西部三类沙漠地区公路路基调查结果:风积沙路基公路的设计

2002年7—9月进行了不同类型沙漠地区公路横断面的调研勘察，调查范围覆盖新疆、内蒙古、陕西、宁夏等省区的流动型、半流动型及固定型沙漠、沙地。调查的路基包括路堤、路堑和半填半挖三种形式，调查的具体内容有路线名称、路段桩号、路基高度、路基横断面坡度、路面宽度、积沙带宽度、沙害状况、路线方位角、与主风向夹角以及有关建设年限、防护情况等方面的信息。了解目前西部各省区按照原路基设计规范设计并修建的沙漠公路路基的横断面形式，在经过多年运营后公路路基的使用现状，尤其是横断面形式的变化情况，从而确定公路路基设计规范中关于沙漠地区路基横断面坡度的适应程度。

3.3.1.1 流动性沙漠地区公路路基使用状况调查及分析

流动性沙漠的调查工作是在新疆的塔克拉玛干沙漠中进行的。塔克拉玛干沙漠位于塔里木盆地之中，该盆地东西长约1 500 km，南北宽约600 km，面积约为53万km2，盆地的中央为塔克拉玛干沙漠，沙漠面积为33.76万km2，占盆地面积的63.70%。年蒸发量约在2 000 mm以上，而降雨量仅为30 mm左右，属极端干旱地区，除边缘有大量的胡杨、红柳等乔灌木分布外，腹地仅有极少数的红柳和芦苇，多为一望无际的沙海。

工作组于2002年7月中旬携带全站仪、水平仪、GPS、地质罗盘、钢尺等测量工具，乘车对塔克拉玛干沙漠公路进行了为期近10天的调查测量工作，调查范围包括现有的使用多年的沙漠公路，以及在建的两条沙漠公路，具体情况见表3-11。

表3-11 调查范围

沙漠公路的路基横断面坡度虽然是按照原路基设计规范设计，并且所有路段边坡均设有草方格沙障，但在施工和运营过程中受施工质量和风沙沉积的影响仍然会发生变化，最终所形成的路基边坡是相对稳定的，且在当地的环境下成为输沙和阻沙相对平衡的这样一种横断面坡度。它的变化是随机的且局限在一定范围内。采用概率统计的方法分析横断面坡度的变化范围，就会发现在流动性沙漠地区目前公路路基设计规范有关二级公路以下的横断面坡度的适应程度。

1）分布规律的检验

为了找出沙漠公路实际边坡变化的一般规律，按照出现的概率情况进行初步统计处理，处理结果见表3-12。

表3-12 各路段边坡值的概率计算

其中n＝16

初步假设它们服从正态分布，则上述参数分别是总体均值μ和方差σ2的极大似然估计。

做出原假设：H 0：总体服从正态分布，即X～N（0.290 77，0.015 26），将样本数据分组，见表3-13。

表3-13 分组进行概率计算

根据χ2拟和优度检验知：

式中 r——分组数，这里为5；

k——总体分布中的未知参数，正态总体为2，即总体均值μ和方差σ2。

该检验的拒绝域为

在这里，显著性水平为95%，即1－α＝0.95，所以α＝0.05。查分布表可知

而检验统计量的观测值为

所以接受原假设，即流动性沙漠公路使用10年后路堤边坡坡度的变化服从正态分布，并由此可判断其构成总体各路基高度的边坡值也呈正态分布。

2）不同路堤高度边坡均值的区间估计

（1）路堤高度0.3～0.5 m时的边坡坡度均值区间估计。

选取枢轴量为

则置信度为1－α时的置信上下限为

其中

本题中各个量如下。

样本均值:对应的边坡比率为1∶4.63。

样本方差（修正)

α＝0.05，所以1－α／2＝0.975；n＝9

查表知：t 1－α／2（n－1）＝t 0.975（8）＝2.306。

将以上数据代入置信区间，即得到总体均值x－在置信度为95%的置信区间为（0.137 3，0.294 4）。其对应的边坡比率分别为1∶7.28和1∶3.40，与路基设计规范推荐的边坡比率1∶6对比可以发现，规范值虽然也在范围之内，但偏上限，基本上适应；因此认为流动性沙漠地区路堤高度0.3～0.5 m时的边坡坡度推荐为1∶5更加合理。

（2）路堤高度0.5～1.0 m时的边坡坡度均值区间估计。按照上述方法可计算出边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.186 7，0.435 6）。对应的边坡比率为1∶5.4和1∶2.3，与原路基设计规范推荐的边坡比率1∶8对比可以发现，规范值已不在区间内，可以说不具指导意义；因此认为流动性沙漠地区路堤高度0.5～1.0 m时的边坡坡度推荐为1∶4更加合理。

（3）路堤高度＞1.0 m时的边坡坡度均值区间估计。按照上述方法可计算出边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.233 9，0.381 3）。对应的边坡比率为1∶4.3和1∶2.6，与原路基设计规范推荐的边坡比率1∶3对比可以发现，规范值虽在区间内，但在中值偏下，基本适应实际情况；因此认为流动性沙漠地区路堤高度＞1.0 m时的边坡坡度推荐为1∶3.5更加合理。

3）不同路堑高度边坡均值的区间估计

参照路堤边坡的分析方法，对路堑边坡的调查数据进行类似分析。

（1）路堑高度≤1.5 m时的边坡坡度均值区间估计。边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.171 3，0.510 4）。对应的边坡比率为1∶5.84和1∶1.96，与原路基设计规范推荐的边坡比率范围1∶4～1∶10对比可以发现，规范值的上下限均高于实际应用值，指导意义不强；因此将规范推荐值与实际调查值相结合，认为流动性沙漠地区路堑高度≤1.5 m时的边坡坡度推荐为1∶4～1∶6时更加合理。

（2）路堑高度≥1.5 m时的边坡坡度均值区间估计。边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.312 9，0.398 6）。对应的边坡比率为1∶3.20和1∶2.51，与原路基设计规范推荐的边坡比率范围1∶1.5～1∶4对比可以发现，规范值的上下限包含了实际应用值，具有一定的指导意义；将规范推荐值与实际调查值相结合，认为流动性沙漠地区路堑高度≤1.5 m时的边坡坡度推荐为1∶2.5～1∶4时更加合理。

4）不同路堑深度积沙带宽度的均值区间估计

在所调查的路段，有的地段设了积沙带，有的则未设，路堑深度多在1.5 m以上；设积沙带的路堑段主风向的背风侧较宽，迎风侧较窄；对所调查数据分析发现，边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信区间为（2.06，1.44），分析结果与路基设计规范1.5 m以内深度的积沙带宽度的推荐指标1～2 m接近，而与1.5 m深度以上的推荐指标2～4 m差距较大，说明规范推荐指标与实际应用状况基本不相适应。

3.3.1.2 半固定型沙漠地区公路路基使用状况调查及分析

半固定沙漠的调查工作是在新疆位于准噶尔盆地中央的古尔班通古特沙漠中的油田公路进行的。准噶尔盆地似不等边三角形，东西长约850 km，南北最宽处约为380 km，盆地面积为22万km2。盆地腹部为古尔班通古特半流动沙漠，面积约为4.5万km2，占盆地面积的20.5%，年降水量100～80 mm，年蒸发量达到1 600 mm以上，固定半固定沙丘面积曾经占到沙漠总面积的97%、植物覆盖度在固定沙丘上可达40%～50%。20世纪80年代后期，为了油田的开发，在沙漠边缘和腹地修筑了不少简易公路，90年代初伴随着油田的产出，在原有简易公路的基础上修建起了三级公路，尤其在准噶尔东部地区油田干线公路、支线公路已经成网，调查组所调查的对象正是这些公路。需要说明的是，所调查路段的边坡，在设计和施工中均采用了芦苇草方格沙障防护，目前这些草方格虽已腐烂，但天然生长的沙漠植物已基本恢复，起到了良好的护坡作用，因此目前所调查的边坡是在防护条件下的边坡。调查范围见表3-14。参考流动性沙漠地区路基横断面边坡调查数据的数理统计分析方法，对所调查的数据进行分析如下：

1）路堤高度＜1 m时的边坡坡度值的分析

正如上述各个调查路段所描述的那样，在半固定沙漠地区低矮路堤横断面的坡度设置优先考虑的是植被易自然恢复的坡度，由于施工的原因会造成路基范围内的植被发生破坏，因此路基受风的危害主要体现在沙埋和风蚀两个方面，由于未破坏处植被相对稳定，移动沙源较少，沙埋沙影响可以忽略不计，风蚀是主要危害。风流场的规律表明，无论采用怎样的横坡度，当风速超过起沙风后，风蚀就会发生，路基高度越大、边坡越陡，风蚀就越严重。原路基设计规范将1 m以内的路堤高度划分为两个等级，在调查研究过程中发现，从路堤的输沙效果和路堤的建设投资两方面考虑，认为：在半固定沙漠地区以1 m为界，1 m以内的路堤边坡尽量放缓，考虑到边坡上植物的生长以缓于1∶2为宜。高于1 m的路堤，则应做较详细调查，看其边坡实际的分布情况。因此对高于1 m的路堤进行了详细调查，而对低于1 m的路堤仅做定性的分析。

2）路堤高度＞1 m时的边坡坡度值的分析

参照流动性沙漠地区公路路基边坡的统计分析方法，对半固定沙漠地区路堤高度＞1.0 m时的边坡坡度均值进行估计，则边坡的坡度总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.234 2，0.474 3）。对应的边坡比率为1∶4.3和1∶2.1，建议在该类地区，边坡比率限制在（1∶4.5，1∶2.0）范围内，原路基设计规范对于草丛固定沙地路堤有1∶2的边坡比率规定，而对半固定沙漠地区能够自然生长植被，但生态非常脆弱的地区没有明确规定，本研究调查过程弥补了原规范的不足之处。

表3-14 调查范围

3）路堑深度≤1.5 m时的边坡坡度值的分析

正如对半固定沙漠地区路堤高度＜1 m时的边坡坡度值的分析，路堑深度≤1.5 m时的边坡坡度值的调查分析也存在类似的情况。该类地区的路堑风沙危害也表现为两方面，背风堑坡的沙沉积和迎风堑坡的风蚀，路堑越深、堑坡越陡，风沙危害也越大。背风堑坡的沙沉积可通过降缓堑坡坡度、预留积沙平台和保持堑坡外的植被不被破坏而得到缓解；但迎风堑坡的风蚀却必须通过人工沙障和使用中的植被自然恢复得以缓解，当路堑深度≤1.5 m时，上述措施受工程造价的制约较少，边坡的选择主要从边坡草方格沙障的设置和植被易于恢复方面来确定。而当路堑深度≥1.5 m时，上述措施就会引起激增，而受到制约，因此需对路堑边坡有所规定。综上所述，通过对半固定沙漠的调查分析，推荐路堑深度≤1.5 m时的横断面边坡至少缓于1∶3。

4）路堑深度≥1.5 m时的边坡坡度值的分析

参照流动性沙漠地区公路路基边坡的统计分析方法，根据调查的数据，对半固定沙漠地区路堑深度≥1.5 m时的边坡坡度均值进行分析，则当边坡总体均值x－在置信度为95%时的置信上下限为（0.310 4，0.487 5）。对应的边坡比率为1∶3.2和1∶2.1，则建议在该类地区，边坡比率限制在（1∶3.0，1∶2.0）范围内，原路基设计规范未将该类地区与流动型沙漠和固定型沙漠区分开来，一律确定为1∶1.5～1∶4，虽然该范围也包含了上述建议的范围，具有一定的适用性，但其范围依然较大。考虑到不同类型沙漠的特殊性，建议路堑边坡坡度仍按照路基类型分类确定，而不是简单地按照深度划界确定。

3.3.1.3 固定型沙漠地区公路路基使用状况调查及分析

固定型沙漠的调查工作是在内蒙古和陕西两省区完成的。调查对象为内蒙古的浑善达克沙地、乌兰布和沙漠，陕西与内蒙古交界的毛乌素沙漠及宁夏界内的腾格里沙漠沙坡头等地区已成型的和正在修建的沙漠公路。

1）浑善达克沙地调查分析

浑善达克沙地位于内蒙古的北部，属固定型沙漠，与蒙古接壤，面积为2.14万km2，年降雨量为289.2～389.2 mm，年蒸发量为1 709.9～1 975.6 mm，最高气温36～40℃，年最低气温－42.4～－32.2℃，年平均风速2.8～3.9 m／s。多雨的年份，这里是一望无际的草原，少雨年份则表现出沙地裸露、植被稀少的景象，但整个沙地没有沙丘分布，地势较平缓。调查点位于国道208线苏尼特右旗—二连浩特路段上。国道208线横穿整个沙地，为南北走向，与沙地主风向呈大角度相交。该路连接集宁—二连浩特，等级为三级，路基宽度为8.5 m，路面宽度为7.0 m。

沿线路堤高度多在1～2 m之间，横断面边坡坡度在1∶1.5～1∶3之间，与原路基设计规范中沙地条件下路堤边坡指标1∶2基本一致；沿线路堑深度多为≥1.5 m的路段，横断面边坡坡度则在1∶4～1∶8之间，与原路基设计规范确定的指标1∶1.5～1∶4出入较大，见图3-12。全路沿线虽未设任何形式的沙害防护设施，但也没有形成危及行车安全的沙害，仅在部分低矮路堑段有沙舌掩埋路肩的情况；而在一些路堤段，尽管路基两侧40 m范围内植被稀少，沙地裸露，因路堤横断面边坡坡度设置恰当，除路肩处有轻微风蚀外，没有形成较大规模的沙害。

由此可得出初步结论，通过该类沙地的公路，按照原路基设计规范推荐的路堤边坡指标，在不设防护的条件下，路堤段不会产生规模沙害，规范推荐指标基本适应；而路堑段若采用原路基设计规范推荐的指标，在边坡不设防护的条件下就有可能产生一定规模的沙害，原路基设计规范推荐指标基本不适应。

2）乌兰布和沙漠调查分析

乌兰布和沙漠面积为0.99万km2，年降雨量108～119 mm，蒸发量2 955 mm，最高温度41.8℃，最低温度31.2℃，年平均风速2.7～3.1 m／s。调查点位于1998年建成通车的巴音浩特—吉兰特盐场专用线上，公路等级为二级，路堤边坡为1∶1.5～1∶2，沿线路基未采取路堑设计方式。公路沿线地形较开阔，没有大型沙丘分布，该路段在修建好的四年运营期中，最大的沙害就是路堤边坡的风蚀，因全线在设计时已考虑采用黏土护坡，见图3-13，所以这种侵蚀也是微不足道的。

图3-12 国道208线苏尼特右旗—二连浩特段公路路堑地段横断面

图3-13 乌兰布和沙漠公路

调查路段路堤边坡采用了1∶1.5～1∶1.2坡度，且设计了黏土护坡，与原路基设计规范推荐的边坡指标和防护措施完全一致，在运营的四年中未受到风沙流破坏性的侵害，说明规范推荐的指标和相应措施是合适的，完全适应这类地区。

3）毛乌素沙漠调查分析

毛乌素沙漠位于内蒙古南部、陕西北部，面积为3.21万km2，是我国几个典型的固定型沙漠之一；毛乌素沙漠年降雨量为387.7～346.7 mm，蒸发量为2 254～2 253 mm，年最低气温为－29.8～－31.4℃，年最高气温为35.3～36.6℃，地下水位较浅。从目前的景观看，公路沿线所通过的区域内植被茂盛，沙丘上灌木、乔木生长情况良好，少有沙丘裸露，见图3-14。在该沙漠调查的路段有以下两段：

（1）省道S204线榆林—神木段。该路为省道S204线的组成部分，道路等级为二级，路基宽度为12 m，路面宽度9 m，路肩采用沥青面层硬化，路线走向与主风向基本垂直。该路原设计路基横断面边坡坡度均按照一般地区的选用，但在施工和养护的过程中，路基横断面已发生了变化，路堤横坡度为1∶1.5～1∶4，均未设坡面防护；从使用情况看，无论是路堤段还是路堑段都没有发生沙害情况。

（2）榆林—靖边在建高速公路。该路是西部大通道内蒙古包头经陕西西安、重庆至广西北海的组成部分，全长115.92 km，路基宽度有26 m和35 m两种。该路基采用了多种横断面形式，有整体式路基横断面形式，也有分离式路基横断面形式。沿线针对不同的地质条件采取了不同的路基横断面边坡。对于风积沙的路堤和路堑，主要是采取了黏土表层覆盖和植被恢复等措施。对应于不同防护措施，所采用的路基横断面坡度为：

①黏土覆盖加植草绿化：当路堤高度h≤1.0 m时，路堤横坡度为1∶8；路堤高度1.0 m＜h＜3.0 m时，路堤横坡度为1∶3.0；路堤高度3.0 m＜h≤8.0 m时，路堤横坡度为1∶2.0。

②当路堑深度h≤1.5 m时，仅植草绿化，路堑横坡度为1∶8；路堑深度1.5 m＜h≤6.0 m时，仅植草绿化，路堑横坡度为1∶4.0；路堑深度h≥6.0 m时，采用三维土工网垫植草绿化，路堑横坡度为1∶2。

榆林—神木段的调查资料说明，在当地的自然条件下，当二级路的路堤边坡采用1∶1.5～1∶4时，只要坡面植被栽种及时，路堤边坡不需要采取特殊的防护措施，边坡就能保持稳定。因此可以说原路基设计规范推荐的路堤高度＞1 m时的边坡指标1∶2也是基本属于上述边坡范围的。

榆林—靖边高速公路的调查资料弥补了原路基设计规范中沙漠地区高速公路路基横断面坡度的推荐指标。从对上述各指标的分析可以发现，路堤高度的界限值有所变化，与二级路相对应的高度界限范围内，高速路的边坡上限值远大于二级路的。判别这些指标是否合理的依据就是在这种边坡条件下，植被能否迅速得到恢复，且在自然条件下能否长期保持。而该路段在路面尚未完工的条件下就已经形成了较稳定的防护，且在完工运营两年后的自然环境条件下依旧起到良好的防护作用，使路基免受风蚀危害，说明在固定沙漠地区，其采用的边坡指标是合理的，可以作为高速公路路基设计规范中该类沙漠条件下路基边坡的推荐指标。

图3-14 毛乌素沙漠景观