输水明渠穿越沙漠防沙固沙措施设计

GXF360 2017-11-09

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输水明渠穿越沙漠防沙固沙措施设计

王峰

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

［摘要］生物防护固沙设计重点是实地查清工程区内陆形、地貌植被状况、防护带范围；查明风口、核定不同地段的主风向和产生流沙的原因及危害程度，以此作为防护设计依据。沙生植物初期裸露于流动性沙地表面，风蚀严重，固定生存困难，因此应利用沙生植物的独特性，短期形成长达几十米的水平网状根系，削弱流沙的移动，达到稳定沙土表层的目的。

［关键词］输水明渠；穿越沙漠；防沙固沙；设计

1 概况

1.1 地理位置

古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地中的南部，是全国最大的固定，半固定沙漠。170.4 km输水明渠成功穿越沙漠至平原区，引水流量80 m3/s，梯弧形断面，边坡12.5，渠深6.5 m，纵坡1/3 500。

1.2 自然特征

1）沙漠地貌：主要以南北向固定,半固定的沙垄和树枝状沙垄为主,占总面积80%。活化的沙面位于沙垄、沙丘顶部边缘，分布呈梁窝状与峰窝状，沙丘顶部宽度约30 m。

2）降水稀少蒸发强烈：沙漠复地的年降水量70～120 mm，夏季主要集中在5—7月，年蒸发量2 800～3 000 mm；冬季季主要集中10—12月，积雪覆盖，气候湿润，在春季为短命类、类短命和一年生植物发育速生提供了生存环境。使植被和生物结皮覆盖度达50%～80%。

3）沙漠风沙活动特征：沙漠中大气降尘轻微构不成严重浮尘灾害，而风沙流是其主要沙害。活化的沙丘主要集中在沙垄顶部，风沙流的起沙风速5 m/s（高10 m），夏季起沙风主要为西北风，冬季起为东北风，年输沙量约6 569 t/km，通过170.8 km渠线段区域输沙量约112.7万t。形成主要流沙搬运量通道为：80%流沙距地表面0～10 cm高度内搬运；8%的流沙在10～20 cm高度内流动；5%沙量在20～30 cm高度的气流层内搬运。

1.3 人类活动

沙漠腹地及沙漠输水道工程区一带，随着人类活动对沙漠的影响；积极的一面是为沙漠中进行的工程建设积累了丰富经验；消极的一面是工程建设及各种人类活动，破坏了沙漠的地貌及植被形态，导致局地范围固定沙丘与半固定沙丘活化。使风沙流危害更大，由于人类活动而积累的经验与教训，将在沙漠段输水道工程建设中扬长避短予以借鉴利用。

1.4 沙漠对输水明渠的影响因素

沙漠对输水明渠的危害存在许多不利因素，这些不利影响应予以解决，才能保证工程建设的成功和安全运行。但对沙漠风沙流的防护措施是直接决定工程成败的重要的关键因素，危害归纳如下：

1）渠线选择：应顺沙垄走向，避免横切沙垄；避免深挖方与高填方。但不可避免局部出现横切沙垄或深挖方与高填方的不利情况时，又如何保证渠道的稳定，与怎样处理风沙危害等问题。

2）明渠输水如何防止风沙危害，这种危害来自：①风沙进入明渠；②风沙侵蚀渠堤及开挖的沙垄边坡；③施工造成的原始地貌破坏，导致沙漠活化，从而使风沙流造成的风积，风蚀的加剧。

2 地质地貌

输水明渠穿越沙漠区物质组成较粗，北部平均粒径0.2～0.22 mm，南部为0.15～0.17 mm，地层为大厚度的风积沙层，各向均一，岩性变化不大，由北向南由中沙变为细沙，粒径比塔克拉玛干沙漠粗，起沙风速为5 m/s。沙漠内部沙丘形态主要为沙垄和树枝状沙垄，它们占固定和半固定沙漠面积的50%～80%，其次为粱窝状沙丘，形态高大，高30～50 m。沙漠边缘地区亦有很少量的新月型沙丘（链），其它各类沙丘一般都不移动,仅在半固定沙丘顶部存在脊线摆动。沙垄形态不对称,西北坡为迎风坡,缓而长。坡度12°～17°，东坡短而陡，坡度29°～32°，沙垄顶部因受风蚀形成狭带状流沙。沙层物理性质由北向南无明显差异。

沙漠区的构造变动轻微，未发现断裂的最新活动迹象，地震基本裂度小于6°。

3 沙漠明渠沿线植被

沙漠明渠沿线实测统计，固定沙丘植被覆盖度40%～50%，半固定沙丘植被覆盖度15%～25%，同时在沙垄，沙丘中，下部及垄间地带覆盖着一层厚约1 cm黑色的由微生物及地衣类组成的结被。

沙漠明渠两侧地表均有大量短命和类短命植物生长，沙垄顶部有明显活化带，由于时空水分状况分布的不均匀性，不同地貌部位植被差异大，春季雪水的融化，为植被提供良好的水分条件，孕育了除旱生，超旱生植物、少数营养期一年生植物和大量短明、类短明植物。到夏季气温高，蒸发强烈，地表0～30 cm变干沙，短命类植物全部死亡。

经收集采种分析：固定风沙土上生存的主要植物有白梭梭、麻黄、地衣、木本猪毛菜、角果藜等；半固定风沙土上生存的植物主要有白梭梭、沙拐枣、三芒草等；在植物分布的群落中，面积最大，分布最广是白梭梭群落，次之为驼绒藜群落和红果沙拐枣群落。

4 明渠穿越沙漠防护体系

沙漠明渠防护工程是保证输水明渠正常运行的生命线。目的是阻断外来沙在条带外边缘，固定条带内的沙于原位，使在条带中部通过的明渠免受沙漠风沙流之害。

实质通过治理风沙流，达到固沙，阻沙，导沙，输沙以消除沙埋、沙蚀、沙割等危害的一项根本性技术措施。构筑起一条基础稳定的条带。

4.1 工程区防护带宽度的确定

1）工程防护带宽度的确定：工程防护措施是采取阻沙，固沙方式，是将行进中的风沙阻止在距输水道线一定距离之外。根据沙漠明渠输水的特点，参考沙漠公路及沙漠暗渠施工经验，渠两侧阻沙工程防护带的范围初步确定150～300 m。施工限制破坏区一般地段每段每侧各为150 m，局部横切高大沙垄时，开挖线超过此值时，按实际值计算。对此破坏的活化区需要采取临时或永久的双重固沙防护措施。

2）生物防护带宽度的确定：沙漠没有大面积的流动沙丘，据此保护工程的边界应以永久性生物防护为主，防护边界初拟其极限宽度范围为：

渠线两侧的沙垄，沙丘顶部联线之间的条带状地带，上风侧超过500 m时，取500 m；小于500 m时，取实际值。下风侧超过200 m，取200 m；小于200 m取实际值。

对风口风沙流集中带，防护带应适当加宽。

4.2 工程防护体系

在沙漠明渠开挖后，施工破坏限制区和明渠两侧的沙漠坡面被破坏活化，需立即进行固沙防护，可分为两个阶段，一是建草方格，及必要的阻沙、导沙设施，临时固定沙面；二是在防护带两侧边缘建成一条连续的立式挡沙沙障，临时拦截阻断外来风沙沙源，将行进中的风沙阻止在距输水渠线外一定距离。

4.3 生物防护体系

根据该沙漠属固定、半固定沙漠这一特性，初步确定工程建设初期采取快速见效的工程防护，并辅助以生物防护体建设，待生物带见效后，即永久取代工程防护。

由于该沙漠风沙流是其主要沙害，而80%风沙流输沙是集中在地面0～20 cm高度范围，故初期种植极耐干旱，耐沙埋的先锋沙生植物进行第一道挡沙沙障；同时在沙垄坡脚处建由柽柳，沙拐枣，木蓼等灌木组成第二道挡沙林带；在临渠两侧，巡检道路外侧建第三道挡沙林带。在这三条立式挡沙林带之间的沙面：

1）由于施工破坏而形成复活的沙面，地表广建建1 m×1 m草方格，与行列式沙障结合，播种种籽，起到永久阻沙、滞沙作用。

2）防护带内的非活动沙面，采取加密补种措施。形成面上滞沙。对填方渠堤坡面种灌草类先锋植物固沙护面，利用植物水平网状根系发达形成一层厚2～4 m根系固结的结被，它即起固沙作用，又可起生物反滤盖的重层作用，防止渠道填方段因渗漏造成渠堤管涌与流土破坏。对风口风沙流集中处，采取向风口深处设置多道挡沙沙障，密植灌草，形成高度0.6～1.2 m的阻沙带；充分利用灌草在临时草方格内萌芽生根，替代形成永久的生物方格,将原位沙固结在原处。