风沙地区公路设计浅析

GXF360 2018-04-18

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0　引言

风沙地区是沙漠和沙地的统称。风沙地区的主要特征为：气候干燥、降雨量小；温差大,冷热变化剧烈；风大、沙多；土中易溶盐多；植被稀疏、低矮。

在自然界中,风力大到某一临界值以后,地表沙粒开始脱离静止状态而进入运动,这个临界风速称为起动风速。沙粒的起动风速主要受沙粒粒径的制约,同时还与沙子含水率、地表性质、植被覆盖度等多种因素有关。起动风速一般采用风速仪进行野外观测。

风沙流是指含有沙粒的运动气流,是一种贴近地面的沙子搬运现象,其搬运的沙量绝大部分是在离地表30cm的高程内通过的,其中又特别集中在离地面0～10cm的气流层中。因此,设计用于防风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　风沙对公路的危害

风沙地区公路沙害类型主要有两种：沙埋和风蚀。

1.1　沙埋

沙埋是风沙地区公路的主要沙害形式。沙埋主要有两类：一是风沙流通过路基时,因风速减弱而引起沙粒堆积,掩埋路基、路面；二是沙丘移动而掩埋路基、路面和桥涵。风沙流受阻沙埋和沙丘移动沙埋主要特性如下：

(1)风沙流受阻沙埋与路基横断面有关。路基填方路段,风沙流受阻沙埋主要发生在迎风坡脚和背风坡,路堤越陡、高度越大沙埋范围越大；半填半挖和路堑地段,与路堤路段相比更易积沙、造成沙埋。通过观测发现,路堤横断面的路面部分不易发生风沙流受阻沙埋,只有在路线为小半径平曲线和紧靠路侧有障碍物的地段,易发生风沙流危害。

(2)沙丘移动是沙子在沙丘迎风面吹扬、搬运,在沙丘背风面堆积的结果。

1.2　风蚀

风蚀是风沙直接吹蚀路基坡面的沙粒或土粒,导致路基宽度或高度减小,以及坡面被掏空或坍塌等。

风蚀包括吹蚀和磨蚀两种：风沙地区修筑路基时由于就地取材采用的沙土缺乏粘性,受到风力作用,土中沙粒容易被风吹走,产生路基吹蚀；大风天气风沙流的沙粒不断冲击路基边坡,发生磨蚀。倘若路基边坡出现孔穴或犁状沟,风沙流会钻入孔穴或沟内旋磨,以致将沙填路基的路肩部分或路面下土基掏空,造成坍塌。

路堤风蚀多发生在迎风路肩和边坡上部,高路堤风蚀尤为严重,常常形成上陡下缓、凸凹不平的风蚀坡面。路堑风蚀以边坡和路堑顶最为严重,当主导风向与路线平行时,路堑边坡易被风蚀成犁沟状；当主导风向与路线垂直时,路堑顶形成浑圆状或不规则形状,迎风坡面常风蚀呈犬牙状,或成袋形涡穴；被风蚀的沙土落于路堑内,会阻塞交通。

路基无论是填方还是挖方断面,其风蚀程度与风力、风向、风沙流强度、路基横断面形式、填料组成及防护措施均有关系。

2　风沙地区公路设计

风沙地区的公路设计,由于其气候、地形地貌、工程地质等有其特殊性,因此与一般的公路设计相比,应注意以下几点：

2.1　气象资料收集整理

气象资料的收集整理主要包括风讯(风向、风速)、气温、湿度、地温、降水蒸发七个气象要素,其中以风资料尤为重要,一般至少要有连续三年的气象资料作为支撑。风资料的搜集整理主要用于：

(1)通过风向风速资料的收集整理,并实验测得沙粒平均粒径,结合现场观测,确定项目区域起沙风速。

(2)以起沙风速为准,绘制风向矢量图,用以反映一年内沙或沙丘的运动方式及运动趋势。

(3)以起沙风速为准,绘制动力风向玫瑰图,用以判断该处沙丘移动的方向及沙垄延伸趋势。

2.2　路线选线

(1)合理避绕流沙严重地段；如流沙地带不能避绕,或避绕会导致工程量增加较多,选线应尽量由流沙最窄地段通过,应将路线布设在沙丘上风侧通过,而不应布设在沙丘的下风侧,以避免沙丘前移时埋没公路。

(2)路线必须穿过沙漠地段时,应充分利用有利地形,尽量将路线选在沙害较轻的湖盆滩地、河谷阶地、古河床、固定-半固定沙丘地带通过。

(3)路线与合成起沙风向尽量平行。

(4)在路线选择时,如果风蚀与沙埋可二选一,从防沙角度来说,“防止风蚀”较“防止沙埋”要容易得多。

2.3　路线平纵面设计

(1)风沙地区一般地势平坦、开阔,受限因素较少,路线多以长直线为主,但容易造成驾驶人员的疲劳、不利于行车安全；但我国现行规范未对最大直线长度作出具体规定,风沙地区最大直线段长度可参照3min行程考虑；设置平曲线时,宜选择在路堤地段,并将平曲线的凸面朝向主导风向。

(2)风沙地区纵断面设计应在符合现行规范的前提下,尽量顺应自然地形起伏,一般以填方为主,路堤高度应顺应地势,不宜过高。

2.4　风沙地区路基设计

2.4.1　风沙地区路基设计原则

(1)风沙地区路基设计,应调查、收集当地气象、地形地貌、工程和水文地质、风沙灾害、筑路和防护材料、生态环境等资料,确定当地沙漠类型和自然区划分区。

(2)应根据沙漠类型、自然区划分区及风沙危害程度,合理选择路基位置、横断面形式和路侧综合防沙体系。

(3)应根据沿线地质、气候条件、筑路材料等情况,遵循因地制宜、就地取材、综合治理的原则,充分利用风积沙材料进行路基填筑和防沙设计。

(4)干旱流动沙漠地区路基可不设置边沟等排水设施；对降雨较多或有浇灌要求的路段应考虑排水设计,宜设置宽浅形边沟和大孔径涵洞。

2.4.2　风沙地区路基设计要求

(1)填方路基宜采用低路堤,路堤高度宜比路基两侧50m范围内沙丘的平均高度高出0.5～1m；路堤宜采用流线型或缓边坡横断面,高速公路一级路宜采用分离式缓边坡路基形式,不设护栏,路肩与边坡相交的棱角宜设置成圆弧状。

(2)挖方路基设计应避免长度大于200m的路堑；路堑应设置积沙平台,采用缓坡率或流线型边坡的敞开式路基横断面；路线与主导风向正交时,宜加宽积沙平台。

(3)当采用路侧取土时,路基取土坑应设在被风侧坡脚5m以外；弃土应置于主风向被风侧的低洼处,距离路堑坡顶不应小于10m。

(4)风沙路基需对路肩、边坡坡面以及路堑坡顶外20～30m的范围内以及积沙平台进行防护,防护设计也应遵循因地制宜、就地取材的原则,选用经济合理的防护材料,现在比较常用的主要有柴草类防护和砾石、卵石、片石类防护。

3　工程实践

3.1　工程概况

托克逊-沙尔湖公路建设项目,位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市,连接了托克逊县、高昌区、鄯善县,是新疆维吾尔自治区“西煤东运”吐-哈煤炭基地基础设施公路网规划重要干线之一,也是哈密大南湖-沙尔湖公路向西的延伸段。连接了S328南湖-沙尔湖公路及S301乌拉斯台-托克逊公路,本项目建设必将成为强势拉动该地区经济社会发展的基础性源动力。

图1　项目地理位置图

项目路线起点在托克逊伊拉湖乡西侧接S301线的K69+000处,路线总体走向自西向东,主要控制点托克逊重工业园区、艾丁湖矿区、鄯善县迪卡尔工业园区、库木塔格沙漠、沙尔湖矿区,终点接鄯善县沙尔湖矿区S328线南湖至哈密公路的起点。路线起终点间人烟稀少,路线总里程291.281km,公路等级为一级公路,设计速度100km/h,整体式路基宽26.0m、分离式路基宽2×13.0m。

3.2　自然地理条件

拟建项目位于吐鲁番盆地,是全国地势最低和夏季气温最高的地方。吐鲁番盆地是天山东部的一个山间盆地,位于天山山地东端,是天山山脉东段南坡的山间断陷盆地。北为博格达山,南为库鲁克山,面积约50,000平方公里。盆地中部低于海平面的约占4,000平方公里,艾丁湖面-154m,湖底-161m。盆地中部有二列东西向低山,北为火焰山,约900m；南为觉罗塔格山,约1,000～1,500m；两者之间为绿洲。

3.3　气象

吐鲁番地区位于中纬度亚欧大陆腹地,是我国夏季气温最高的地区；受地形影响属于温暖带荒漠气候,气候主要特征为：干燥少雨,晴天多,热量丰富,年、日温差大,降水分布不均,春季多风、冷暖多变,夏季酷热、蒸发强,秋季晴朗、降温迅速,冬季寒冷、低空气层稳定。属于典型的温带干旱大陆性气候,拟建路线穿越吐鲁番地区南部。在公路自然区划中属干旱、极干旱炎热,沙漠地区为风沙三区。气象数据如表1：

表1　项目区沿线县市气象要素表

项目托克逊县吐鲁番市鄯善县年平均气温13．8℃13．9℃14．4℃极端最高气温48℃48．3℃48℃极端最低气温-25．5℃-28℃-29．9℃降水量6．9mm15．6mm17．8mm蒸发量3723mm2837mm3216mm最大冻结深度89cm90cm90cm最大积雪深度无稳定积雪17cm无稳定积雪定时最大风速>40m/s36m/s27m/s主要风向NWWNE，EN

3.4　水文

拟建公路项目区内河流主要有白杨河(托克逊河)、阿拉沟河、艾丁湖。

3.5　工程地质条件

拟建项目沿线区域总体地貌形态为低山剥蚀丘陵和冲洪积平原。沿线地形总体地势平坦,大部分段落地形起伏不大,属平原微丘区,局部地段沙尔湖西侧地形起伏较大,总的地势为西北低、东南高。所属区域为公路自然区划Ⅵ2即绿洲—荒漠区,地表无植被。海拔高度-148～702m。地层岩性以风积沙及冲洪积卵砾、砂层、砾岩为主。拟建项目工程地质分区为：冲洪积平原、山前坡积裙、河床阶地、剥蚀丘陵、剥蚀台地、古河道区和剥蚀准平原。

3.6　不良地质

工程区不良地质主要是沙害。库木塔格沙漠位于路线北侧,虽然该段不属于流动沙丘,但春秋季风力较大,风沙流容易堆积在路基上,风沙掩埋路基。其中,K209+000～K209+800段属风沙流过路段,根据连续三年的气象玫瑰图和沙丘形态,该段路线与主风向夹角接近垂直。

3.6.1　风资料分析

根据收集的近三年本路线沿线气象资料分析(图2),项目区域主导风向主要分为五个区间,K5～K30西南风为主风向,K30～K100偏西风为主风向,K100～K225偏南风为主风向,K225～K245偏东风为主风向,K245～K290偏南风为主风向。大部分路段风向与道路交角较大,对公路路基存在风蚀现象。

根据全国风沙地区公路施工区划表和结合吐鲁番盆地的气候条件和路线沿线的风向数据分析,本项目风沙地区段落划分见表2。

表2　项目区风沙地区段落划分表

段落划分公路里程(km)区划K140+000～K245+000105风沙三区

图2　2014～2016年连续三年公路沿线平均风速、主导风向分布图

3.6.2　沙害处理

项目区沙害段主要分布在K140～K245段,虽然该段不属于流动沙丘,但春秋季风力较大,风沙容易堆积在路基上,尤其是K209+000～K209+800段属沙漠路段,风沙影响较严重,需采取风沙防治措施：

(1)风沙段路基尽量采用填方形式,路线尽量垂直和风向相交,有利用提高风速,使风积沙快速穿越路面。

(2)路基采用低路堤、流线型断面进行设计,当边坡高度H≤3m时,坡率为1∶4,对于填方高度≤8m路段,路基边坡采用直线型,坡率1∶1.5。

图3　填方段路基标准横断面

(3)一般路段路基边坡采用单一粒径砾类土护坡,防止风蚀现象；对于K209+000～K209+800沙害严重段路采用在迎风侧路基坡脚设置防沙栅栏和草方格固沙综合防治处理,草方格采用50cm×50cm规格,地表高度15～30cm,在迎风侧垂直路基延伸50～100m的范围,背风侧可适当减少,迎风侧路基坡脚100m处设置一道防沙栅栏。