沙漠地區(qū)高速公路防沙效應(yīng)試驗研究
——以營雙高速公路八步沙段為例

高冠龍, 張小由, 楊 凱, 韓致文, 賀曉萍, 徐定艷, 許克璽

(1.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 山西 太原 030006; 2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730070)

沙漠地區(qū)高速公路防沙效應(yīng)試驗研究
——以營雙高速公路八步沙段為例

高冠龍1, 張小由2, 楊 凱3, 韓致文2, 賀曉萍3, 徐定艷3, 許克璽3

(1.山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院， 山西 太原 030006; 2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730000; 3.甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730070)

[目的] 對沙漠地區(qū)高速公路防沙效應(yīng)進(jìn)行試驗研究，旨在為我國沙漠地區(qū)高速公路防沙體系建設(shè)提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。 [方法] 針對營盤水(甘寧界)至古浪(雙塔)高速公路八步沙沙漠段沙害的成因、類型，采取工程措施與生物措施相結(jié)合的防沙固沙方法開展試驗研究。 [結(jié)果] (1) 無論風(fēng)速大小，功能性固沙障網(wǎng)間的有效防護(hù)距離要遠(yuǎn)好于均一型，且在網(wǎng)前近地處風(fēng)速降低幅度要大于均一型。功能性防沙網(wǎng)后的防沙效益略低于均一型防沙網(wǎng)，但前者可有效抬升風(fēng)沙流運(yùn)行高度，極大減少過境風(fēng)沙流對地面的侵蝕和地表沙粒的撞擊起動，加之網(wǎng)間風(fēng)速低于沙粒起動風(fēng)速，進(jìn)而起到固沙作用； (2) 功能性固沙障上疏下密的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氣流的抬升，降低防沙網(wǎng)上的風(fēng)壓，緩解防沙網(wǎng)的兜風(fēng)問題，能有效解決固沙障底部的掏蝕問題。 [結(jié)論] 所采用的兩種防沙網(wǎng)各具優(yōu)點(diǎn)，可作為不同的防沙措施用于防沙。其中均一型可用來制作高立式阻沙沙障，而功能性防沙網(wǎng)可用來制作低矮的半隱蔽式格狀沙障，二者均可用于替代傳統(tǒng)的防沙材料，具有極大的應(yīng)用價值和推廣前景。

高速公路; 防沙固沙; 風(fēng)沙危害

文獻(xiàn)參數(shù)： 高冠龍, 張小由, 楊凱, 等.沙漠地區(qū)高速公路防沙效應(yīng)試驗研究[J].水土保持通報，2017,37(2)：17-20.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.002； Gao Guanlong, Zhang Xiaoyou, Yang Kai, et al. Effects of Sand Prevention Measures Along Highways in Desert Areas[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：17-20.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.002

中國沙漠主要分布在偏遠(yuǎn)干旱、人煙稀少的西部地區(qū)[1]，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，沙漠地區(qū)的公路建設(shè)得到了長足發(fā)展，特別是高速公路里程迅速增加[2]。高速公路是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施[3]，涉及地域廣泛[4]。然而，高速公路建設(shè)的同時，公路沙害已成為影響公路正常運(yùn)營的主要災(zāi)害[5-6]，高速公路沙害防治已迫在眉睫[7-8]。高速公路邊坡防護(hù)就是利用植物根系固著邊坡表層土壤以減輕沖刷，從而減緩邊坡的水流速度，達(dá)到保護(hù)邊坡的目的[9]。近年來，有關(guān)高速公路綜合防沙體系的研究已逐步展開。李建國等[10]通過風(fēng)洞試驗，模擬了不同類型的防沙堤流場，并對不同類型的防沙堤的防護(hù)效益進(jìn)行了評價，初步提出了最佳的防沙提設(shè)計方案。尤全剛等[11]通過野外實地觀測結(jié)合歷史資料，研究了隔壁地區(qū)風(fēng)沙活動。營盤水(甘寧界)至古浪(雙塔)高速公路(以下簡稱為營雙高速公路)是青島至銀川國家高速公路陜西省定邊至武威連接線(G2012)的重要組成路段，也是甘肅省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。營雙高速公路全線位于騰格里沙漠南緣，主要沙害路段K448+300—K458+927，全長10.6 km。該路段2013年開工，公路建設(shè)與防沙、綠化工程同步進(jìn)行。本文針對該路段沙害的形式、特征，提出并建立沙漠地區(qū)高速公路防沙體系結(jié)構(gòu)、功能，以及工程防沙和工程措施下生物防沙固沙模式與技術(shù)。

1 研究區(qū)概況

營雙高速公路全線屬蒙新溫帶干旱氣候區(qū)，具有太陽輻射強(qiáng)、干燥少雨、四季分明(春季多風(fēng)、夏季酷熱、秋季干燥、冬季寒冷)等特點(diǎn)。年均氣溫7.6 ℃，日較差大，最高氣溫21 ℃，最低氣溫-10.3 ℃。植物生長季較長，熱量水平高，太陽輻射、光、溫、水配合好。年平均降水量180 mm，年最大降水量396.6 mm，7—9月降水量占全年的76.4%～85.7%；年平均蒸發(fā)量2 197.7～2 922.9 mm，年最大蒸發(fā)量3 051.7 mm；年平均風(fēng)速3.3 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向WE，W等，最大風(fēng)速8.0 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)(≥8級)6.9～12.5 d。由于降雨量較少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，植被較為稀疏，在低山和風(fēng)沙化地、坡地沙漠化較為嚴(yán)重，由此形成的風(fēng)沙活動以春季最為嚴(yán)重。該地區(qū)土壤主要以風(fēng)沙土為主，類型為沙地灰鈣土，有機(jī)質(zhì)含量平均為0.75%，其中含氮0.045%，含磷0.13%，含量低且容易水解。養(yǎng)分狀況是氮少而磷鉀豐富。植被以天然植被為主，主要有白刺、紅砂、沙蒿、沙米和冰草等沙生植物，人工植被主要有沙棗、花棒、白榆、梭梭、毛條。研究區(qū)風(fēng)況環(huán)境如圖1所示。從圖1可以看出，觀測期內(nèi)WN，W方向風(fēng)向頻率最大，分別為23.5%和15.1%；其次為SE，WSW和NW，頻率分別為8.0%，7.7%和7.1%。從圖2可以看出，觀測期內(nèi)起沙風(fēng)頻率最大的2個方向分別為WNW和W，頻率分別為34.8%和32.1%；其次為WSW，SW和NW，頻率分別為13.4%，7.7%和5.7%。

2 公路沙害現(xiàn)狀

2.1 沙害成因

營雙高速公路八步沙段地處荒漠區(qū)，路域范圍的流沙系古湖彭沉積物，路域兩側(cè)沙丘密度在70%～90%，沙丘高度高于路面，近路側(cè)相對高度2～6 m，200～300 m 范圍內(nèi)相對高度5～8 m。沙丘呈半流動狀態(tài)，裸露沙丘占90%以上，植被蓋度小于5%。沙粒粒徑以細(xì)沙、中沙粒為主(表1)。該地西北風(fēng)、西風(fēng)盛行，風(fēng)沙運(yùn)動具有往復(fù)式移動的特點(diǎn)，這決定了該路域一年四季都有形成沙害的可能。

2.2 沙害特征

該段公路路基、邊坡都是建立在沙質(zhì)地表上，建設(shè)中對于丘間地開采了地表50 cm，后用礫石作為路基，公路兩邊邊坡形成了與路面高度相差不大、起伏不大的地表類型，該類型長度6 km，這部分主要風(fēng)沙危害是路面太高使得風(fēng)沙流遇阻堆積在路基和路面。在公路建設(shè)中，該段風(fēng)沙危害嚴(yán)重。開挖高大半流動沙丘時，在公路兩側(cè)形成了坡度為40°的沙面，沙質(zhì)地表裸露，在風(fēng)力作用下，形成新的風(fēng)沙來源，在路塹形成積沙，也容易形成沙面坍塌。

圖1 研究區(qū)風(fēng)況環(huán)境玫瑰圖 圖2 研究區(qū)起沙風(fēng)玫瑰圖

表1 八步沙路段地表沙物質(zhì)機(jī)械組成 %

3 防沙效益觀測

在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠與沙漠化重點(diǎn)實驗室野外環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行了試驗。該風(fēng)洞全長38.78 m，試驗段長21 m，橫斷面1.2 m×1.2 m。試驗材料選取孔隙均一的HDPE-UNI均一型防沙網(wǎng)和孔隙度上部大底部小的HDPE-911，HDPE-2 810兩種功能性防沙網(wǎng)，分別將其布設(shè)為1 m×1 m的方格固沙障于試驗段洞體中央，出露床面高度為20 cm。氣流場模擬試驗階段，以固沙障的中心位置為0 H(H為固沙障高度)，將風(fēng)速廓線儀分別沿試驗風(fēng)向布置于10 H，5 H，3 H，2 H，1 H，0.5 H，0 H，-0.5 H，-1 H，-2 H，-3 H，-5 H和-10 H共13處，各處的廓線儀采樣點(diǎn)距床面高度分別為0.03，0.06，1.0，1.5，3.0，6.0，12.0，20.0，35.0，50.0 cm，試驗風(fēng)速穩(wěn)定后采集各點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)，采集間隔2 s，各處的試驗時間為100 s，計算平均風(fēng)速。防沙效益模擬試驗階段，在風(fēng)洞試驗段內(nèi)鋪設(shè)4 m長的流沙床面，HDPE沙障置于流沙床面下風(fēng)向2～3 m處。測量單寬輸沙率的垂直分布采用階梯式積沙儀，風(fēng)沙流入口斷面為2 cm×2 cm，高20 cm，置于流沙床面末端中心位置，每組試驗重復(fù)3次，單寬輸沙率的計算取3次測試的平均值。試驗采用沙樣為騰格里沙漠南緣天然混和沙，為確保沙源充足，每完成1組風(fēng)速試驗，重新布置沙面。試驗布設(shè)示意圖與防沙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)說明分別見圖3及表2。

表2 試驗用防沙網(wǎng)的結(jié)構(gòu)說明

通過不同風(fēng)速等級下單寬輸沙率的風(fēng)洞對比試驗可以看出，3種防沙網(wǎng)的防沙效益均比較顯著，可以達(dá)到80%以上，并且3種防沙網(wǎng)的防沙效益有隨風(fēng)速的增高而出現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢。在同等風(fēng)速條件下，HDPE-UNI防沙效益最高，HDPE-2810型次之，HDPE-911最低，但3種防沙網(wǎng)的防沙效益差別并不明顯，平均防沙效益差僅為5%左右，最大者也不足10%(表3)，這在防沙實踐中是可以忽略不計的。因此可以認(rèn)為3種防沙網(wǎng)的防沙效益是沒有顯著差別的。

通過對比空洞和3種防沙網(wǎng)后風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，可以看出3種防沙網(wǎng)均可有效地改變原有的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，且3種防沙網(wǎng)后的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)具有顯著區(qū)別：從總體結(jié)構(gòu)而言，均一型防沙網(wǎng)后的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)整體隨高度的升高而出現(xiàn)輸沙率遞減的趨勢，并在9～15 cm(0.45～0.75 H)段出現(xiàn)較大的波動，其中11 cm(0.55 H)處變化最為明顯。此外隨著風(fēng)速的增大，輸沙率遞減的速率也增大。而功能性防沙網(wǎng)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈“C”型，即隨高度的增加先逐步遞減，11 cm(0.55 H)處為輸沙率最低處，之后隨高度迅速增加，并隨風(fēng)速的增大，這種趨勢越發(fā)明顯。比較3種防沙網(wǎng)的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，在13 cm以下，均一型防沙網(wǎng)的相對輸沙率要均高于功能性防沙網(wǎng)，且有隨風(fēng)速的增大，相對輸沙率差有增大的趨勢，13 cm以上則反之。對比兩種功能性防沙網(wǎng)，可以看出在低風(fēng)速(14 m/s以下)時，11 cm以下，HDPE-911型的相對輸沙率要小于HDPE-2 810型，11 cm之上則反之，而在高風(fēng)速條件下(14 m/s以上)，則正好相反。由此可見，功能性防沙障不僅可以有效地降低單寬輸沙率，而且改變了原有的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，有效地抬升風(fēng)沙流的運(yùn)移高度。

圖3 防沙效應(yīng)試驗布設(shè)示意圖

表3 3種防沙網(wǎng)的防沙效益對比

4 結(jié)果分析

(1) 針對孔隙度，綜合分析得出40%孔隙度防沙效果相對較好，防護(hù)距離達(dá)30 H 以上；相同孔隙度的防沙材料，隨著風(fēng)速的增大，有效防護(hù)距離和防沙效益均呈顯著降低趨勢；從防沙材料結(jié)構(gòu)來看，下密上疏結(jié)構(gòu)的防沙材料相對較好。在低風(fēng)速(<14 m/s)條件下，HDPE-UNI均一型固沙障的總有效防護(hù)距離最長，HDPE-2 810型功能性固沙障次之，HDPE-911型功能性固沙障最短；而在高風(fēng)速(>14 m/s)條件下，HDPE-2 810和HDPE-911兩種功能性固沙障總有效防護(hù)距離相差不大，但都遠(yuǎn)大于HDPE-UNI均一型固沙障。無論風(fēng)速大小，功能性固沙障網(wǎng)間的有效防護(hù)距離要遠(yuǎn)好于均一型，且在網(wǎng)前近地處風(fēng)速降低幅度要大于均一型。

(2) 雖然功能性防沙網(wǎng)后的防沙效益略低于均一型防沙網(wǎng)，但前者可有效抬升風(fēng)沙流運(yùn)行高度，大大減少過境風(fēng)沙流對地面的侵蝕和地表沙粒的撞擊起動，加之網(wǎng)間風(fēng)速低于沙粒起動風(fēng)速，進(jìn)而起到固沙作用。

(3) 功能性固沙障上疏下密的孔隙結(jié)構(gòu)有利于氣流的抬升，降低防沙網(wǎng)上的風(fēng)壓，緩解防沙網(wǎng)的兜風(fēng)問題，能有效解決固沙障底部的掏蝕問題。

(4) 由于兩種防沙網(wǎng)都具有各自的優(yōu)點(diǎn)，可作為不同的防沙措施用于防沙。其中均一型可用來制作高立式阻沙沙障，而功能性防沙網(wǎng)可用來制作低矮的半隱蔽式格狀沙障，二者均可用于替代傳統(tǒng)的防沙材料，具有極大的應(yīng)用價值和推廣前景。

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Effects of Sand Prevention Measures Along Highways in Desert Areas-A Case Study at Babusha Section, Yingshuang Highway

GAO Guanlong1, ZHANG Xiaoyou2, YANG Kai3, HAN Zhiwen2, HE Xiaoping3, XU Dingyan3, XU Kexi3

(1.CollegeofEnvironmentandResource，ShanxiUniversity,Taiyuan，Shanxi030006，China; 2.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou,Gansu730000，China; 3.GansuProvinceRoadBridgeConstrutionGroup.,Ctd.,Lanzhou,Gansu730070，China)

[Objective] The effects of sand-prevention along highways were observed to provid theorological basis and pratical experience for sand-prevention system in desert area. [Methods] According to the causes and types of sand-damage in Babusha desert area, cirresponding engineering and biological measurements were carried out to fix the sands. [Results] (1) Regardless of wind speed, the effective defending distance of internetwork of functional solid barriers were far greater than that of the uniform one. And also the reduction of wind speed near the ground before the nets of the functional solid barriers were greater. Though the sand-prevention effect of functional solid barriers behind the nets was a little worse than that of the uniform one, the sand flow was effectively uplifted. Whereby, sand errosion was reduced as a synergistic result of the decrease of sand movement by striking startup and the decrease of net-interwindspeed to the threshold of sand startup. (2) The functional solid barriers have a strcuture with thin upper part and close lower part, this structure can effectively uplift the wind flow, reducing the wind pressure upon the sediment control network and relieving the wind-catching problem. This can solve the erosion problem under the solid barriers. [Conclusion] The two kinds of sediment control networks both have their advantages. The uniform solid barriers can be used to make high upright solid barriers, and the functional solid barriers can be used to make short hidden solid barriers. The two types can both replace traditional materials and have great applicable value.

highway; sand defense and solidification; wind-sand hazard

2016-07-22

2016-08-31

中國科學(xué)院內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)試驗室開放基金項目“荒漠河岸胡楊林蒸散發(fā)模型阻力參數(shù)計算及其對蒸散發(fā)模擬精度的影響”(90Y290F41); 國家自然科學(xué)基金項目”額濟(jì)納綠洲生態(tài)耗水多尺度實驗與尺度轉(zhuǎn)換研究”(41271037)

高冠龍(1988—),男(漢族),山西省晉中市人,博士,講師,主要從事生態(tài)水文學(xué)方面的研究。E-mail:gaoguanlong@sxu.edu.cn。

張小由(1963—),男(漢族),甘肅省臨洮縣人,博士,研究員,主要從事生態(tài)水文學(xué)方面的研究。E-mail:zhangxy@lzb.ac.cn。

A

1000-288X(2017)02-0017-04

U412.36+6， S157.1