我们准备在未来的建设中做好以下几方面：(l)继续与项目建设单位紧密联系，在路基防护实施过程中总结经验与不足。(2)在施工阶段积极配合施工单位和建设单位，加强对风沙路段的监测调查与设计回访，进行动态设计，对细部设计需改进的及时根据实际情况调整。(3)在本次研究的基础上建立一套适用于类似风沙路段高速公路建设的理论分析方法、参数计算公式和路基及防护设计通用图，为以后同类设计提供经验与依据。以上这些遗留问题我们将持续进行研究整理，力争在施工完成后最终能够形成一个系统的、适应我省实际的、风沙地区高速公路的路基防护设计经验。57 长安大学硕士学位论文参考文献[1]朱震达，吴正，刘恕等.中国沙漠概论[M].北京：科学出版社，1980[2]陈隆亨，李福兴等.中国风沙论[M].北京：科学出版社，1998[3]彭世古，陈晓光.沙漠地区公路设计、施工与养护[M].北京：人民交通出版社，2004[4]吴正，彭世古.沙漠地区公路工程[M].北京：人民交通出版社，1981[5]王振清.中国公路防沙治沙[M].辽宁大学出版社，2000[6]盛安莲.沙漠地区公路设计[M].北京：人民交通出版社，1996[7]陈广庭.沙害防治技术[M].北京：化学工业出版社，2004[8]朱震达、赵兴梁等.治沙工程学[M].北京：中国环境科学出版社，1998[9]黄强，雷加强，王雪芹.塔里木沙漠公路不同地貌部位的高立式沙障阻沙特征[J].干旱区地理，2000，23(3)：227-232[10]胡春元，杨茂，杨存良等.库布齐沙漠穿沙公路沙害综合防治技术[J].干旱区资源与环境，2002，16(2):71-77[11]何兴东，赵爱国，段争虎等.塔里木沙漠公路灌木固沙带的防护效应.生态学杂志[J]，2002.21(4)：26-30[12]吴正等.风沙地貌与流沙工程学[M].北京：科学出版社，2002[13]唐勇，李志农等.沙漠公路路基的机械化施工工艺研究[D].新疆交通科研所，1996.[14]新疆交通科学研究所.风沙运动规律与公路沙害的防治[D].新疆：1982.4[15]高永，邱国玉，丁国栋等.沙柳沙障的防风固沙效益研究.中国沙漠，2004.24(3)：366-367[16]陈晓光罗俊宝张生辉.沙漠地区公路建设成套技术[M].北京：人民交通出版社.2006[17]邹本功，丛自立，刘世建.沙坡头地区风沙流的基本特征及其防治效益的初步观察[J].北京：中国沙漠，1981[18]沙漠地区公路设计与施工技术指南(JTJ/TD31-2008).交通运输部.2008.7[19]朱震达，赵兴梁，凌裕泉，胡英娣，王涛.治沙工程学[M].中国环境科学出版社，1998[20]吴正，丛自立，洪占三.公路沙埋的公路防治[C].甘肃：中国科学院兰州沙漠所集刊，科学出版社，1982[21]常兆丰，仲生年，韩福桂.粘土沙障及麦草沙障合理间距的调查研究[J].中国沙漠，2000.20(4)：455-457[22]景宏伟，丁宁.干旱半干旱区风沙盐碱地高速公路人工植被建设技术[M].人民交通出版社，2008.758 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