图2-8 复合沙山地形下的路线线形如果路基高度、边坡及和风向夹角等处理不当，就会对公路造成很大的危害，给养护带来困难。沙漠公路线形应在满足车辆行驶力学、美学及工程造价等要求的同时，顺应风沙流运动规律，和不同类型的沙漠地貌进行很好的环境景观配合，最后结合防沙体系，保证公路畅通。1）平曲线设计原则保持线形简捷连续，线形应与沙漠地形地貌相适应，与周边环境相协调。......
2023-09-22
风积沙路基设计施工及防沙技术
【摘要】：起动风速是确定风沙运动发生与否及其强度的重要判据。在风沙运动的三种基本形式中，呈悬浮状况搬运的沙量仅占全部搬运沙量很少一部分，尚不到5%，甚至在1%以下；因此，可以忽略不计。所以，构成风沙运动的沙粒主要是跳跃和蠕移运动的，其中又以前者占大多数。
1.5.1.1 风沙流运动的特征
风沙流是指含有沙粒的运动气流。运动的沙粒由于是从气流中获取运动的动量，因此，沙粒只是在一定的风力条件下才开始运动。当风力逐渐增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，这个使沙粒开始运动的临界风速称为起动风速。一切超过起动风速的风，被称为起沙风。
起动风速是确定风沙运动发生与否及其强度的重要判据。沙粒的起动风速主要受沙粒粒径的制约。拜格诺根据流体在起动条件下，作用在沙粒上的迎面阻力（拖曳力）和重力的平衡，导出了沙粒开始移动的临界速度与粒径关系表达式，见下式：
式中 U*t——临界摩擦速度；
ρs——沙粒密度；
d——沙粒的粒径；
g——重力加速度；
A——经验系数。
任何高程Z上的流体起动速度U t则为
式中 Z 0——粗糙度。
式（1-10）、式（1-11）表明，若设系数A是一个常数，则起动风速和沙粒径的平方根成正比。
沙粒的起动风速除主要取决于粒径外，还与地表性质、沙子含水率和植被盖度等多种因素有关。
地表性质对起动风速的影响，表现为粗糙地表由于摩擦阻力大，必然要增大起动风速。水分（含水率）和盐分能显著地影响沙粒的起动风速。沙子在湿润情况下，能增加其黏滞性，加强沙子的团聚作用，因而也就要求沙子的起动风速值加大。
植被盖度对起动风速的影响不言而喻。沙面上生长有植被，可增大粗糙度。根据观测，在沙丘上种草以后，其粗糙度要比种草前增大25倍。由于粗糙度增大，摩擦阻力加大，从而提高了临界起动风速。
鉴于起动风速受到众多因素的影响，因此，在实际工作中，多采用风速仪进行野外观测，来确定某一地区的沙子起动风速。吴正和凌裕泉（1965年）曾在我国新疆塔里木盆地布古里沙漠中，对沙丘的起动风速进行了观测（表1-42）。观测结果表明，对于一般干燥裸露的沙质地表来说，当离地表2 m高处风速达到4 m／s左右，或相当于气象台站风标风速≥5 m／s时，大部分沙子（沙漠沙多属0.1～0.25 mm的细砂）可被起动，形成风沙流。
沙粒在气流中运动，依风力、颗粒大小和质量不同，有悬移、跃移和表层蠕移三种形式。野外观测表明，通常粒径＞0.5mm的颗粒（特别是＞1.0mm）大都是蠕移搬运的，0.1～0.15mm的沙粒最易以跃移的形式运动，而＜0.05mm的粉沙颗粒则以悬浮状态搬运为主。
在风沙运动的三种基本形式中，呈悬浮状况搬运的沙量仅占全部搬运沙量很少一部分，尚不到5%，甚至在1%以下；因此，可以忽略不计。所以，构成风沙运动的沙粒主要是跳跃和蠕移运动的，其中又以前者占大多数。野外观测查明，在一般风力条件下，跃移沙量平均约占全部搬运沙量的3／4（表143）。因此，气流所搬运的沙子数量（输沙率）是密切依赖颗粒跳跃运动强度的。
表1-42 沙粒粒径与起动风速值（新疆莎车布古里沙漠）
表1-4 3 不同风速下气流中跃移搬运和蠕移搬运的沙量（新疆莎车）
气流搬运的沙量（输沙率），和风速超过沙粒开始运动的定常起动速度的三次方成正比；也就是说，当风速显著地超过起沙风速后，气流搬运的沙量就急剧地增加（表1 44）。
表1-44 风速与输沙量的关系（新疆莎车）
风沙流运动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30 cm的高程内通过的，其中又特别集中在近地面0～10 cm的气流层中（表1 45）。
表1-45 不同高度气流层内搬运的沙量（%）（内蒙古乌兰布和沙漠；2 m高处风速为8.7 m／s）
认识风沙流运的这一性质，对防沙工程具有重要的指导意义。例如，设计用于防风固沙的沙障就不需要很高的尺寸，一般只要露出沙面20～30 cm即可收到良好的效果。
1.5.1.2 沙丘移动规律
沙丘移动是相当复杂的，与风、沙丘高度、水分、植被等很多因素有关。风是产生沙丘移动的动力因素。但是，并不是所有的风都对沙丘移动起作用，只有大于沙粒的临界起动风速的起沙风才是有效的。这种起沙风，从新疆塔克拉玛干沙漠各地气象站风的观测资料统计（每天观测四次）中可以看出，其仅占各地区全年观测过的风的很小的一部分。如且末的起沙风（≥5 m／s）占全年风总出现次数（频率）的19.7%，占全年总风速的42.8%；安迪尔分别为11.5%和23.9%；于田更小，仅占4.2%和10.8%。因此，对于沙丘的移动来说，大部分小于起沙风速的风应当属于“静风”；沙丘的移动性质和强度只是取决于一小部分起沙风的状况。
1）沙丘移动的性质
根据野外观测，沙丘移动的性质（移动方向和方式）和起沙风风况的关系有下列两点：
（1）沙丘移动的方向随着起沙风风向的变化而变化，移动的总方向和起沙风的年合成风向大体相一致；如新疆莎车阿瓦提地区沙丘移动的总方向平均为S50°E，而起沙风的年合成风向是N40°W；皮山地区两者分别S70°E和N70°W。
图1-36 沙丘移动的三种方式
（2）沙丘移动的方式取决于风向及其变化规律，可以分为下面三种情况（图1-36）：第一种方式是前进式（图1-36a），这是在单一的风向作用下产生的。如我国塔克拉玛干沙漠的一部分、柴达木盆地的沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠的西南部等地，是受单一的西北风或东北风的作用，沙丘均以前进式运动为主（或微有往复摆动）（图1-37）。第二种是往复前进式（图1-36b），它是在两个风向相反且风力大小不等的情况下产生的。在冬、夏季风交替的地区，沙丘移动都具有这种特点。如我国东部各沙区，冬季在主风西北风的作用下，沙丘由西北向东南移动；到夏季，受东南季风的影响时，沙丘则产生逆向运动。不过，由于东南风的风力一般较弱，所以还不能完全抵消西北风的作用，故总的来说，沙丘还是缓缓地向东南移动（图1-38）。第三种是往复式（图1-36c），是在风力大小相等、方向相反的情况下产生的。这种情况一般较少见。
2）沙丘移动的速度
沙丘移动的速度主要取决于风速和沙丘本身的高度。如果沙丘在移动过程中，形状和大小保持不变，则迎风坡吹蚀的沙量，应该等于背风坡堆积的沙量。在这种情况下，沙丘在单位时间里前移的距离D，如图1-39所示。
图1-37 布古里沙漠东南部沙丘移动图（1960年4月—1961年4月）
图1-38 茶坊庙北沙丘移动横断面图
图1-39 沙丘移动速度的几何图解
如图1-39所示，取一小块面积ABCE，其中BE为沙丘在单位时间内的前移距离，也就是沙丘的移动速度，以D表示，由图看出，S△ABC＝S▱ABEF。如果在单位宽度通过这一小面积的沙量为d Q，则可以写出下面的关系式：
式中 γ——沙子容量。
在单位时间内通过单位宽度，从迎风坡搬运到背风坡的总沙量为
对上式两边进行积分得
或
图1-40 沙丘移动速度计算图
式中 H——沙丘高度。
由式（1-14）可以看出，沙丘移动速度与其高度成反比，而与输沙量成正比。又因输沙量和起沙风速的三次方成正比，所以沙丘移动速度也就同样和风速的三次方成正比。沙丘移动速度与其高度成反比的关系，已为野外观测所证实（表1-46）。刘振兴（1960年）还根据其推导的沙丘移动速度公式，制出计算沙丘移动速度的图表（图1-40），只要知道风速和沙丘高度，即由图可很快地查算出沙丘移动速度。
表1-46 不同高度沙丘的移动速度（甘肃民勤）
沙丘移动速度除了主要受风速和沙丘本身高度的影响外，还与植被、沙丘水分状况等因素有关。植被对沙丘移动的影响，在于沙丘上生长了植物后，能大大削弱近地表层风速，减少沙子吹扬搬运的数量，从而使沙丘移动速度减慢，甚至完全终止。所以，植物固沙是治理沙害的重要措施。沙丘湿润时（大部分与降水有关），沙子的黏滞性和团聚作用加强了，从而不易被吹扬搬运，所以影响了沙丘移动的强度。
鉴于影响沙丘移动的因素是相当复杂的，沙丘移动的实际速度随当地条件而变化。因此，在实际工作中，通常采用野外插标杆、重复多次地形测量、多次航空影像测量等方法，以求得各个地区沙丘移动的实际速度。例如，在我国甘肃金塔地区，根据1968年和1975年两次地形测量图，测量了若干组不同高度的沙丘移动速度，并用数理统计方法，求得沙丘移动速度与沙丘高度的相关性，其关系式为
由式（1-15）得出该地区不同高度沙丘的平均年移动速度（表1-47）。
表1-47 金塔不同高度沙丘的移动速度
按照各地沙丘年平均前移速度的大小，我国沙漠地区沙丘移动速度大致可以分成以下三种类型：
（1）慢速的类型。年前移值不到5 m，如塔克拉玛干沙漠和巴丹吉林沙漠的大部分地区。
（2）中速的类型。年前移值在5～10 m，如塔克拉玛干沙漠的西南部、腾格里沙漠的东南部、毛乌素沙地及科尔沁沙地中的流动沙丘、柴达木盆地南缘的沙丘以及准噶尔盆地精河地区的沙丘等。
（3）快速的类型。年前移值在10 m以上，如塔克拉玛干沙漠南部边缘的低矮沙丘，乌兰布和沙漠东部及河西走廊安西、民勤绿洲中的沙丘等。
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