风积沙公路设计与施工：边坡横断面方案

确定沙漠公路路基横断面线形参数时，主要考虑不同路基高度下路堤、路堑边坡坡度等方面的因素。

公路在沙漠中时刻面临着风蚀和沙埋的危害，为将沙漠公路可能受到的风沙危害降低到最小，沙漠中的公路路基横断面通常采用较小的路基高度和较平缓的路基边坡。边坡坡度主要依据风洞试验的数据结果、沙漠公路的设计经验和现有公路使用情况的效应观测等方面来确定不同沙漠公路路基高度对应的边坡值。

2.6.6.1 路堤

一个适应风沙流特点的较为理想的路基横断面形式，应具有良好的气流附体运动条件，即贴地层气流不分离不产生涡旋的条件。风沙对路基的危害，通常主要是由路基高度、路堤边坡等因素决定。

1）风洞试验结果

（1）不同边坡风速变化率。通过对同一高度的不同边坡路基进行8 m、12 m、18 m不同风速的风洞试验，将迎风路肩、路中心、背风路肩、背风坡脚各点的数据和迎风坡脚试验数据通过平均风速的减弱率进行比较，可以看出各点的风速变化，结果见表2-25、图2-29～图2-31，从表和图中可以看出：

①边坡为1∶1.5时背风坡脚平均风速比背风路肩降低75.11%，迎风路肩比迎风坡脚提高60.99%。路中心低于迎风路肩35.96%，为堆积状态。

②边坡为1∶3时背风坡脚平均风速比背风路肩降低56.34%，迎风路肩比迎风坡脚提高55.26%。路中心低于迎风路肩13.84%，为堆积状态。

③边坡为1∶6时背风坡脚平均风速比背风路肩降低33.62%，迎风路肩比迎风坡脚提高36.01%。路中心低于迎风路肩1.77%，属均匀吹蚀状态。

表2-25 直线形路基高4 m、90°交角不同边坡平均风速变化百分率

图2-29 4 m高路基1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

图2-30 4 m高路基1∶3边坡12 m／s风速90°交角

从而得出结果：

①风区主要在背风坡脚和迎风坡脚，强风区主要在迎风路肩。

②相同路基高度和交角的情况下，边坡越陡风速比越大，背风坡脚减速越剧烈，背风边坡和坡脚越容易积沙；迎风路肩提速越剧烈，越容易风蚀。

③随着边坡变缓路中心风速和路肩风速变得越来越接近，由堆积状态渐变为均匀吹蚀状态，路面越不易积沙。

由此可以从防沙角度得出：边坡越缓气流越顺畅，边坡越陡越不利，越容易风蚀和积沙，但边坡过缓不利于风速加速，同样会造成路面积沙，综合分析认为1∶2～1∶6比较合适。

（2）不同高度风速变化率。通过对相同边坡、不同高度的路基进行8 m、12 m、18 m风速的风洞试验，将迎风路肩、路中心、背风路肩、背风坡脚各点的数据和迎风边坡试验数据通过平均风速的减弱率进行比较，可以看出各点的风速变化，结果见表2-26和图2-32、图2-33，从表和图中可以看出：

①高度2 m时背风坡脚平均风速比背风路肩降低47.45%，迎风路肩比迎风坡脚提高26.09%。

②高度4 m时背风坡脚平均风速比背风路肩降低75.11%，迎风路肩比迎风坡脚提高60.99%。

图2-31 4 m高路基1∶6边坡12 m／s风速90°交角

表2-26 直线形路基交角90°边坡1∶1.5不同路基高度平均风速变化百分率

图2-32 2 m高路基1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

图2-33 4 m高路基1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

由此可以看出：当边坡坡度、风向交角相同时，高路基比低路基背风减速要剧烈，容易背风积沙；高路基比低路基迎风路肩提速要剧烈，容易风蚀，路基高度低气流较顺畅，路基太高不利于气流运行，越容易风蚀和积沙，建议路基高度不宜太高。

2）效应观测结果

通过对野外沙漠公路的观测得到表2-27中数据，从表中可以看出：

（1）随着路堤边坡的变缓，路面贴地层气流发生分离的现象逐渐变小，路堤对风速的减弱率也逐渐减小。同时路堤边坡越陡，路堤顶中心与背风路肩的风速减弱率愈大，背风坡积沙现象就越明显。

（2）随着高度增加，路堤迎风坡的屏障作用加剧，流线加密程度变大，路堤越高路肩风速越大，路肩及路面上的风速也越大，风蚀破坏作用也强。

表2-27 正交时路基高度和边坡不同时路基顶面的风速

3）综合设计经验

根据观测，就地爬路基或高度小于30 cm路基及边坡缓于1∶3的矮路基横断面是符合或基本符合这一条件的。但凡路基高度大于50 cm，路基边坡在1∶8以内的路基横断面，路堤顶部各部位都将产生贴地层气流分离现象。路基边坡的陡缓直接影响着路堤上各部位的风速分布，见表2-28。边坡越陡，路堤顶中心与背风路肩的风速减弱率越大，边坡越缓就越小。风速减弱率的大小反映着路面贴地层气流分离区的厚薄，从1.0 m和2 m高度的三种不同边坡路堤的风速等值线图来看（图2-34），路基边坡为1∶1.5时，路面贴地层气流发生明显的分离现象，分离厚度约20 cm左右，边坡为1∶3时，贴地层气流分离厚度约15 cm左右，而边坡为1∶8时，气流分离则不甚明显，对风速的减弱也有限。

表2-28 路基高度和边坡不同时路基顶的风速

4）不同边坡和路基高度的工程量分析

对不同路基高度和不同边坡情况下，沙漠常见的10 m宽路基的每公里土方工程量进行了计算，见图2-35。从图中可以看出，随着边坡变缓，路基高度增高，工程量在不同程度地增加，路基高度在1 m左右时工程量增加不明显，但到了3 m以上时，随着边坡放缓，工程量在剧烈增加，从经济的角度看路基高度最好在2 m以下，边坡陡于1∶3为好。

图2-34 不同边坡路堤的风速等值线

图2-35 不同边坡和路基高度下工程量变化

根据以上论述，对路基高度、边坡坡度上风速的变化规律数据做进一步的分析，再结合风沙地貌特征来综合确定路基横断面参数，推荐在不同路基高度下的边坡坡度，使其能在经济性和防沙能力总体效果上达到较好的效益。

建议采用表2-29的路基边坡。根据不同风向和路线夹角的观测数据认为，当主风向特别明显且风向和路线夹角＜30°时，可以考虑适当将边坡变陡。

路基高度以低于2 m为宜，高于2 m的路基在放缓边坡的同时应做好防风蚀的措施。

表2-29 沙漠路堤横断面边坡坡度推荐值

2.6.6.2 路堑

和路堤相似，风沙对路堑的危害，通常是由路堑深度、路堑边坡等因素决定的。

根据对试验数据的初步分析，风速在路堑断面上的变化主要是路面范围内风速的减小。实际沙漠公路工程中路堑很容易受到沙埋危害的影响，沙埋也主要发生在路面范围内，而且积沙清理起来比较困难，所以对于路堑模型风洞试验数据的分析重点就是路面范围内风速的减小量。

1）风洞试验结果

（1）不同边坡的风速变化率。通过对同一深度的不同边坡路堑进行8 m、12 m、18 m不同风速的风洞试验，将迎风路肩、路中心、背风路肩、背风坡脚各点的数据和迎风坡脚试验数据通过平均风速的减弱率进行比较，可以看出各点的风速变化，结果见表2-30和图2-36～图2-38。从表和图中可以看出：

表2-30 直线形路堑深4 m 90°不同边坡平均风速变化百分率

①边坡比1∶1.5时迎风路肩风速比迎风坡脚降低64.06%，背风路肩风速比迎风坡脚降低62.81%。

②边坡比1∶3时迎风路肩风速比迎风坡脚降低59.34%，背风路肩风速比迎风坡脚降低52.78%。

③边坡比1∶6时迎风路肩风速比迎风坡脚降低31.04%，背风路肩风速比迎风坡脚降低25.40%。

图2-36 4 m路堑1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

图2-37 4 m路堑1∶3边坡12 m／s风速90°交角

图2-38 4 m路堑1∶6边坡12 m／s风速90°交角

得到以下结果：

①风区主要在迎风边坡和路面范围，迎风路肩处风速最弱。

②相同深度直线形路堑，边坡越陡背风减速越剧烈，越容易背风积沙；缓于1∶3的边坡时风速减弱率减缓。

由此可以从防沙角度得出：路堑边坡越缓气流越顺畅，边坡越陡越不利，越容易风蚀和积沙，但边坡过缓工程量太大，经济上不合理，综合分析认为路堑边坡应比路基要缓，为1∶4～1∶7比较合适。

（2）不同深度的风速变化率。通过对相同边坡，不同深度的路堑进行8 m、12 m、18 m风速的风洞试验，将迎风路肩、路中心、背风路肩、背风坡脚各点的数据和迎风坡脚试验数据通过平均风速的减弱率进行比较，可以看出各点的风速变化，结果见表2-31和图2-39、图2-40，从表和图中可以看出：

①路堑深度2 m时迎风路肩风速比迎风坡脚降低35.55%，背风路肩风速比迎风坡脚降低22.28%。

②路堑深度4 m时迎风路肩风速比迎风坡脚降低64.06%，背风路肩风速比迎风坡脚降低62.81%。

表2-31 直线形路堑不同深度90°交角边坡1∶1.5平均风速变化百分率

图2-39 2 m路堑1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

图2-40 4 m路堑1∶1.5边坡12 m／s风速90°交角

由此得出结果：

①风区主要在迎风边坡和路面范围，迎风路肩处风速最弱。

②同边坡直线形路堑，深度越深背风减速越剧烈，越容易背风积沙。

由此可以看出：路堑的路肩、路面都处于背风减速区，当边坡坡度、风向交角相同时，深路堑比浅路堑迎风路肩和背风路肩降速要剧烈，容易积沙，浅路堑气流比深路堑顺畅，路堑太深不利于气流运行，越容易积沙，建议路堑不宜太深。

2）效应观测结果

通过对野外沙漠公路路堑风场观测和等速图（图2-41）的分析，可以得到以下几点：

图2-41 古尔班通古特沙漠石西路K37处路堑梯度1 min平均风速

（1）在路堑前由于没有受到外因的影响，风速变化很小。但当风沙流穿越路堑时，由于运动的气流遇到突然凹下的路堑，气流断面突然扩大，气流在低层流体逆压梯度力的作用下扩散，会很快发生减速分离，产生一个以背风坡坡脚附近为中心的分离区，使迎风侧的风速从迎风坡顶至坡脚和路肩逐渐减小。

（2）路堑的减弱区与风影区均在路堑的外边坡之内，减速的幅度很大，沉积的积沙很容易直接堆积于边坡和路面上，导致沙害。其沙害程度随着路堑深度增大而增大，若整个路堑底面上为较大范围静风区，沙害更为严重。同时随着路堑深度的增大，下风侧外边坡的风速也随之增大，风蚀也越严重。

从测到的不同边坡风速等值线图来看，一般路堑边坡较缓时，在路堑与风向正交的情况下，路堑内风沙流通过比较顺畅，有利于创造环流条件，因而表现出风沙流结构的特征值（λ）越大，这表明整个边坡越缓，路堑断面内处于沙的非堆积搬运状态，堑内基本无积沙。从流体力学的角度来看，当路堑顶口宽与其深度之比介于10～25时，同样具有缓坡的作用。

3）以往综合观测和设计经验

（1）沙漠边缘及草丛固定沙地地区。这类地带的特点是：地表一般比较光坦，其粗糙度Z 0很小（粗糙度Z 0是平均风速减小到零的几何高度，以厘米为单位），在0.3 cm以内，对气流的阻力不大，因此当运动的风沙流遇到突然下凹的路堑，气流断面突然扩大，风速骤减（图2-42～图2-45）。

图2-42 2 m深路堑风场等速图

图2-43 4 m深路堑风场等速图

按风洞试验路堑深度为2 m和4 m的各点风速情况看（表2-32、表2-33），由于运动的气流，遇到突然凹下的路堑，风速骤减。与坡顶风速相比，2 m深路堑内风速减低率达55.0%～91.52%；4 m深路堑风速减弱率为89.5%～98.82%，为2 m深路堑的1.08～1.63倍。整个路堑内气流分离层厚度均大于路堑深度。这便是路堑与主风向大角度相交路段堑内经常出现积沙的原因。较短的深路堑比很长的浅路堑积沙情况相对好一些，由于堑内的拉沟风作用，易将刮入堑内的沙子顺沟方向刮走。据观测，深度为5 m的路堑底其贴地层风速比路堑顶高1.23～1.37倍，堑内120 cm高度层内输沙量比堑顶高2.56～2.89倍。这种拉沟风随路堑深度而变，一般路堑愈深拉沟风愈大。这就是主风向与路斜交，路堑使用效果好的原因。如民丰安迪尔河桥头，设有最大深度达10 m左右的深路堑，外边坡为1∶1.5～1∶2，长度100 m，深路堑段堑底积沙很少，出入口浅路堑段的背风坡脚有少量积沙，不影响行车。当然这种与风斜交的路堑长度不能过长，以不大于200 m为宜。

图2-44 深路堑流场纵剖面（路面宽6 cm）

图2-45 深路堑表压分布

表2-32 外边坡为1∶3路堑的各测点风速

（续表）

表2-33 路堑贴地层（28 mm）风速减弱率

浅路堑若其距离较长，路堑内积沙必不可免，为了防止和减轻其积沙危害，保证正常通车，要设敞开式的路堑横断面（图2-46）。边坡采用1∶6～1∶10，将变坡点修成圆弧形；土壤不稳定者，应予以加固。

图2-46 敞开式路堑横断面

敞开式路堑断面较好地克服了路堑因气流分离而产生的涡旋阻力；并且使堑内具有良好的气流环流条件，因而表现出风沙流结构特征（λ）均大于1（只有坡脚处接近于1），表明整个路堑断面处于沙的非堆积搬运状态（表2-34）。

表2-34 敞开式路堑断面与一般断面上层气流含沙量（Q）及风沙流结构特征值（λ）的对比

（续表）

据内蒙古伊乌公路昌汉琸道班附近一段敞开式路段（边坡1∶8）的实地调查，除坡脚处和个别施工质量不佳的坡面略有积沙外，整个路基无积沙现象，较好地解决了一般路堑断面容易积沙的问题。

（2）流动沙漠地区。风沙运动频繁而强劲，一般要少设路堑，若不能及时予以防护，浅路堑将很快恢复原状，深路堑主风上风侧的外边坡顶部衍生出多个小新月形沙丘或沙丘链，随着时间的推进逐渐向堑内移来；其迎风侧的外边坡则被风蚀变形，坑凹遍坡。

当不得已设置路堑时，应加强防护宽度和栅栏数量，短期内使用效果显著，在大风天观察，防沙体系布设齐全的路段风沙薄少，空气清新，能见度长远，但在防沙体系外，则风沙弥漫，空气污浊，能见度短近，反映在公路上，无积沙现象。如塔克拉玛干沙漠的塔中—且末沙漠公路，由于公路沿线风沙地貌地形特别高大、复杂，因此所设挖方路堑较多，在117.39 km长路段中共有3～6 m深度的路堑38段，单个路堑长度80～200 m合计总长5 010 m；有7～10 m深度的路堑16段，单个长度80～160 m合计总长2 020 m。建成后经多次强风暴袭击，其防沙构造基本完好，防沙成效十分显著。其主要原因在于：防沙工程及时，防沙工程的固沙、阻沙、输沙综合措施完整配套；防沙工程规模和结构切合实际，在上风侧采用芦苇方格加固宽度70～110 m，在固沙带外20 m和40 m设芦苇立式栅栏（地面以上高度130 cm）各一道；在下风侧设芦苇方格固沙带30～50 m，并在其外20 m设芦苇立式阻沙栅栏一道。在输沙方面设缓于1∶3的外边坡和光平的沥青路面，形成了综合防沙体系，非常有利。

上述情况说明，一般路堑以及很深的路堑只要防护到位，短期内仍可取得好的使用效果。但从经济观点分析，深挖方尤其是8 m以上深度的挖方路堑尽量少设或不设，因为其土方量及防护量要增大许多。

综合风洞试验、效应观测和以往设计经验分析以及前面工程经济分析，综合提出沙漠公路路堑边坡坡度推荐值，见表2-35。当主风向特别明显且风向和路线夹角小于30°时，边坡可以考虑适当变陡。路堑深度以浅于2 m为宜，深于2 m的路堑在放缓边坡的同时应加强防护措施。

表2-35 沙漠公路路堑边坡坡度推荐值