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风积沙路基公路设计施工及防沙方案

【摘要】:沙漠地区公路沙埋归根结底皆为风沙流运动的结果。据内蒙古交通设计研究院洪占三研究,L/H=10~25的凹状浅槽剖面能形成比较理想的风沙流。此外,浅槽中是否积沙与风速无明显关系,如果不是沙丘整体埋压,浅槽的形态基本稳定,风沙流可以顺利通过,说明这种方法还是可用的。认为主要与输沙断面的使用条件有关。

沙漠地区公路沙埋归根结底皆为风沙流运动的结果。风沙流是一种贴近地表的气固两相流,当气流的挟沙力大于风沙流中的含沙量时,地面产生风蚀;当气流的挟沙力小于风沙流中的含沙量时,地面堆积。而气流的挟沙力(输沙率)是和风速超过沙粒起动速度部分的三次方成正比(据吴正1965年在新疆莎车布古里沙漠的观测,距地表10 cm高度内的输沙率与200 cm高度上的风速具有如下关系:Q=1.47×10-3u 3.7,r=9.9)。根据这一原理,在风沙流到达公路前减少气流中的含沙量或提高风速都可以避免公路积沙,为了在减少积沙的同时不出现边坡风蚀,最好使风沙流保持不蚀不积的状态顺利通过。这种办法前人已经进行过多次的理论探讨和小型试验,只要条件合适,还是可以使用的。所以在中长线进行清沙试验时,利用清除出来的积沙修筑了公路输沙断面,断面的基本形式见图5-18。

该输沙断面由浅槽和风力加速堤组成。风力堤位于路基上风向30 m处,使用清除下来的路面积沙堆积而成。浅槽位于风力堤与公路之间,经人工修筑而成,风力堤顶标高与路肩边缘标高一致,浅槽最深点居中。L/H约为18(试验区A段H约为60 cm,L为11 m,B段H约为110 cm,L为21 m)。风力堤迎风侧的坡度不小于1∶4,堤顶为圆弧形;浅槽与公路及风力堤的衔接须平稳圆滑,坡面最深点与弦长之比不小于1∶10。实际操作中,浅槽最深点两侧可以建成不小于10 m的圆弧。风力堤的作用在于产生足够的气流上升力,使贴近地表层的风沙流借助上升气流保持非堆积搬运状态。浅槽的作用则是为了保持气流的连续性,避免因附面层的分离而产生沙子堆积,并为风沙流创造一个有足够容量的非堆积搬运地带,使风沙流不蚀不积并顺利通过公路。可以说这是一种以大自然之力还治大自然之灾的技术措施。

为了保持输沙断面的稳定性和有效性,用30%的固化剂对风力堤迎风坡以及浅槽迎风坡进行了封闭处理。据有关资料,用草皮、砾石黏土(体积比为黏土1砾石2)的混合料效果也很好。

据内蒙古交通设计研究院洪占三研究,L/H=10~25的凹状浅槽剖面能形成比较理想的风沙流。这时剖面70%以上的沙量从弦部以上吹走,而弦部以下不足30%的沙量借助浅槽中的气流升力搬运。在试验区也观察到,输沙断面建成后,各观测点底层含沙量减少,上层有所增加,从而改变了原风沙流结构,有利于沙子的搬运。这一点从风沙流结构特征值上就可以看出(表5-53)。此外,浅槽中是否积沙与风速无明显关系,如果不是沙丘整体埋压,浅槽的形态基本稳定,风沙流可以顺利通过,说明这种方法还是可用的。

图5-18 路基输沙断面的基本形式

表5-53 输沙断面建设前后风沙流结构特征值(λ)的变化

(续表)

据洪占三观测,内蒙古交通设计研究院曾在207国道K201处投资4 000元建设一处输沙断面,施工后经过三个风季效果尚好,每年仅需少量维护就可以达到公路输沙的目的,保证了交通运输畅通无阻。尽管输沙措施初期投资较多,但如果完全依靠人工清沙,三年的清沙费也在3 000元以上。可见,输沙断面的成效是显著的。

但是,为什么多年来输沙断面没有得到广泛应用?认为主要与输沙断面的使用条件有关。经野外实地观测,认为输沙断面的建设和保持需要有以下条件:①下风区有足够的储沙空间;②不能有过于强烈的反向风;③沙丘密度不能过大;④对于整体前移的沙丘基本无效,所以,上风向如有流动沙丘必须先予以固定。