阻沙率在沙漠公路高大沙丘段防沙體系設(shè)計中的應(yīng)用

張迎輝

(中鐵十五局集團(tuán)第五工程有限公司，河南 洛陽 471002)

1 工程概況

阿拉爾—和田沙漠公路位于塔里木盆地三條綠色走廊之一的和田河綠色走廊東側(cè)外緣(和田河?xùn)|岸)，穿越塔克拉瑪干沙漠段的公路沿線分布有密集的新月形沙丘鏈群，特別是靠近和田的部分路段，高大新月形沙丘鏈群與格狀沙丘(蜂窩狀沙丘)相間分布區(qū)，地勢南高北低。其中阿(拉爾)和(田)沙漠公路第三合同段所屬K409+000～K425+000段穿越復(fù)合高大沙丘段，也是該沙漠公路項(xiàng)目唯一連續(xù)復(fù)合高大沙丘段，沙丘頂至底面落差達(dá)到5～18 m，其中以落差8～15 m的復(fù)合沙丘為主。

該路段圖紙?jiān)O(shè)計的防沙體系為路線迎風(fēng)側(cè)設(shè)置兩道阻沙柵欄(距路線70 m，沿沙丘脊線布置)、背風(fēng)側(cè)設(shè)一道阻沙柵欄(距路線40 m)，迎風(fēng)側(cè)的兩道阻沙柵欄間隔5 m，柵欄高度1.5 m，埋深0.3 m，外露1.2 m。柵欄底部兩側(cè)各設(shè)計寬度為1m的半隱蔽式沙障(草方格)固沙。該路段沙漠路基施工完成后，防沙體系施工隨即迅速跟進(jìn)，以保證完成后的路基在風(fēng)沙季節(jié)來臨時避免或減輕風(fēng)沙危害。該段防沙工程于2006年4月底完成，但經(jīng)過5～8月份風(fēng)沙季節(jié)后，防沙體系出現(xiàn)較大面積的掩埋、倒伏和損毀(圖1、圖2)。現(xiàn)場統(tǒng)計累計掩埋、倒伏及損毀長度達(dá)5.4 km，其中線路迎風(fēng)側(cè)占90%左右。針對這種情況，通過反復(fù)調(diào)查分析，提出運(yùn)用阻沙率概念對該段防沙體系進(jìn)行系統(tǒng)評價，以確保防沙體系設(shè)計滿足連續(xù)高大復(fù)合沙丘段風(fēng)沙環(huán)境條件下的防沙要求。通過對該段防沙體系設(shè)計合理優(yōu)化，取得了較好的效果。

圖1 復(fù)合高大沙丘區(qū)的防沙體系

圖2 高立式防沙柵欄倒伏

2 輸沙強(qiáng)度與阻沙率

阻沙率是指工程防沙體系中，在阻沙措施(包括阻沙柵欄、固沙草方格、阻沙墻等)合理布設(shè)的情況下，在單位時間內(nèi)(多為1個風(fēng)沙年)停積于阻沙體及其附近的沙量。它是一個量值指標(biāo)，在一個相對較長時段內(nèi)(如連續(xù)幾個風(fēng)沙年)，這個量值是相對穩(wěn)定的。

輸沙強(qiáng)度(輸沙率)是指貼近于地表的攜沙空氣氣流(風(fēng)沙流)在單位時間內(nèi)通過單位寬度或面積所搬移的沙量。其影響因素很多，除風(fēng)向、風(fēng)速外，沙粒的粒徑大小、級配、比重、形狀、濕度及密實(shí)度等均對其產(chǎn)生明顯影響。而影響風(fēng)向、風(fēng)速大小的因素則更多、更復(fù)雜。地表濕度、粗糙度影響風(fēng)速的垂向分布，甚至很小的地形起伏，風(fēng)沙流飽和程度等都能導(dǎo)致風(fēng)流場的變化，從而影響風(fēng)向與風(fēng)速。

有研究資料表明［1］:對同一種風(fēng)積沙(即粒徑、級配、比重、濕度、密實(shí)度等相同)，其輸沙率隨風(fēng)速的增大而增加。大多數(shù)學(xué)者得到的輸沙率與風(fēng)速的3次方或風(fēng)速超過沙粒臨界起動風(fēng)速的那部分風(fēng)速的3次方成正比。亦有學(xué)者得到輸沙率與上述風(fēng)速的平方成正比，在風(fēng)速被限定后，輸沙率與沙粒直徑的平方根或3/4次方成反比。

3 阻沙率野外測定

由于阻沙率是一綜合性指標(biāo)，受多種因素的共同影響，因此必須在野外實(shí)地測定。在K420+000～K422+000路段設(shè)置了2 km的試驗(yàn)段，重點(diǎn)測定該段防沙體系在風(fēng)沙季節(jié)的阻沙率，以確定高大沙丘區(qū)防沙設(shè)計的有效性和適應(yīng)性。

3.1 防沙體系試驗(yàn)的布設(shè)

(1)為了使觀測數(shù)據(jù)接近或等同于實(shí)際，試驗(yàn)工程的防沙體系設(shè)置阻沙柵欄一道，展布方向與在建公路的走向保持基本一致，并與原設(shè)計防沙柵欄位置大致平行，試驗(yàn)阻沙柵欄沿沙丘沙脊線迎風(fēng)側(cè)(外側(cè))布置，距離原設(shè)計防沙柵欄或沙脊線5～10 m(圖3、圖4)。

圖3 試驗(yàn)段草方格及柵欄布設(shè)

圖4 測點(diǎn)布置示意圖(單位:m)

(2)試驗(yàn)路段防沙體系按原設(shè)計高度設(shè)置防沙柵欄阻沙，柵欄底部的兩側(cè)沙面插設(shè)規(guī)格大小為1 m×1 m的草方格封閉固沙。柵欄高1.5 m，外露1.2 m，連續(xù)布設(shè)，按阻沙柵欄底部插設(shè)草方格總寬度(分別為1、3、5、8 m)的不同，每段長度為 500 m。

(3)K420+000～K422+000段地形起伏較大，屬新月型高大沙丘段，能集中代表高大沙丘段的地貌特征，其試驗(yàn)結(jié)果具有相應(yīng)的代表性，測得的有關(guān)數(shù)據(jù)對于高大沙丘段的防沙工程設(shè)計與施工，具有指導(dǎo)或參考價值。

(4)為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)既具有代表性且比較經(jīng)濟(jì)，試驗(yàn)段分4段連續(xù)布設(shè)，從小里程至大里程方向，阻沙柵欄兩側(cè)沙面設(shè)置的草方格總寬度分別為1、3、5、8 m，每段長度約500 m。

3.2 實(shí)驗(yàn)觀測與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2.1 測量與觀測

(1)防沙體系試驗(yàn)段建成后，立即進(jìn)行測量。測量項(xiàng)目類似公路測量中的橫斷面測量，不同的是以柵欄為中心，因沙漠地形起伏較大，測點(diǎn)間縱向間距一般為5 m，同斷面測點(diǎn)橫向間距為2 m。另外，由于柵欄在阻風(fēng)的同時還有一定的導(dǎo)沙作用，其縱向地形將隨時間而變化，因此，要在地貌形態(tài)的變化部位(如迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡相接處等)增加測樁。測量寬度:阻沙柵欄迎風(fēng)側(cè)(即主風(fēng)向側(cè))對風(fēng)速產(chǎn)生影響的范圍，一般為柵欄高度的10倍，若柵欄所在位置明顯高于附近地面，則寬度應(yīng)增大;阻沙柵欄背風(fēng)側(cè)(即下風(fēng)側(cè))測量寬度可降低，一般為柵欄高度的5～6倍即可。無論是阻沙柵欄的主風(fēng)向側(cè)(外側(cè))還是下風(fēng)向側(cè)(內(nèi)側(cè))，測量寬度都延伸至變坡處，尤其是較陡的坡面，因?yàn)樵诙钙碌穆渖称律?，沙粒因重力下滑，可直至坡底，形成風(fēng)積沙堆積，阻沙率也會因此有較大變化。

(2)為使測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，使用精密水平儀測量，所測斷面測點(diǎn)均設(shè)置明顯標(biāo)志，測樁長50～80 cm，打入沙丘內(nèi)，外露長度為15 cm左右，并沿原沙丘面標(biāo)注好刻度線，每次測量后，也同時標(biāo)注好刻度線。除此之外，還必須有能保存較久的測量基準(zhǔn)(BM點(diǎn))。

(3)測量的頻次為每月1次，或每次風(fēng)沙活動后進(jìn)行1次，一直延續(xù)至風(fēng)沙季節(jié)結(jié)束。為提高數(shù)據(jù)的可利用性，了解不同季節(jié)的積沙情況等，增加了測量次數(shù)，如在風(fēng)季開始與結(jié)束時也進(jìn)行測量等。

3.2.2 數(shù)據(jù)整理與分析

阻沙率是一個現(xiàn)場試驗(yàn)測得的綜合數(shù)據(jù)，它與現(xiàn)場的氣象條件、沙粒的物理性質(zhì)等有很大關(guān)系，但相對于一個或連續(xù)幾個風(fēng)沙季來說，其數(shù)據(jù)是相對穩(wěn)定的，而輸沙強(qiáng)度則是試驗(yàn)室模擬條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，相比較而言，阻沙率對現(xiàn)場有較強(qiáng)的針對性，更能得出合理的數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)設(shè)計和施工，更有較高的應(yīng)用價值。

本段試驗(yàn)防沙體系完成后，在試驗(yàn)段原沙面設(shè)置測量樁，樁長50～80 cm，高出原沙面15 cm左右，固定并從沙面以上標(biāo)好刻度和樁的水平高程，測量時以樁水平高程為基準(zhǔn)，以后每次測量相當(dāng)于公路橫斷面測量中的“戴帽子”，即根據(jù)刻度的高差，運(yùn)用橫斷面設(shè)計中計算填挖土石方量的方法，求出兩次測量期間在柵欄及其附近的積沙，由此確定相應(yīng)的阻沙率(表1)，同時每次測量時復(fù)核測量樁的標(biāo)高。測量寬度:阻沙柵欄迎風(fēng)側(cè)為12～15 m，背風(fēng)側(cè)為8～10 m。

表1數(shù)據(jù)分析表明，經(jīng)歷6個月(一個風(fēng)沙季)風(fēng)沙侵襲后，防沙工程的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)阻沙率數(shù)值不斷趨于穩(wěn)定(縱列數(shù)據(jù))，表明防沙工程受風(fēng)季的影響越來越小，基本達(dá)到一個新的動態(tài)平衡，即累計阻沙率基本保持穩(wěn)定狀態(tài);橫向數(shù)據(jù)對比，阻沙柵欄兩側(cè)插設(shè)的固沙草方格越寬，對阻沙固沙的效果越好，但寬度增加的同時(從5～8 m)，其經(jīng)濟(jì)性也在降低，即阻沙效果基本穩(wěn)定的同時，積沙也在增多，草方格使用壽命在逐漸降低，后期的固沙效果也在隨時間的增加而降低。數(shù)據(jù)比較來看，阻沙柵欄兩側(cè)插設(shè)1～3 m寬的草方格，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的阻沙率之和為負(fù)數(shù)，即在試驗(yàn)測量范圍內(nèi)(迎風(fēng)側(cè)15 m左右，背風(fēng)側(cè)8 m左右)不能達(dá)到有效的阻沙固沙效果，當(dāng)阻沙柵欄兩側(cè)的固沙草方格總寬度擴(kuò)大到5～8 m時，才能達(dá)到阻沙固沙的基本平衡。

結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)資料［2］，防沙體系設(shè)計必須考慮以下兩個方面:一是盡可能減少主風(fēng)向的來沙，即達(dá)到固沙的目的，二是必須考慮延長或減少積沙以延長防沙體系壽命，以達(dá)到防沙工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。針對新月型高大沙丘段，其地形的形成就是因?yàn)轱L(fēng)大導(dǎo)致沙粒的流動堆積而成，沙丘的頂部即是風(fēng)速與沙粒流動而形成的平衡點(diǎn)，防沙柵欄布設(shè)在沙丘頂部必然破壞已有的平衡，使得在原沙丘頂產(chǎn)生兩種可能:一是沙粒迅速堆積掩埋防沙體系，二是風(fēng)力破壞防沙體系使其倒伏。而目前設(shè)計的防沙體系只有1 m寬度的固沙草方格，不能有效減少主風(fēng)向來沙，且防沙柵欄沿線路直線布置，有些甚至正在沙丘脊線上，也不能形成有效的阻沙效果，從而未能達(dá)到減少積沙的目的。

表1 2 km試驗(yàn)路段防沙工程實(shí)測阻沙率 m3/m

4 阻沙率的應(yīng)用

根據(jù)實(shí)測的阻沙率數(shù)據(jù)，對新月形高大沙丘段的防沙體系進(jìn)行了針對性分析，認(rèn)為圖紙?jiān)O(shè)計的防沙體系不適合該段的地形特征，建議將防沙柵欄兩側(cè)的固沙草方格寬度都擴(kuò)大至5 m，即兩道防沙柵欄5 m間距內(nèi)全部插設(shè)固沙草方格，阻沙柵欄外側(cè)同時也插設(shè)5 m寬的草方格，同時結(jié)合文獻(xiàn)資料和有關(guān)專家的建議，將柵欄的方向與路線平行的直線型做適當(dāng)調(diào)整，改成沿沙脊線外側(cè)5 m平行于沙脊線布設(shè)，這樣有利于減少風(fēng)沙輸移與重新堆積，可提高阻沙固沙效果，使柵欄外側(cè)的草方格更好地發(fā)揮固沙作用。通過對這一優(yōu)化設(shè)計建議的分析和論證，認(rèn)為選取阻沙率作為衡量高大沙丘段防沙體系可靠性的指標(biāo)，具有較強(qiáng)的針對性，特別是對于，克服了高大沙丘段輸沙強(qiáng)度指標(biāo)因風(fēng)力、沙粒級配等因素影響而產(chǎn)生的不確定性。1個風(fēng)沙季觀測獲得的阻沙率驗(yàn)證性數(shù)據(jù)，對高大沙丘段防沙體系的施工和后期維護(hù)有重要的指導(dǎo)作用。在高大沙丘段的防沙體系中，應(yīng)適當(dāng)加大阻沙柵欄兩側(cè)的固沙草方格寬度，以減少主風(fēng)向的來沙，達(dá)到有效阻沙固沙目的;適當(dāng)調(diào)整阻沙柵欄走向，特別在高大沙丘段，可適當(dāng)改變阻沙柵欄與主風(fēng)向的交角，減緩主風(fēng)向風(fēng)對阻沙柵欄的毀壞［3］。

基于以上研究，阿拉爾—和田沙漠公路K409+000～K425+000高大沙丘段防沙體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，將高立式阻沙柵欄的布設(shè)位置進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，沿沙脊線外側(cè)5 m布置，同時將阻沙柵欄基部兩側(cè)的固沙草方格的寬度擴(kuò)大至5 m，如遇較陡沙丘時，將阻沙柵欄迎風(fēng)側(cè)沙丘坡面的固沙草方格插設(shè)寬度擴(kuò)大至8 m。2007年10月，按照優(yōu)化后的設(shè)計方案對K409+000～K425+000段防沙體系進(jìn)行了修復(fù)，于2008年3月完成，經(jīng)2008年風(fēng)沙季的檢驗(yàn)，防沙體系損毀率大大降低，除部分埡口段有小部分阻沙柵欄出現(xiàn)掩埋外，防沙體系的完好率達(dá)90%左右，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，同時也證明運(yùn)用阻沙率評判高大沙丘段防沙體系的效果是正確可行的。

5 結(jié)束語

阻沙率可較為準(zhǔn)確地反映阻沙柵欄的阻沙效果，且能夠通過現(xiàn)場風(fēng)沙觀測和地形測量而獲得。對于高大沙丘段防沙體系的設(shè)計具有較強(qiáng)的針對性和指導(dǎo)意義。工程實(shí)踐證明，以阻沙率這一風(fēng)沙物理指標(biāo)為依據(jù)，確定高大沙丘段的防沙設(shè)計參數(shù)，是符合實(shí)際和可行的方法。

［1］新疆交通科學(xué)研究所.新疆沙漠地區(qū)公路修筑技術(shù)研究報告［R］.烏魯木齊:新疆交通科學(xué)研究所，1993.

［2］彭世古.沙漠地區(qū)公路設(shè)計、施工與環(huán)保養(yǎng)護(hù)［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［3］新疆高速公路建設(shè)管理局.阿拉爾～和田沙漠公路防沙體系調(diào)查報告［R］.石河子:新疆高速公路建設(shè)管理局，2009.