張新萍

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆　烏魯木齊　830000)

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沙質(zhì)荒漠公路路基高度及填土高度研究

張新萍

(新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)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(shè)計(jì)。

摘要：確保沙漠公路路基穩(wěn)定可靠的關(guān)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(jù)對(duì)新疆以及西北地區(qū)廣大沙漠公路路基高度數(shù)據(jù)和沙漠公路運(yùn)營(yíng)狀況的調(diào)查分析，建立了路基高度與沙埋概率關(guān)系曲線(xiàn)，得出路基高度最好>30 cm，但其高度也不能太高，并通過(guò)風(fēng)沙流風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同填土高度的風(fēng)速流場(chǎng)特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關(guān)系的關(guān)鍵在于研究路基流場(chǎng)特征。

關(guān)鍵詞：公路路基；填土高度；路基高度

0引言

新疆地區(qū)由于地理位置、自然氣候等若干原因，基礎(chǔ)建設(shè)較為落后，尤其是公路交通事業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r明顯滯后于東部地區(qū)省份，不僅制約了新疆地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更影響了國(guó)家“一路一帶”“絲綢之路”大戰(zhàn)略的推進(jìn)。據(jù)相關(guān)部門(mén)的權(quán)威統(tǒng)計(jì)，新疆沙漠地區(qū)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(dǎo)致公路路面破壞造成交通嚴(yán)重受阻[1]。而沙質(zhì)荒漠公路的特征是公路沿線(xiàn)區(qū)域分布著大小不均的各種沙丘，在風(fēng)力推動(dòng)作用之下形成大片移動(dòng)形態(tài)的流沙，給公路造成嚴(yán)重危害。確保沙漠公路路基穩(wěn)定可靠的關(guān)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(guān)系的關(guān)鍵在于研究路基流場(chǎng)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(qū)沙漠公路修筑的關(guān)鍵技術(shù)方案之一，沙埋病害出現(xiàn)的一個(gè)重要原因是其路基的合理填土高度較低，地基狀況的穩(wěn)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(huì)使路基承受風(fēng)蝕作用，不僅使得整個(gè)工程的造價(jià)增加，而且極易導(dǎo)致高填方路基穩(wěn)定性的下降[2]。鑒于沙漠公路修筑的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)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(duì)其進(jìn)行相關(guān)討論研究。

2影響公路沙埋的主要因素

2.1　風(fēng)速

風(fēng)沙流的本質(zhì)是氣體夾帶著固體沙粒的混合氣流態(tài)，最終形成了風(fēng)帶動(dòng)沙的風(fēng)沙流。風(fēng)沙流的形成是空氣與沙地表的相互作用，風(fēng)力作用將會(huì)使得地表的固態(tài)沙粒脫離其附著的地表快速進(jìn)入大氣流中，風(fēng)的作用是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)形成的關(guān)鍵所在。

2.2　沙粒徑、含水量

工程實(shí)踐調(diào)查表明風(fēng)力的強(qiáng)度以及沙粒徑、沙粒運(yùn)動(dòng)方式等多種因素影響著風(fēng)沙流的形成。若沙漠公路附近區(qū)域的沙粒粒徑不僅粗且重，則不易被風(fēng)吹起；若沙漠公路附近區(qū)域的地表較為粗糙則會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速受阻減小；若沙漠公路附近區(qū)域的沙粒含水量大，則會(huì)在水膜粘結(jié)沙粒表面的作用之下，使得沙粒間形成粘結(jié)力，較干的沙粒難被吹起。

2.3　沙漠公路走向與風(fēng)向夾角的影響

工程實(shí)踐調(diào)查表明沙漠公路走向與風(fēng)向夾角為<40°的銳角相交時(shí)，可以有效減少路基的沙埋和風(fēng)蝕。其主要原因在于當(dāng)公路走向與風(fēng)向夾角≥90°時(shí)，其路基的路基頂部、背風(fēng)坡腳、迎風(fēng)坡腳具有較為明顯的氣流分離減速，將會(huì)造成積沙風(fēng)蝕[3]。當(dāng)沙漠公路走向與風(fēng)向夾角為<40°的銳角時(shí)，路基反而會(huì)對(duì)風(fēng)沙流能起到側(cè)導(dǎo)作用，避免了路基受到風(fēng)蝕作用的直接影響。

2.4　路基高度

風(fēng)沙流的堆積顯然是一個(gè)循序漸進(jìn)發(fā)展的過(guò)程，工程實(shí)踐表明>0.35 m的沙漠公路路基坡腳處氣流會(huì)自然而然生成一個(gè)渦旋，渦旋產(chǎn)生的地方通常會(huì)導(dǎo)致沙子從坡腳開(kāi)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(shí)沙子會(huì)漫過(guò)路基在路面處生成沙堆。工程觀測(cè)表明隨著路基高度的增大，沙堆達(dá)到與路基等高度耗時(shí)則會(huì)延長(zhǎng)，有利于提前建立預(yù)警機(jī)制，有效避免沙害現(xiàn)象。

3沙漠公路路基高度

通過(guò)調(diào)查分析新疆以及西北地區(qū)廣大沙漠公路路基高度數(shù)據(jù)和沙漠公路運(yùn)營(yíng)狀況，建立了沙漠地區(qū)路基高度與沙埋概率之間的關(guān)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(yán)重。若沙漠公路路基填筑過(guò)低則導(dǎo)致其不能很好地抵抗常見(jiàn)的病害，統(tǒng)計(jì)表明過(guò)低的沙漠路基通常導(dǎo)致沙埋災(zāi)害。

路基高度與沙埋概率關(guān)系曲線(xiàn)如下頁(yè)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(shí)其路基高度范圍在40~60 cm時(shí)，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(huán)境可能因?yàn)橹茉怙L(fēng)速、地質(zhì)、沙丘形態(tài)的不同出現(xiàn)不同的沙埋狀況。眾所周知路基穩(wěn)定性決定著公路能否正常使用，由于沙漠公路路基抗剪強(qiáng)度小，可塑性不強(qiáng)，若所修筑公路的路基較高時(shí)，處置不當(dāng)就有可能使路基的穩(wěn)定性破壞[4]。

圖1　路基高度與沙埋概率關(guān)系曲線(xiàn)圖

4路基填土高度

沙漠地區(qū)公路損壞的主要原因在于其附近的風(fēng)沙流速，沙漠公路路基一般所處的環(huán)境為風(fēng)大沙多，在強(qiáng)風(fēng)沙作用之下其路基通常會(huì)伴隨有侵蝕、掏蝕現(xiàn)象。風(fēng)沙流通過(guò)障礙物時(shí)導(dǎo)致氣流分離，會(huì)在路基迎風(fēng)一側(cè)形成一個(gè)減速區(qū)域，在路基背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)風(fēng)速穩(wěn)定區(qū)域。

通過(guò)風(fēng)沙流風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)不同填土高度進(jìn)行相關(guān)討論，試驗(yàn)表明沙漠公路路基填土高度與沙埋危害關(guān)系的關(guān)鍵在于研究路基流場(chǎng)特征。沙漠公路沙埋的動(dòng)力基礎(chǔ)就是路基流場(chǎng)[5]。為了探究風(fēng)速路基流場(chǎng)的變化特征關(guān)系，在新疆地區(qū)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(fēng)速流場(chǎng)

圖2　平行地面路基風(fēng)速流場(chǎng)圖

平行地面路基形態(tài)的公路結(jié)構(gòu)風(fēng)速變化較小(見(jiàn)圖2)，風(fēng)速比較大的區(qū)域出現(xiàn)在路肩處，最高風(fēng)速出現(xiàn)在0.5 m高的路面中心處，過(guò)了此區(qū)域之后風(fēng)速逐漸降低。由圖2可知此時(shí)路面上不易積沙，原因在于風(fēng)沙流會(huì)比較容易越過(guò)路面。

4.2　路基高度0.5 m的風(fēng)速流場(chǎng)

圖3　0.5 m高路基風(fēng)速流場(chǎng)圖

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

4.3　路基高度1.0 m的風(fēng)速流場(chǎng)

圖4　1.0 m高路基風(fēng)速流場(chǎng)圖

圖4表明，沙漠公路所處的環(huán)境為開(kāi)闊地面時(shí)風(fēng)速變化較小，風(fēng)速降低較為明顯的區(qū)域出現(xiàn)在路基上風(fēng)面坡腳處，水平地面風(fēng)速將近60%。由于風(fēng)速的降低可能導(dǎo)致部分沙粒在此堆積，伴隨沙埋出現(xiàn)。最大值出現(xiàn)在路肩處和路面上，此時(shí)路面積沙較少，原因在于風(fēng)沙流通過(guò)阻礙不大。弱風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在背風(fēng)路面處，此時(shí)風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的近80%，部分沙粒在此堆積。

4.4　路基高度1.5 m的風(fēng)速流場(chǎng)

圖5　1.5 m高路基風(fēng)速流場(chǎng)圖

圖5表明，風(fēng)速降低區(qū)域?yàn)槁芳缟巷L(fēng)面坡腳處，由于風(fēng)速的降低可能導(dǎo)致部分沙粒堆積在此處，伴隨沙埋出現(xiàn)。

最大值出現(xiàn)在路肩處，此時(shí)風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的近255%，路面中心處風(fēng)速開(kāi)始降低，此時(shí)風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的近220%，當(dāng)通過(guò)背風(fēng)路肩處時(shí)，風(fēng)速開(kāi)始增高到水平地面風(fēng)速的近250%，風(fēng)沙流通過(guò)阻礙不大，路面不會(huì)發(fā)生沙粒沉積。弱風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在背風(fēng)路基邊坡，此時(shí)沙粒易發(fā)生堆積。

4.5　路基高度2.5 m的風(fēng)速流場(chǎng)

圖6　2.5 m高路基風(fēng)速流場(chǎng)圖

圖6表明，風(fēng)速降低較為明顯的區(qū)域出現(xiàn)在路肩上風(fēng)面坡腳處，水平地面風(fēng)速的近50%。由于風(fēng)速的降低可能導(dǎo)致部分沙粒在此堆積，伴隨沙埋出現(xiàn)。最大值出現(xiàn)在路肩處，此時(shí)風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的近190%，風(fēng)速降低區(qū)的開(kāi)始區(qū)域?yàn)槁访嬷行奶?，此時(shí)路面積沙較少，原因在于風(fēng)沙流通過(guò)阻礙不大。弱風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在背風(fēng)路面處時(shí)，風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的近180%，此時(shí)風(fēng)速為水平地面風(fēng)速的將近80%，部分沙粒在此堆積。路面不會(huì)發(fā)生沙粒沉積。

5不同路基高度的風(fēng)速流場(chǎng)的特征

不同高度路基各部位結(jié)構(gòu)的風(fēng)速增降情況見(jiàn)表1，將沙漠公路附近區(qū)域地表的地面磨擦系數(shù)看作是一致的，依次對(duì)路基高度為0.5 m、1.5 m、2.5 m、3.5 m的風(fēng)速流場(chǎng)進(jìn)行分析。

表1　不同高度路基各部位結(jié)構(gòu)的風(fēng)速增降情況表

當(dāng)路基高度<0.5 m時(shí)，此時(shí)的公路路面的氣流基本連續(xù)穩(wěn)定，路基處基本沒(méi)有產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，公路的路面風(fēng)速有小幅的增加；若路基高度>1.0 m時(shí)，首先是風(fēng)速在上風(fēng)面坡腳處降低，同時(shí)也伴隨出現(xiàn)了渦旋現(xiàn)象，路面上方速度顯著增大，此時(shí)如果有風(fēng)成沙包含在氣流中，其中的沙粒會(huì)慢慢地堆積在此。當(dāng)路基高度逐漸增大時(shí)，路面上方的風(fēng)速也會(huì)伴隨著增大，伴隨出現(xiàn)的渦旋可能導(dǎo)致積沙的規(guī)模越來(lái)越大[6]。

6結(jié)語(yǔ)

影響公路沙埋的主要因素為風(fēng)速、沙粒粒徑、

沙粒含水量、路基高度、沙漠公路走向與風(fēng)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(qū)沙漠公路修筑的關(guān)鍵技術(shù)，從路基高度與沙埋概率關(guān)系曲線(xiàn)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(guān)系的關(guān)鍵在于研究路基流場(chǎng)特征。路基與氣流之間的相互作用關(guān)系的直接反應(yīng)就是路基流場(chǎng)。

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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(hào)：1673-4874(2015)08-0044-04

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1+66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.011

作者簡(jiǎn)介