沙質荒漠公路路基高度及填土高度研究

張新萍

(新疆新紀元公路設計有限責任公司，新疆　烏魯木齊　830000)

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沙質荒漠公路路基高度及填土高度研究

張新萍

(新疆新紀元公路設計有限責任公司，新疆烏魯木齊830000)

張新萍(1974—)，工程師，研究方向：建筑工程與公路設計。

摘要：確保沙漠公路路基穩定可靠的關鍵是確定沙漠公路路基的合理填土高度以及路基高度。文章分析了影響公路沙埋的主要因素，根據對新疆以及西北地區廣大沙漠公路路基高度數據和沙漠公路運營狀況的調查分析，建立了路基高度與沙埋概率關系曲線，得出路基高度最好>30 cm，但其高度也不能太高，并通過風沙流風洞試驗對不同填土高度的風速流場特征進行了研究，結果表明沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關系的關鍵在于研究路基流場特征。

關鍵詞：公路路基；填土高度；路基高度

0引言

新疆地區由于地理位置、自然氣候等若干原因，基礎建設較為落后，尤其是公路交通事業的發展狀況明顯滯后于東部地區省份，不僅制約了新疆地區的經濟發展，更影響了國家“一路一帶”“絲綢之路”大戰略的推進。據相關部門的權威統計，新疆沙漠地區90%以上修筑的公路都不同程度地受到了沙埋與沙蝕影響，最終導致公路路面破壞造成交通嚴重受阻[1]。而沙質荒漠公路的特征是公路沿線區域分布著大小不均的各種沙丘，在風力推動作用之下形成大片移動形態的流沙，給公路造成嚴重危害。確保沙漠公路路基穩定可靠的關鍵是確定沙漠公路路基的合理填土高度以及路基高度，而沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關系的關鍵在于研究路基流場特征。

1合理填土高度的重要性

沙漠公路路基的合理填土高度是新疆地區沙漠公路修筑的關鍵技術方案之一，沙埋病害出現的一個重要原因是其路基的合理填土高度較低，地基狀況的穩定性與地下水的侵蝕直接影響到路基的使用壽命，若路基的合理填土高度較高則會使路基承受風蝕作用，不僅使得整個工程的造價增加，而且極易導致高填方路基穩定性的下降[2]。鑒于沙漠公路修筑的社會意義與經濟意義，以及沙漠公路路基的合理填土高度的重要性，有必要對其進行相關討論研究。

2影響公路沙埋的主要因素

2.1　風速

風沙流的本質是氣體夾帶著固體沙粒的混合氣流態，最終形成了風帶動沙的風沙流。風沙流的形成是空氣與沙地表的相互作用，風力作用將會使得地表的固態沙粒脫離其附著的地表快速進入大氣流中，風的作用是風沙運動形成的關鍵所在。

2.2　沙粒徑、含水量

工程實踐調查表明風力的強度以及沙粒徑、沙粒運動方式等多種因素影響著風沙流的形成。若沙漠公路附近區域的沙粒粒徑不僅粗且重，則不易被風吹起；若沙漠公路附近區域的地表較為粗糙則會導致風速受阻減??；若沙漠公路附近區域的沙粒含水量大，則會在水膜粘結沙粒表面的作用之下，使得沙粒間形成粘結力，較干的沙粒難被吹起。

2.3　沙漠公路走向與風向夾角的影響

工程實踐調查表明沙漠公路走向與風向夾角為<40°的銳角相交時，可以有效減少路基的沙埋和風蝕。其主要原因在于當公路走向與風向夾角≥90°時，其路基的路基頂部、背風坡腳、迎風坡腳具有較為明顯的氣流分離減速，將會造成積沙風蝕[3]。當沙漠公路走向與風向夾角為<40°的銳角時，路基反而會對風沙流能起到側導作用，避免了路基受到風蝕作用的直接影響。

2.4　路基高度

風沙流的堆積顯然是一個循序漸進發展的過程，工程實踐表明>0.35 m的沙漠公路路基坡腳處氣流會自然而然生成一個渦旋，渦旋產生的地方通常會導致沙子從坡腳開始向上緩慢堆積。最終若渦旋處堆積的沙子和瀝青路面同等高度時沙子會漫過路基在路面處生成沙堆。工程觀測表明隨著路基高度的增大，沙堆達到與路基等高度耗時則會延長，有利于提前建立預警機制，有效避免沙害現象。

3沙漠公路路基高度

通過調查分析新疆以及西北地區廣大沙漠公路路基高度數據和沙漠公路運營狀況，建立了沙漠地區路基高度與沙埋概率之間的關系。沙漠公路的路基填筑較高的情況下，不但增加了公路修筑成本，而且其受到的侵蝕更為嚴重。若沙漠公路路基填筑過低則導致其不能很好地抵抗常見的病害，統計表明過低的沙漠路基通常導致沙埋災害。

路基高度與沙埋概率關系曲線如下頁圖1所示，可以看出，若路基高度<30 cm，其沙埋概率為100%。而路基沙埋程度較輕時其路基高度范圍在40~60 cm時，其被沙子掩埋的概率平均為65%。從圖1可以了解到路基最好>30 cm，但其高度也不能太高，同一條公路所處的環境可能因為周遭風速、地質、沙丘形態的不同出現不同的沙埋狀況。眾所周知路基穩定性決定著公路能否正常使用，由于沙漠公路路基抗剪強度小，可塑性不強，若所修筑公路的路基較高時，處置不當就有可能使路基的穩定性破壞[4]。

圖1　路基高度與沙埋概率關系曲線圖

4路基填土高度

沙漠地區公路損壞的主要原因在于其附近的風沙流速，沙漠公路路基一般所處的環境為風大沙多，在強風沙作用之下其路基通常會伴隨有侵蝕、掏蝕現象。風沙流通過障礙物時導致氣流分離，會在路基迎風一側形成一個減速區域，在路基背風側形成一個風速穩定區域。

通過風沙流風洞試驗對不同填土高度進行相關討論，試驗表明沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關系的關鍵在于研究路基流場特征。沙漠公路沙埋的動力基礎就是路基流場[5]。為了探究風速路基流場的變化特征關系，在新疆地區某典型的沙漠公路分別依次選擇以下不同高度路基斷面：平行地面路基(高度0 m)、0.5 m高的路基、1 m高的路基、1.5 m高的路基、2.5 m高的路基。

4.1　平行地面路基的風速流場

圖2　平行地面路基風速流場圖

平行地面路基形態的公路結構風速變化較小(見圖2)，風速比較大的區域出現在路肩處，最高風速出現在0.5 m高的路面中心處，過了此區域之后風速逐漸降低。由圖2可知此時路面上不易積沙，原因在于風沙流會比較容易越過路面。

4.2　路基高度0.5 m的風速流場

圖3　0.5 m高路基風速流場圖

當沙漠公路所處的環境為開闊地面時風速變化較小，風速有所降低的位置出現在路肩上風面坡腳處。盡管此時的風速降低幅度較小，但沙氣流中的沙粒卻極易下降堆積。風速增加較為明顯的區域出現在沿坡面向上處，此處的氣流易于形成壓縮狀態。最大值為水平地面風速的將近120%，出現在路肩處。圖3表明弱風區出現在背風路面，此時其風速逐漸下降，風速平均值為水平地面風速的80%，此時由于風速的下降，很有可能導致此處堆積沙粒。

4.3　路基高度1.0 m的風速流場

圖4　1.0 m高路基風速流場圖

圖4表明，沙漠公路所處的環境為開闊地面時風速變化較小，風速降低較為明顯的區域出現在路基上風面坡腳處，水平地面風速將近60%。由于風速的降低可能導致部分沙粒在此堆積，伴隨沙埋出現。最大值出現在路肩處和路面上，此時路面積沙較少，原因在于風沙流通過阻礙不大。弱風區出現在背風路面處，此時風速為水平地面風速的近80%，部分沙粒在此堆積。

4.4　路基高度1.5 m的風速流場

圖5　1.5 m高路基風速流場圖

圖5表明，風速降低區域為路肩上風面坡腳處，由于風速的降低可能導致部分沙粒堆積在此處，伴隨沙埋出現。

最大值出現在路肩處，此時風速為水平地面風速的近255%，路面中心處風速開始降低，此時風速為水平地面風速的近220%，當通過背風路肩處時，風速開始增高到水平地面風速的近250%，風沙流通過阻礙不大，路面不會發生沙粒沉積。弱風區出現在背風路基邊坡，此時沙粒易發生堆積。

4.5　路基高度2.5 m的風速流場

圖6　2.5 m高路基風速流場圖

圖6表明，風速降低較為明顯的區域出現在路肩上風面坡腳處，水平地面風速的近50%。由于風速的降低可能導致部分沙粒在此堆積，伴隨沙埋出現。最大值出現在路肩處，此時風速為水平地面風速的近190%，風速降低區的開始區域為路面中心處，此時路面積沙較少，原因在于風沙流通過阻礙不大。弱風區出現在背風路面處時，風速為水平地面風速的近180%，此時風速為水平地面風速的將近80%，部分沙粒在此堆積。路面不會發生沙粒沉積。

5不同路基高度的風速流場的特征

不同高度路基各部位結構的風速增降情況見表1，將沙漠公路附近區域地表的地面磨擦系數看作是一致的，依次對路基高度為0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m的風速流場進行分析。

表1　不同高度路基各部位結構的風速增降情況表

當路基高度<0.5 m時，此時的公路路面的氣流基本連續穩定，路基處基本沒有產生渦流現象，公路的路面風速有小幅的增加；若路基高度>1.0 m時，首先是風速在上風面坡腳處降低，同時也伴隨出現了渦旋現象，路面上方速度顯著增大，此時如果有風成沙包含在氣流中，其中的沙粒會慢慢地堆積在此。當路基高度逐漸增大時，路面上方的風速也會伴隨著增大，伴隨出現的渦旋可能導致積沙的規模越來越大[6]。

6結語

影響公路沙埋的主要因素為風速、沙粒粒徑、

沙粒含水量、路基高度、沙漠公路走向與風向夾角的影響。沙漠公路路基的合理填土高度以及路基高度是新疆地區沙漠公路修筑的關鍵技術，從路基高度與沙埋概率關系曲線可以了解到路基最好>30cm，但其高度也不能太高。研究沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關系的關鍵在于研究路基流場特征。路基與氣流之間的相互作用關系的直接反應就是路基流場。

參考文獻

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[2]余振兵.公路邊坡防護與治理[J].科技風，2009(19)：106-107.

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[4]韓致文，王濤，孫慶偉，等.塔克拉瑪干沙漠公路風沙危害與防治[J].地理學報，2003(2)：201-208.

[5]李平，陳三平.風沙地區公路沙害防治方法[J].遼寧交通科技，2002(2)：7，8-10.

[6]艾力·依斯木吐拉.沙漠環境對公路及其防沙體系的影響及對策研究[J].西安公路交通大學學報，2001(2)：101-104.

Research on Roadbed Height and Filling Height of Sandy Desert Highway

ZHANG Xin-ping

(Xinjiang Xinjiyuan Highway Design Co.，Ltd.，Urumqi，Xinjiang，830000)

Abstract：The key to ensure the reliable and stable desert highway roadbed is mainly to determine the reasonable filling height and roadbed height of desert highway. This article analyzed the main factors affecting the highway sand burial，and according to the investigation and analysis of desert highway roadbed height data and desert highway operation conditions in Xinjiang and northwest regions，it es-tablished the probability relationship curve of roadbed height and sand burial，obtained that the roadbed height is preferably greater than 30cm，but its height should not be too high，and it studied the wind ve-locity flow field characteristics under different filling height through wind and sand flow wind-tunnel tests. And the results showed that the harm relations between desert highway roadbed filling height and sand burial is mainly the study of roadbed flow field characteristics.

Keywords：Highway roadbed；Filling height；Roadbed height

收稿日期：2015-07-06

文章編號：1673-4874(2015)08-0044-04

中圖分類號：U416.1+66

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.011

作者簡介