对于风积沙来讲，其排水性良好，排水固结变形所需时间很短。因此，风积沙的压缩变形随时间的变化主要是由于一定压力作用下的颗粒骨架蠕变引起的。表1-37、图1-17表示压缩模量与压力的关系。试样竖向压缩应变ε与压力P的函数关系如下：ε＝0.004 594P 1／3R＝0.999随着压力P的增大，压缩模量E s愈来愈大；与黏性土相比，沙体的压缩模量较大，说明沙体的压缩性较差。......
2025-09-30
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 Ut——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（2025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。
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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（2025年4月—2025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（2025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2025年和2025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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