风积沙路基公路设计施工及防沙综合分析

路基合理的填土高度是沙漠地区避免、减轻公路病害，保证路基稳定性及经济合理性的一个重要因素。前文分析了风速、路线走向与风向夹角、防护、沙丘类型等因素对路面沙埋的影响，并根据调查分析统计出沙区路基填土高度；通过现场观测，从风沙流影响因素入手，提出适应风沙流的路基填土高度。本节考虑路基稳定性、经济性对路基填土高度的影响，并根据分析及工程经验统计出沙区路基填土高度。这些为最终路基合理高度的提出奠定了基础。不难理解，既然风速等因素影响路面沙埋，那么，减轻或避免公路病害必然要考虑解决这几个方面的问题，而合理的路基填土高度也应该考虑减轻或避免公路病害。这就是说，路基合理填土高度也要解决风速、防护、沙丘类型这几个因素的影响。各地自然条件不同，沙丘类型、防护等不尽相同，它们对路基填土高度的要求也不尽相同，不难理解自然条件好的地方，其沙害程度较轻，如固定、半固定沙丘区，在同一等级公路上，路基高度可适当降低，因此路基填土高度应考虑这些因素，以尽可能地减小公路病害的程度。合理的路基填土高度不仅应该能减轻或避免公路病害，同时也应该满足稳定性的要求，尤其在沙区资源相对贫乏、经济较为落后的情况下，其经济性也颇为重要。前文路基稳定性分析及经济性分析为路基填土高度的提出提供了另一种形式的支持，而且这些分析结合了调查结果，它们为路基合理高度的提出做了良好的铺垫。因此，可以说调查结果分析为路基合理高度的可靠性、严密、准确性提供了保证。以下将通过分析及统计结果给出风沙地区不同沙丘类型下不同等级公路路基的合理高度。

3.2.6.1 路基过高或过低对公路的影响

路基填土高度的取值不当会造成一定负面影响，经验证明路基过高或过低都存在弊端，都不利于公路的使用及防治病害。

1）路基过高对公路的影响

（1）路基过高将增大投资，不具经济性，而且增加土地占用面积，增加安全设施。有关资料表明：当路基高度在3.71 m以下时，工程造价随路基高度基本上呈线性变化；而路基高度大于3.71 m时，工程造价会骤然上升。

（2）路基过高对交通安全不利（后面将从调查资料分析这一因素）；路基过高给强度、稳定性带来不利影响，边坡易受冲刷失稳；路基过高，路基易风蚀，而且路面易产生变形、沉降、裂缝，给日后养护带来困难。

（3）路基过高对周围环境产生不良影响，类似一堵墙，阻隔视线，给沿线居民生活带来不便。

2）路基过低对公路的影响

路基过低易形成驼峰竖曲线，严重影响行车舒适性，并易形成交通事故；路基过低易形成沙埋，尤其在流动沙丘区，过低的路基形成沙埋路面，严重影响交通，甚至阻断交通；路基过低使路基抵抗病害的能力减弱；此外，路基过低，排水不畅，易造成水毁或翻浆，这种情况在2003年4月份调查G109线 东胜附近时曾经遇到。一般认为，沙漠地区公路路基以不低于30 cm为宜。

3）路基合理高度确定的原则

路基作为公路工程的重要组成部分，必须具有一定的较为合适的填筑高度，才能减少病害，减弱因病害造成的对强度和稳定性的影响，这样对于延长公路寿命也是大有裨益的。路基所具有的一定的合适填筑高度被称为路基的合理高度。路基合理高度的确定要遵循如下原则：

（1）综合考虑不同地区的气候特性、水文地质、土壤土质等特性，对区域土质进行分类，充分考虑路基在强度方面的要求；

（2）保证路基最小填土高度，满足温度、盐分等方面的要求，提高路基稳定性；

（3）考虑输沙这一重要因素，避免、减轻风蚀、沙埋等病害对路基和路面的影响；

（4）根据公路等级、原路基、路面结构形式，结合当地情况、老路状况、病害原因等进行综合分析，充分利用旧路，降低造价，减小工程量。

3.2.6.2 路基合理填土高度的确定方法

根据路基的分类，分别找出其主要影响因素，然后确定其强度、稳定性和输沙这一功能方面要求的最小高度，并考虑经济性的要求，综合各种因素所得到的高度即可作为路基合理填土高度。调查中发现，在裸露（或植被稀疏）平坦的流动沙地及沙滩，路基高度不宜较高，应以低填为主。在S217一些路段，两侧植被稀疏，风沙流活动频繁，路基高度一般在1.0 m以上。这些路段尽管路面没有沙埋，但背风坡几乎都有不同程度的积沙。可见在平坦的流动沙地设计高路堤反而易造成沙害，特别是当反向风交替作用的情况更是如此。这是因为路基较高时，其背风坡气流分离尺度大，涡流减速强，引起沙子在背风坡的大量堆积。当出现反向风时，原有风向背风坡的积沙就成了“额外的补充沙源”，增加气流中沙子的负荷，使通过路面的风沙流处于过饱和状态，从而导致路面的积沙。因此，这些路段出现路面沙埋的可能性依然存在，而且很大。根据这些情况，建议这种地区路基高度取80 cm以下。边坡采用应较缓以1∶3为宜，边坡应设计成圆弧状流线型，保证风沙流顺利过路。在固定、半固定沙丘等丘间低地，不宜设零断面，宜设高度为40～60 cm的低路基。S217吉巴线某段为白刺沙包，沙丘高度多在1.5 m以下，该段路基高度在0.8～1.2 m范围内，调查显示该段路状态良好，除极少部分路段边坡有轻微积沙外，几乎没有什么其他病害。而在乌海—吉兰泰某段，该段路基填土高度在2.2 m左右，路基宽12.0 m，路面9.0 m，该路段有一处整个路面积沙，积沙长度达40 m之多，厚度约7.0 cm，沙埋相当严重，已影响行车（图3-11）。

图3-11 整个路面沙埋

在流动沙丘地段，风沙活动频繁，自然条件较差，路基高度应相应提高，否则容易造成沙埋路面，甚至沙丘上路，尤其在流动沙丘地段路基高度应在2.0 m左右。锡林郭勒盟交通科学研究所2002年5月调查303国道的资料显示，303国道的沙丘平均高度10.8 m，采用路基高度一般在2.0～2.5 m之间，至今该路段路面未出现沙阻、沙埋等病害，而且路基稳定性良好。

下面将综合考虑调查分析、风沙试验、经济性分析、路基稳定性分析中所提出的路基填土高度值，综合考虑各地水文地质、沙丘类型和自然条件及路基强度、稳定性、经济性等众多因素，提出不同沙丘类型下不同等级公路路基填土高度推荐值，以便为沙区路基设计提供参考。

1）路基沙埋调查分析所提出的路基填土高度

依据调查结果及其分析统计出路基填土高度，这一高度的提出主要依照调查结果，而调查主要从避免路面沙埋这一因素着手，因而所提出路基填土高度应能避免并至少能减轻公路沙埋这一主要沙漠公路病害。调查是统计路基合理填土高度中的一个重要环节，调查结果是沙漠公路现状的真实反映，沙漠公路的病害情况能通过调查结果较直观地反映出来，因此，依照调查所得出的结果也应该能解决沙漠公路中的一些问题。在调查分析中，根据G109、G210、S306、S307、S217及穿沙公路等十余条线路近百段路段的调查情况列出“路基高度与沙埋现象表”。表中涵盖“路段、沙丘类型、沙埋情况及路基高度”等几项。根据“路基高度与沙埋现象表”所提供的结果做出“路基高度与路段沙埋百分率关系曲线”，从曲线中可以看出大概分为这样几部分：路基高度在0～30 cm之间，路段被埋百分率高达100%。各种沙丘类型下路基高度的被埋概率，可以看出：对于固定沙丘地区，小于25 cm和大于180 cm的高度的被埋几乎为100%；在25～180 cm之间的百分率较小；在30～120 cm之间百分率最小。由于固定沙丘地区植被丰富，沙源少，公路积沙危害不大，路基高度可选在30～120 cm之间；对于半固定沙丘地区，在40～240 cm之间沙埋的百分率较小。由于半固定沙丘地区沙源比流动沙丘少，路基高度可选在50～200 cm之间；对于流动沙丘地区，在40～90 cm之间沙埋的百分率为75%；在140～180 cm之间的被埋百分率为50%左右。由于流动沙丘地区沙源丰富，因此路基高度选在140～200 cm之间较合适。

这样，根据调查结果所做出的“路基高度与路段沙埋百分率关系曲线”和各种沙丘类型下路基高度的被埋概率，以及一些工程的实践，提出了不同沙丘类型下各级公路路基统计高度推荐值，见表3-7。

表3-7 不同沙丘类型下各级公路路基统计高度推荐值（cm）

2）路基稳定性分析所提出的路基填土高度

通过路基稳定性分析探求路基填土高度是一道必不可少的程序，无论什么样的路基首先它必须保证其强度和稳定性满足要求，这是保证道路通行的关键。在路基稳定性分析中，首先了解了沙漠路基土的物理、力学性质，其情况大致如下：

路基土是沙漠上经过处理后的产物。沙漠土松散无黏性，具有明显的非塑性性质。多数情况下沙漠土的塑性指数几乎为零。由于它的非塑性，使得它成形较为困难，只有在一些特定的压实机械作用下才能达到较好的压实度。压实后沙土的最大密度可达1.8～2.1 g／cm3，容量18～21 g／cm3，为天然状态下的1.2～1.4倍，沙漠地区土的内摩擦角在35.0°～39.5°之间，另外，沙漠土的黏聚力十分小，边性稳定性验算时常忽略不计。

在了解沙漠土的基础上，进行了路基稳定性验算。验算结果表明：沙漠地区路基边坡坡度在缓于1∶1.5（约33°41′）时，路基边坡稳定性良好。且由于沙漠上的黏聚力较小，忽略黏聚力时，路基边坡稳定性受路基高度影响较小，但结合调查结果，建议不同路基高度下边坡坡度采用如下：

（1）路基高度在1.5 m以内，路基边坡坡度应缓于1∶3.0。这种路基多出现在固定、半固定沙丘区，若在流动沙丘区路基边坡坡度要适当放缓。

（2）当路基高度大于2.5 m时，边坡坡度应控制在20°～40°，以1∶1.5～1∶2.0（26°34′～33°41′）为宜，且建议边坡坡面设成流线型。对于水文地质不良地区，路基最小填土高度可参照公式：

H＝h 1＋h 2＋h 3＋h

其他不良水文路段，结合调查结果，发现路基高度在1.0 m以上的路段，未出现稳定性破坏这类病害。据相关资料，内蒙古许多地区毛细水上升高度为0.3～0.6 m。

3）路基经济性分析结果

沙漠地区干旱少雨，自然条件恶劣，生态环境较差。而且沙漠多分布在西部省区，经济相对落后，因而在那里经济性相对十分重要。而路基高度对于土方量影响巨大，土方量直接决定工程造价，因此路基高度对于公路工程造价有很大影响，表3-8是沙漠地区二级公路因路基高度提高引起工程量及工程造价增加的情况，由此，路基高度对路基经济性的影响可见一斑。度、沙丘距离、风速＞8 m／s日数、流动程度、沙丘类型、自然地理带、主风向与路线走向的夹角、沙丘高度、沙丘密度及防护措施；②与积沙程度呈正相关的因素是低于100 cm的路基高度（0.0～50 cm、50～100 cm）、沙丘距离（≤10 m）、＞8 m／s日数（≤30 d、30～60 d）流动程度（流动）、沙丘走向（横向）、自然地理地带（荒漠区）、主风向与路的夹角（30°～60°），沙丘高度（≤3 m）、＞8 m／s日数（＞60 d）。防护措施从相关分析结果来看，可以看出路基高度在10个因素中对沙埋程的影响最大，0～100 m呈正影响，路基在100～200 m、200～300 m、＞300 m呈负影响，根据风沙试验结果建议一般通过风沙区的合理路基高为0～2 m。再进一步根据沙源的不同，可继续划分：流动沙丘区的合理路基高度为1.0～2.0 m；半固定沙丘区由于沙源比流动沙丘区相对较少，建议合理路基高度取0.5～1 m；固定沙丘区由于植被丰富，沙源少，对公路积沙的危害较小，建议合理路基高度取0～0.5 m。

表3-8 路基每提高0.5 m，每公里工程和造价增加情况

3.2.6.3 路基合理高度推荐值

沙漠路基合理填土高度确定，不能单纯地考虑一方面的因素，必须综合考虑多种因素。要综合考虑不同地区气候特性、水文地质条件、有无防护措施及防护形式；综合考虑各种不同沙丘类型下各级公路情况，要保证路基最小填土高度，满足路基稳定性的要求；要充分考虑经济性要求，避免、减轻风蚀、沙埋等病害对公路的影响。沙漠路基合理填土高度将主要以调查所提供路基高度为主要参考对象。因为调查结果是沙漠公路状况的真实反映，沙漠公路中的病害，像风蚀、沙埋、路基稳定性破坏等情况及路基稳定性良好的一方面都会通过调查表现出来，通过调查所总结出来的路基高度不能有效地控制病害。在交通事故分析中，基于避免或减少交通事故这一角度，路基高度宜保持在1.0 m以内。这一高度基本能保证行车安全，但同时也要保证公路受病害的影响较小，因为在自然条件恶劣的沙区，较低的路基很难避免沙埋，为减轻病害影响，不宜采用较低的路基。在路基稳定性分析中，给出与路基高度相对应的路基边坡坡度，合适的路基高度必须有与之相对应的边坡坡度，这样才能保证风沙顺利通过路面。但由于边坡稳定性验算中忽略了路基土黏聚力，仅从验算公式上来看，路基高度对边坡稳定性没有影响，分析中所提供的路基高度也是参考调查结果及工程经验所得出的。在水文地质不良地区，可根据具体情况处理，主要是考虑避免毛细水作用的影响。风沙试验所提供的路基填土高度也极具参考性。合理的路基填土高度加之适宜的边坡坡度及坡面形式，能有效地保证风沙流顺利过路，避免风沙流遇阻灌路面造成路面沙埋，这种填土高度应与调查分析所提供的填土高度有机地结合起来，当然经济性分析、路基稳定性分析所提供的路基填土高度也应引起注意，比如在水文地质不良地区，应满足路基最小填土高度的要求，这是路基强度、稳定性要求得到满足的基本保证。

1）权重分析

讨论完各个因素对路基填土高度的影响，以下将从另一种形式探讨如何将以上因素有机地结合起来，从而得出沙区路基填土高度的推荐值。列出各种沙丘类型，不同公路等级相同路基高度下调查结果、风沙流试验、路基稳定性分析及其他因素所占权重，并按此权重乘以各自路基高度，提出沙区路基填土高度的推荐值。这样能兼顾多方面使每个因素都能够被充分地考虑其中。

（1）固定沙丘。

①高速、一级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝3／（3＋2）＝0.6

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝2／（3＋2）＝0.4

路基高度：下限：40×0.6＋0×0.4＝24 cm

上限：80×0.6＋50×0.4＝68 cm

路基填土高度取值：30～70 cm

②二级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝7／（7＋4）＝0.636

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝4／（7＋4）＝0.364路基高度：下限：40×0.636＋0＝25.44 cm

上限：80×0.636＋50×0.364＝69.06 cm

路基填土高度取值：30～70 cm

③三级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝10／（10＋3）＝0.769

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（10＋3）＝0.231路基高度：下限：40×0.769＋0×0.231＝30.76 cm

上限：60×0.769＋50×0.231＝57.69 cm

路基填土高度取值：30～60 cm

④四级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝7／（7＋3）＝0.7

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（7＋3）＝0.3

路基高度：下限：40×0.7＝28 cm

上限：60×0.7＋50×0.3＝57 cm

路基填土高度取值：30～60 cm

（2）半固定沙丘。

①高速、一级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝5／（5＋2）＝0.714

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝2／（5＋2）＝0.286路基高度：下限：80×0.714＋50×0.286＝71.42 cm

上限：160×0.714＋100×0.286＝142.84 cm

路基填土高度取值：71.4～142.8 cm

②二级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝4／（4＋4）＝0.5

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝4／（4＋4）＝0.5

路基高度：下限：80×0.5＋50×0.5＝65 cm

上限：160×0.5＋100×0.5＝130 cm

路基填土高度取值：65～130 cm

③三级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝21／（21＋3）＝0.875

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（21＋3）＝0.125路基高度：下限：80×0.875＋50×0.125＝76.25 cm

上限：120×0.875＋100×0.125＝117.5 cm

路基填土高度取值：76.25～120 cm

④四级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝3／（3＋3）＝0.5

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（3＋3）＝0.5

路基高度：下限：80×0.5＋50×0.5＝65 cm

上限：120×0.5＋100×0.5＝110 cm

路基填土高度取值：65～110 cm

（3）流动沙丘。

①高速、一级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝1／（1＋2）＝0.333

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝2／（1＋2）＝0.667

路基高度：下限：160×0.333＋100×0.667＝119.98 cm

上限：220×0.333＋200×0.667＝206.7 cm

路基填土高度取值：120～207 cm

②二级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝14／（14＋4）＝0.778

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝4／（14＋4）＝0.222

路基高度：下限：150×0.778＋100×0.222＝138.9 cm

上限：200×0.778＋200×0.222＝200 cm

路基填土高度取值：139～200 cm

③三级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝10／（10＋3）＝0.769

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（10＋3）＝0.231

路基高度：下限：150×0.769＋100×0.231＝138.45 cm

上限：180×0.769＋200×0.231＝184.62 cm

路基填土高度取值：138～185 cm

④四级公路：

调查结果所占权重＝调查的路段数／总路段数＝12／（12＋3）＝0.8

风沙试验所占权重＝风沙试验的路段数／总路段数＝3／（12＋3）＝0.2

路基高度：下限：140×0.8＋100×0.2＝132 cm

上限：180×0.8＋200×0.2＝184 cm

路基填土高度取值：132～184 cm

权重分析结果见表3-9。

表3-9 权重分析结果（cm）

2）路基合理填土高度推荐值

权重分析中，将调查所推荐的结果、风沙流场及交通事故分析所得的结果进行了加权分析计算，没有计入经济分析的因素，考虑到高等级公路与一般公路对功能的要求不同，因此，结合经济条件给出其合理高度的推荐值。

从调查结果来看，高速、一级公路平纵面要求高，路基填土高度的选择应主要考虑公路使用要求、平纵面指标及通道设置等；沙丘起伏大的地区、城镇较多的地区，路基填土高度也相应较高；而地势较平坦的地区路基填土高度也相应低一些。同时，在高速、一级公路上路基高度也应考虑风沙流特征，避免、减轻公路病害；从调查的二级及二级以下沙漠公路，路基填土高度一般相对高速、一级公路有所降低，填土高度大多在2.0 m以下，这种路基高度更重要的是考虑风沙流特征，顺应地势，而且低等级公路更注重经济性要求，因此，所采用的路基填土高度一般会有所降低。以干旱荒漠区S307尚德—孟根、S217巴彦浩特—达来呼布、巴彦浩特—吉兰泰三级公路为例，沙漠路基高度大多在1.2 m之下，边坡坡度1∶3.0，路线基本顺应地势，从调查的情况来看，公路病害较轻，尤其是S217。这就是说，低等级公路路基设计中路基填土高度的选择应遵循适应风沙流特征，同时应考虑经济性的要求。

风沙流场的试验以及概率统计分析的结论认为，路基高度在30～200 cm之间，沙埋概率较小；交通事故分析认为在100 cm左右。因此，可认为在30～200 cm之间沙漠地区的公路路基高度较为合适。但是，由于沙丘类型的不同，防护情况的差异，不同公路等级的不同功能要求、经济性等情况，提出表3-10的合理高度推荐值。

权重结果分析上、下限范围是沙埋概率较小的数值范围，但是根据公路等级的要求、经济性等情况，其高度应根据沙丘距路距离、沙丘流动程度、沙源丰富程度等进行考虑。在沙丘距路距离近、沙丘流动性强的地区，路基高度应适当提高。在沙源不是很丰富、以风沙流为主要沙害形式的地区，以低填为宜。

表3-10 路基合理填土高度推荐值（m）