風沙地區公路設計淺析

0　引言

風沙地區是沙漠和沙地的統稱。風沙地區的主要特徵為：氣候乾燥、降雨量小；溫差大,冷熱變化劇烈；風大、沙多；土中易溶鹽多；植被稀疏、低矮。

在自然界中,風力大到某一臨界值以後,地表沙粒開始脫離靜止狀態而進入運動,這個臨界風速稱為起動風速。沙粒的起動風速主要受沙粒粒徑的制約,同時還與沙子含水率、地表性質、植被覆蓋度等多種因素有關。起動風速一般採用風速儀進行野外觀測。

風沙流是指含有沙粒的運動氣流,是一種貼近地面的沙子搬運現象,其搬運的沙量絕大部分是在離地表30cm的高程內通過的,其中又特別集中在離地面0～10cm的氣流層中。因此,設計用於防風固沙的沙障就不需要太高,一般只要露出沙面20～30cm即可收到良好的效果。

1　風沙對公路的危害

風沙地區公路沙害類型主要有兩種：沙埋和風蝕。

1.1　沙埋

沙埋是風沙地區公路的主要沙害形式。沙埋主要有兩類：一是風沙流通過路基時,因風速減弱而引起沙粒堆積,掩埋路基、路面；二是沙丘移動而掩埋路基、路面和橋涵。風沙流受阻沙埋和沙丘移動沙埋主要特性如下：

(1)風沙流受阻沙埋與路基橫斷面有關。路基填方路段,風沙流受阻沙埋主要發生在迎風坡腳和背風坡,路堤越陡、高度越大沙埋範圍越大；半填半挖和路塹地段,與路堤路段相比更易積沙、造成沙埋。通過觀測發現,路堤橫斷面的路面部分不易發生風沙流受阻沙埋,只有在路線為小半徑平曲線和緊靠路側有障礙物的地段,易發生風沙流危害。

(2)沙丘移動是沙子在沙丘迎風面吹揚、搬運,在沙丘背風面堆積的結果。

1.2　風蝕

風蝕是風沙直接吹蝕路基坡面的沙粒或土粒,導致路基寬度或高度減小,以及坡面被掏空或坍塌等。

風蝕包括吹蝕和磨蝕兩種：風沙地區修築路基時由於就地取材採用的沙土缺乏粘性,受到風力作用,土中沙粒容易被風吹走,產生路基吹蝕；大風天氣風沙流的沙粒不斷衝擊路基邊坡,發生磨蝕。倘若路基邊坡出現孔穴或犁狀溝,風沙流會鑽入孔穴或溝內旋磨,以致將沙填路基的路肩部分或路面下土基掏空,造成坍塌。

路堤風蝕多發生在迎風路肩和邊坡上部,高路堤風蝕尤為嚴重,常常形成上陡下緩、凸凹不平的風蝕坡面。路塹風蝕以邊坡和路塹頂最為嚴重,當主導風向與路線平行時,路塹邊坡易被風蝕成犁溝狀；當主導風向與路線垂直時,路塹頂形成渾圓狀或不規則形狀,迎風坡面常風蝕呈犬牙狀,或成袋形渦穴；被風蝕的沙土落於路塹內,會阻塞交通。

路基無論是填方還是挖方斷面,其風蝕程度與風力、風向、風沙流強度、路基橫斷面形式、填料組成及防護措施均有關係。

2　風沙地區公路設計

風沙地區的公路設計,由於其氣候、地形地貌、工程地質等有其特殊性,因此與一般的公路設計相比,應注意以下幾點：

2.1　氣象資料收集整理

氣象資料的收集整理主要包括風訊(風向、風速)、氣溫、濕度、地溫、降水蒸發七個氣象要素,其中以風資料尤為重要,一般至少要有連續三年的氣象資料作為支撐。風資料的搜集整理主要用於：

(1)通過風向風速資料的收集整理,並實驗測得沙粒平均粒徑,結合現場觀測,確定項目區域起沙風速。

(2)以起沙風速為準,繪製風向矢量圖,用以反映一年內沙或沙丘的運動方式及運動趨勢。

(3)以起沙風速為準,繪製動力風向玫瑰圖,用以判斷該處沙丘移動的方向及沙壟延伸趨勢。

2.2　路線選線

(1)合理避繞流沙嚴重地段；如流沙地帶不能避繞,或避繞會導致工程量增加較多,選線應盡量由流沙最窄地段通過,應將路線布設在沙丘上風側通過,而不應布設在沙丘的下風側,以避免沙丘前移時埋沒公路。

(2)路線必須穿過沙漠地段時,應充分利用有利地形,盡量將路線選在沙害較輕的湖盆灘地、河谷階地、古河床、固定-半固定沙丘地帶通過。

(3)路線與合成起沙風向盡量平行。

(4)在路線選擇時,如果風蝕與沙埋可二選一,從防沙角度來說,「防止風蝕」較「防止沙埋」要容易得多。

2.3　路線平縱面設計

(1)風沙地區一般地勢平坦、開闊,受限因素較少,路線多以長直線為主,但容易造成駕駛人員的疲勞、不利於行車安全；但我國現行規範未對最大直線長度作出具體規定,風沙地區最大直線段長度可參照3min行程考慮；設置平曲線時,宜選擇在路堤地段,並將平曲線的凸面朝向主導風向。

(2)風沙地區縱斷面設計應在符合現行規範的前提下,盡量順應自然地形起伏,一般以填方為主,路堤高度應順應地勢,不宜過高。

2.4　風沙地區路基設計

2.4.1　風沙地區路基設計原則

(1)風沙地區路基設計,應調查、收集當地氣象、地形地貌、工程和水文地質、風沙災害、築路和防護材料、生態環境等資料,確定當地沙漠類型和自然區劃分區。

(2)應根據沙漠類型、自然區劃分區及風沙危害程度,合理選擇路基位置、橫斷面形式和路側綜合防沙體系。

(3)應根據沿線地質、氣候條件、築路材料等情況,遵循因地制宜、就地取材、綜合治理的原則,充分利用風積沙材料進行路基填築和防沙設計。

(4)乾旱流動沙漠地區路基可不設置邊溝等排水設施；對降雨較多或有澆灌要求的路段應考慮排水設計,宜設置寬淺形邊溝和大孔徑涵洞。

2.4.2　風沙地區路基設計要求

(1)填方路基宜採用低路堤,路堤高度宜比路基兩側50m範圍內沙丘的平均高度高出0.5～1m；路堤宜採用流線型或緩邊坡橫斷面,高速公路一級路宜採用分離式緩邊坡路基形式,不設護欄,路肩與邊坡相交的稜角宜設置成圓弧狀。

(2)挖方路基設計應避免長度大於200m的路塹；路塹應設置積沙平台,採用緩坡率或流線型邊坡的敞開式路基橫斷面；路線與主導風向正交時,宜加寬積沙平台。

(3)當採用路側取土時,路基取土坑應設在被風側坡腳5m以外；棄土應置於主風向被風側的低洼處,距離路塹坡頂不應小於10m。

(4)風沙路基需對路肩、邊坡坡面以及路塹坡頂外20～30m的範圍內以及積沙平台進行防護,防護設計也應遵循因地制宜、就地取材的原則,選用經濟合理的防護材料,現在比較常用的主要有柴草類防護和礫石、卵石、片石類防護。

3　工程實踐 3.1　工程概況

托克遜-沙爾湖公路建設項目,位於新疆維吾爾自治區吐魯番市,連接了托克遜縣、高昌區、鄯善縣,是新疆維吾爾自治區「西煤東運」吐-哈煤炭基地基礎設施公路網規劃重要幹線之一,也是哈密大南湖-沙爾湖公路向西的延伸段。連接了S328南湖-沙爾湖公路及S301烏拉斯台-托克遜公路,本項目建設必將成為強勢拉動該地區經濟社會發展的基礎性源動力。

圖1　項目地理位置圖

項目路線起點在托克遜伊拉湖鄉西側接S301線的K69+000處,路線總體走向自西向東,主要控制點托克遜重工業園區、艾丁湖礦區、鄯善縣迪卡爾工業園區、庫木塔格沙漠、沙爾湖礦區,終點接鄯善縣沙爾湖礦區S328線南湖至哈密公路的起點。路線起終點間人煙稀少,路線總里程291.281km,公路等級為一級公路,設計速度100km/h,整體式路基寬26.0m、分離式路基寬2×13.0m。

3.2　自然地理條件

擬建項目位於吐魯番盆地,是全國地勢最低和夏季氣溫最高的地方。吐魯番盆地是天山東部的一個山間盆地,位於天山山地東端,是天山山脈東段南坡的山間斷陷盆地。北為博格達山,南為庫魯克山,面積約50,000平方公里。盆地中部低于海平面的約佔4,000平方公里,艾丁湖面-154m,湖底-161m。盆地中部有二列東西向低山,北為火焰山,約900m；南為覺羅塔格山,約1,000～1,500m；兩者之間為綠洲。

3.3　氣象

吐魯番地區位於中緯度亞歐大陸腹地,是我國夏季氣溫最高的地區；受地形影響屬於溫暖帶荒漠氣候,氣候主要特徵為：乾燥少雨,晴天多,熱量豐富,年、日溫差大,降水分布不均,春季多風、冷暖多變,夏季酷熱、蒸發強,秋季晴朗、降溫迅速,冬季寒冷、低空氣層穩定。屬於典型的溫帶乾旱大陸性氣候,擬建路線穿越吐魯番地區南部。在公路自然區劃中屬乾旱、極乾旱炎熱,沙漠地區為風沙三區。氣象數據如表1：

表1　項目區沿線縣市氣象要素表

項目托克遜縣吐魯番市鄯善縣年平均氣溫13．8℃13．9℃14．4℃極端最高氣溫48℃48．3℃48℃極端最低氣溫-25．5℃-28℃-29．9℃降水量6．9mm15．6mm17．8mm蒸發量3723mm2837mm3216mm最大凍結深度89cm90cm90cm最大積雪深度無穩定積雪17cm無穩定積雪定時最大風速>40m/s36m/s27m/s主要風向NWWNE，EN

3.4　水文

擬建公路項目區內河流主要有白楊河(托克遜河)、阿拉溝河、艾丁湖。

3.5　工程地質條件

擬建項目沿線區域總體地貌形態為低山剝蝕丘陵和沖洪積平原。沿線地形總體地勢平坦,大部分段落地形起伏不大,屬平原微丘區,局部地段沙爾湖西側地形起伏較大,總的地勢為西北低、東南高。所屬區域為公路自然區劃Ⅵ2即綠洲—荒漠區,地表無植被。海拔高度-148～702m。地層岩性以風積沙及沖洪積卵礫、砂層、礫岩為主。擬建項目工程地質分區為：沖洪積平原、山前坡積裙、河床階地、剝蝕丘陵、剝蝕台地、古河道區和剝蝕準平原。

3.6　不良地質

工程區不良地質主要是沙害。庫木塔格沙漠位於路線北側,雖然該段不屬於流動沙丘,但春秋季風力較大,風沙流容易堆積在路基上,風沙掩埋路基。其中,K209+000～K209+800段屬風沙流過路段,根據連續三年的氣象玫瑰圖和沙丘形態,該段路線與主風向夾角接近垂直。

3.6.1　風資料分析

根據收集的近三年本路線沿線氣象資料分析(圖2),項目區域主導風向主要分為五個區間,K5～K30西南風為主風向,K30～K100偏西風為主風向,K100～K225偏南風為主風向,K225～K245偏東風為主風向,K245～K290偏南風為主風向。大部分路段風向與道路交角較大,對公路路基存在風蝕現象。

根據全國風沙地區公路施工區劃表和結合吐魯番盆地的氣候條件和路線沿線的風向數據分析,本項目風沙地區段落劃分見表2。

表2　項目區風沙地區段落劃分表

段落劃分公路里程(km)區劃K140+000～K245+000105風沙三區

圖2　2014～2016年連續三年公路 沿線平均風速、主導風向分布圖

3.6.2　沙害處理

項目區沙害段主要分布在K140～K245段,雖然該段不屬於流動沙丘,但春秋季風力較大,風沙容易堆積在路基上,尤其是K209+000～K209+800段屬沙漠路段,風沙影響較嚴重,需採取風沙防治措施：

(1)風沙段路基盡量採用填方形式,路線盡量垂直和風向相交,有利用提高風速,使風積沙快速穿越路面。

(2)路基採用低路堤、流線型斷面進行設計,當邊坡高度H≤3m時,坡率為1∶4,對於填方高度≤8m路段,路基邊坡採用直線型,坡率1∶1.5。

圖3　填方段路基標準橫斷面

(3)一般路段路基邊坡採用單一粒徑礫類土護坡,防止風蝕現象；對於K209+000～K209+800沙害嚴重段路採用在迎風側路基坡腳設置防沙柵欄和草方格固沙綜合防治處理,草方格採用50cm×50cm規格,地表高度15～30cm,在迎風側垂直路基延伸50～100m的範圍,背風側可適當減少,迎風側路基坡腳100m處設置一道防沙柵欄。

圖4　方格沙障柵欄防沙體系橫斷面圖

(4)本項目在風沙流路段(K170+000～K215)採用分離式路基(圖5)。

圖5　分離式路基標準橫斷面

4　結語

風沙地區氣象資料的收集,對於公路設計非常重要。通過對氣象資料的整理分析,歸納總結其演變規律,再將這些規律和主要現象用於風沙地區公路設計中,才能做到路線設計、縱橫斷面設計、路基

路面設計、防沙設計統籌考慮,更加合理。

參考文獻

[1]　中華人民共和國交通運輸部.JTG D30-2015公路路基設計規範 [S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]　彭世谷. 沙漠地區公路設計、施工與環保養護[M]. 北京：人民交通出版社,2004.

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