沙质荒漠公路路基高度及填土高度研究

张新萍

(新疆新纪元公路设计有限责任公司，新疆　乌鲁木齐　830000)



沙质荒漠公路路基高度及填土高度研究

张新萍

(新疆新纪元公路设计有限责任公司，新疆乌鲁木齐830000)

张新萍(1974—)，工程师，研究方向：建筑工程与公路设计。

摘要：确保沙漠公路路基稳定可靠的关键是确定沙漠公路路基的合理填土高度以及路基高度。文章分析了影响公路沙埋的主要因素，根据对新疆以及西北地区广大沙漠公路路基高度数据和沙漠公路运营状况的调查分析，建立了路基高度与沙埋概率关系曲线，得出路基高度最好>30 cm，但其高度也不能太高，并通过风沙流风洞试验对不同填土高度的风速流场特征进行了研究，结果表明沙漠公路路基填土高度与沙埋危害关系的关键在于研究路基流场特征。

关键词：公路路基；填土高度；路基高度

0引言

新疆地区由于地理位置、自然气候等若干原因，基础建设较为落后，尤其是公路交通事业的发展状况明显滞后于东部地区省份，不仅制约了新疆地区的经济发展，更影响了国家“一路一带”“丝绸之路”大战略的推进。据相关部门的权威统计，新疆沙漠地区90%以上修筑的公路都不同程度地受到了沙埋与沙蚀影响，最终导致公路路面破坏造成交通严重受阻[1]。而沙质荒漠公路的特征是公路沿线区域分布着大小不均的各种沙丘，在风力推动作用之下形成大片移动形态的流沙，给公路造成严重危害。确保沙漠公路路基稳定可靠的关键是确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与沙埋危害关系的关键在于研究路基流场特征。

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区沙漠公路修筑的关键技术方案之一，沙埋病害出现的一个重要原因是其路基的合理填土高度较低，地基状况的稳定性与地下水的侵蚀直接影响到路基的使用寿命，若路基的合理填土高度较高则会使路基承受风蚀作用，不仅使得整个工程的造价增加，而且极易导致高填方路基稳定性的下降[2]。鉴于沙漠公路修筑的社会意义与经济意义，以及沙漠公路路基的合理填土高度的重要性，有必要对其进行相关讨论研究。

2影响公路沙埋的主要因素

2.1　风速

风沙流的本质是气体夹带着固体沙粒的混合气流态，最终形成了风带动沙的风沙流。风沙流的形成是空气与沙地表的相互作用，风力作用将会使得地表的固态沙粒脱离其附着的地表快速进入大气流中，风的作用是风沙运动形成的关键所在。

2.2　沙粒径、含水量

工程实践调查表明风力的强度以及沙粒径、沙粒运动方式等多种因素影响着风沙流的形成。若沙漠公路附近区域的沙粒粒径不仅粗且重，则不易被风吹起；若沙漠公路附近区域的地表较为粗糙则会导致风速受阻减小；若沙漠公路附近区域的沙粒含水量大，则会在水膜粘结沙粒表面的作用之下，使得沙粒间形成粘结力，较干的沙粒难被吹起。

2.3　沙漠公路走向与风向夹角的影响

工程实践调查表明沙漠公路走向与风向夹角为<40°的锐角相交时，可以有效减少路基的沙埋和风蚀。其主要原因在于当公路走向与风向夹角≥90°时，其路基的路基顶部、背风坡脚、迎风坡脚具有较为明显的气流分离减速，将会造成积沙风蚀[3]。当沙漠公路走向与风向夹角为<40°的锐角时，路基反而会对风沙流能起到侧导作用，避免了路基受到风蚀作用的直接影响。

2.4　路基高度

风沙流的堆积显然是一个循序渐进发展的过程，工程实践表明>0.35 m的沙漠公路路基坡脚处气流会自然而然生成一个涡旋，涡旋产生的地方通常会导致沙子从坡脚开始向上缓慢堆积。最终若涡旋处堆积的沙子和沥青路面同等高度时沙子会漫过路基在路面处生成沙堆。工程观测表明随着路基高度的增大，沙堆达到与路基等高度耗时则会延长，有利于提前建立预警机制，有效避免沙害现象。

3沙漠公路路基高度

通过调查分析新疆以及西北地区广大沙漠公路路基高度数据和沙漠公路运营状况，建立了沙漠地区路基高度与沙埋概率之间的关系。沙漠公路的路基填筑较高的情况下，不但增加了公路修筑成本，而且其受到的侵蚀更为严重。若沙漠公路路基填筑过低则导致其不能很好地抵抗常见的病害，统计表明过低的沙漠路基通常导致沙埋灾害。

路基高度与沙埋概率关系曲线如下页图1所示，可以看出，若路基高度<30 cm，其沙埋概率为100%。而路基沙埋程度较轻时其路基高度范围在40~60 cm时，其被沙子掩埋的概率平均为65%。从图1可以了解到路基最好>30 cm，但其高度也不能太高，同一条公路所处的环境可能因为周遭风速、地质、沙丘形态的不同出现不同的沙埋状况。众所周知路基稳定性决定着公路能否正常使用，由于沙漠公路路基抗剪强度小，可塑性不强，若所修筑公路的路基较高时，处置不当就有可能使路基的稳定性破坏[4]。

图1　路基高度与沙埋概率关系曲线图

4路基填土高度

沙漠地区公路损坏的主要原因在于其附近的风沙流速，沙漠公路路基一般所处的环境为风大沙多，在强风沙作用之下其路基通常会伴随有侵蚀、掏蚀现象。风沙流通过障碍物时导致气流分离，会在路基迎风一侧形成一个减速区域，在路基背风侧形成一个风速稳定区域。

通过风沙流风洞试验对不同填土高度进行相关讨论，试验表明沙漠公路路基填土高度与沙埋危害关系的关键在于研究路基流场特征。沙漠公路沙埋的动力基础就是路基流场[5]。为了探究风速路基流场的变化特征关系，在新疆地区某典型的沙漠公路分别依次选择以下不同高度路基断面：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　平行地面路基的风速流场

图2　平行地面路基风速流场图

平行地面路基形态的公路结构风速变化较小(见图2)，风速比较大的区域出现在路肩处，最高风速出现在0.5 m高的路面中心处，过了此区域之后风速逐渐降低。由图2可知此时路面上不易积沙，原因在于风沙流会比较容易越过路面。

4.2　路基高度0.5 m的风速流场

图3　0.5 m高路基风速流场图

当沙漠公路所处的环境为开阔地面时风速变化较小，风速有所降低的位置出现在路肩上风面坡脚处。尽管此时的风速降低幅度较小，但沙气流中的沙粒却极易下降堆积。风速增加较为明显的区域出现在沿坡面向上处，此处的气流易于形成压缩状态。最大值为水平地面风速的将近120%，出现在路肩处。图3表明弱风区出现在背风路面，此时其风速逐渐下降，风速平均值为水平地面风速的80%，此时由于风速的下降，很有可能导致此处堆积沙粒。

4.3　路基高度1.0 m的风速流场

图4　1.0 m高路基风速流场图

图4表明，沙漠公路所处的环境为开阔地面时风速变化较小，风速降低较为明显的区域出现在路基上风面坡脚处，水平地面风速将近60%。由于风速的降低可能导致部分沙粒在此堆积，伴随沙埋出现。最大值出现在路肩处和路面上，此时路面积沙较少，原因在于风沙流通过阻碍不大。弱风区出现在背风路面处，此时风速为水平地面风速的近80%，部分沙粒在此堆积。

4.4　路基高度1.5 m的风速流场

图5　1.5 m高路基风速流场图

图5表明，风速降低区域为路肩上风面坡脚处，由于风速的降低可能导致部分沙粒堆积在此处，伴随沙埋出现。

最大值出现在路肩处，此时风速为水平地面风速的近255%，路面中心处风速开始降低，此时风速为水平地面风速的近220%，当通过背风路肩处时，风速开始增高到水平地面风速的近250%，风沙流通过阻碍不大，路面不会发生沙粒沉积。弱风区出现在背风路基边坡，此时沙粒易发生堆积。

4.5　路基高度2.5 m的风速流场

图6　2.5 m高路基风速流场图

图6表明，风速降低较为明显的区域出现在路肩上风面坡脚处，水平地面风速的近50%。由于风速的降低可能导致部分沙粒在此堆积，伴随沙埋出现。最大值出现在路肩处，此时风速为水平地面风速的近190%，风速降低区的开始区域为路面中心处，此时路面积沙较少，原因在于风沙流通过阻碍不大。弱风区出现在背风路面处时，风速为水平地面风速的近180%，此时风速为水平地面风速的将近80%，部分沙粒在此堆积。路面不会发生沙粒沉积。

5不同路基高度的风速流场的特征

不同高度路基各部位结构的风速增降情况见表1，将沙漠公路附近区域地表的地面磨擦系数看作是一致的，依次对路基高度为0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m的风速流场进行分析。

表1　不同高度路基各部位结构的风速增降情况表

当路基高度<0.5 m时，此时的公路路面的气流基本连续稳定，路基处基本没有产生涡流现象，公路的路面风速有小幅的增加；若路基高度>1.0 m时，首先是风速在上风面坡脚处降低，同时也伴随出现了涡旋现象，路面上方速度显著增大，此时如果有风成沙包含在气流中，其中的沙粒会慢慢地堆积在此。当路基高度逐渐增大时，路面上方的风速也会伴随着增大，伴随出现的涡旋可能导致积沙的规模越来越大[6]。

6结语

影响公路沙埋的主要因素为风速、沙粒粒径、

沙粒含水量、路基高度、沙漠公路走向与风向夹角的影响。沙漠公路路基的合理填土高度以及路基高度是新疆地区沙漠公路修筑的关键技术，从路基高度与沙埋概率关系曲线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与沙埋危害关系的关键在于研究路基流场特征。路基与气流之间的相互作用关系的直接反应就是路基流场。

参考文献

[1]吴正，等.风沙地貌与治沙工程学[M].北京：科学出版社，2003.

[2]余振兵.公路边坡防护与治理[J].科技风，2009(19)：106-107.

[3]彭帝.沙漠地区高速公路路基压实技术研究[D].西安：长安大学，2004.

[4]韩致文，王涛，孙庆伟，等.塔克拉玛干沙漠公路风沙危害与防治[J].地理学报，2003(2)：201-208.

[5]李平，陈三平.风沙地区公路沙害防治方法[J].辽宁交通科技，2002(2)：7，8-10.

[6]艾力·依斯木吐拉.沙漠环境对公路及其防沙体系的影响及对策研究[J].西安公路交通大学学报，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

文章编号：1673-4874(2015)08-0044-04

中图分类号：U416.1+66

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.011

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