风积沙路基公路设计与施工，防沙措施及破损形式

5.1.2.1 高立式机械沙障的作用与破损形式

1）高立式机械沙障的作用

2.0 m和1.5 m两种高立式沙柳沙障风速的观测值见表5-3和图5-1。从中可以看出，高立式沙柳沙障对不同高度处的风速影响很大，在障后0.6 m处，2 m高度处50次瞬时风速的平均值比旷野风速增大1 m／s，而障前0.3 m的风速仅比旷野风速减小0.1 m／s，这说明沙柳沙障对2 m高度的风速影响并不明显；而在1 m以下，特别是0.5 m处，高立式沙柳沙障对风速的削弱甚为显著，障后0.6 m和障前0.3 m处的风速依次比旷野降低43%、57%。到障后8～10H（H为沙障高度）处，风力基本可以恢复到旷野风速。

表5-3 沙柳沙障对瞬时风速的影响

图5-1 高立式沙柳沙障不同测点风速示意图

库布齐沙漠穿沙公路各观测点粗糙度观测计算（从50次瞬时风速值中随机抽样）结果（表5-4）表明，沙柳沙障的粗糙度是流沙的几十到几百倍。影响粗糙度的因素主要是障高和障间距。以库布齐沙漠穿沙公路K69＋400西侧的高立式沙障为例，两列高立式沙柳沙障中（障间距为6h）第一列障后0.6 m和第二列障前0.3 m处的粗糙度分别为裸露流沙（下覆沙柳沙障的残体）的12.7倍和19.8倍，这是由于在第一列高立式沙柳沙障的防护下，下层气流不能很快恢复到旷野风速，从而使粗糙度的增加更为显著，如图5-2所示。因此，在设置高立式沙柳沙障时，应考虑沙障的合理间距，半荒漠地区设置高立式沙柳沙障时，建议沙障的间距以8～10倍障高为宜。对于多列组合的高立式沙障来说，从第二列沙障开始，障间距可以逐步放大。

表5-4 不同规格高立式沙障的粗糙度（据瞬时风速计算）

据有关资料报道，高立式沙障的阻沙量（V）与障高（H）、主风向与沙障走向之间的夹角（α）之间有下列关系（吴正，1987）：

V＝4.5H 2 sinα（5-2）

高立式沙障的阻沙量（Q d）与其透风系数P之间也存在着如下关系（中国石油天然气总公司塔里木石油勘探开发指挥部）：

Q d＝1.75－24.96P＋110.42P 2－116.22P 3（5-3）

图5-2 高立式沙柳沙障各点粗糙度变化

高立式沙障的阻沙量还与其走向有关，当沙障的走向与主风向垂直时阻沙量最大。所以一般要求沙障的走向尽量与主风向垂直或大角度相交。

对库布齐沙漠穿沙公路两侧高立式沙柳沙障的观测表明，在上风向沙源不足的情况下，沙障的基部容易产生风蚀，对于两列平行排列的高立式沙障来说，如果第一列沙障的透风系数很小，第二列沙障也容易产生风蚀。也就是说，沙障的透风系数不但影响到其积沙量，还影响到其蚀倒率，这是一个需要认真研究的问题。综合考虑各种因素，认为不论是新设沙障还是修复沙障，都宜选择疏透度为30%～40%的透风结构为好。

为了研究多列式沙障的阻沙和积沙作用，对库布齐沙漠穿沙公路K88＋400路西的多列式沙障进行了观测，在观测风速的同时，用积沙仪同步观测单列式和多列式沙障的输沙量，每6 min采样一次，共测三次，结果如表5-5和图5-3所示。

表5-5 多列式高立式沙柳沙障的输沙量及积沙量变化［g／（cm·min）］

图5-3 多列式高立式沙柳沙障的输沙量及积沙量变化

结果表明，积沙的位置从障前0.6 m处开始，到障后6 m处结束，有效积沙范围相当于障高的3.0～4.0倍。从输沙量看，第一列沙障后0.6 m处的输沙量约为障前6 m处的34.3%，第二列沙障后6 m处的输沙量为障前0.3 m处的81.2%，而第二列沙障后6 m处的输沙量仅为第一列沙障前6 m处的7.9%；从积沙情况看，第一列沙障前后积沙38.748 g／（cm·min），第二列沙障前后积沙0.81 g／（cm·min），两列沙障范围内积沙54.397 g／（cm·min）。这说明高立式沙柳沙障阻沙效果明显，两列高立式沙柳沙障基本拦截了风沙流中的全部沙子，多列式的机械沙障效果优于单列。所以，阻沙带最好由两列沙障组成，同时，如无特殊要求，阻沙带有两列沙障也就可以了，设立太多可能造成浪费。

2）高立式机械沙障的破损形式和原因

据对库布齐沙漠穿沙公路沙柳沙障的调查，高立式机械沙障的破损形式与其所处的地貌部位有关。高大沙丘区主要是沙埋，其次是风蚀倒伏；河谷低地、丘间低地、缓起伏沙丘区首先是材料腐烂，其次是风蚀倒伏（表5-6）。

表5-6 库布齐沙漠穿沙公路高立式沙障破损形式调查（路西侧）

注：防沙体系1998年建设，2002年10月调查。

塔里木石油指挥部在塔克拉玛干沙漠公路的调查也得出同样的结论，各种类型的阻沙栅栏都是以沙埋为主要的破损形式。如K0～K2路段1991年9月建设的阻沙栅栏，到1994年4月，疏透型芦苇倒伏率20.93%，埋没率32.87%；紧密型苇把倒伏率4.51%，埋没率38.58%；国产尼龙网埋没率70%。1992年施工的K2～K32路段总长25 550 m，1994年4月公路两侧阻沙栅栏沙埋的占20.93%，倒伏的占3.32%。K127～142路段，1993年秋季施工，1994年4月调查，路东沙埋的占9.17%，路西为0.25%；倒伏率路东为0.25%，路西为0.29%。所以，高立式机械沙障维护的首要任务是防止沙埋。

5.1.2.2 半隐蔽式沙障的作用与破损形式

1）半隐蔽式沙障的作用

中国科学院兰州沙漠研究所对沙坡头地区麦草方格沙障的实测结果表明，沙障区2 m高度处的风速比流沙上降低10%，50 cm高度处的风速比流沙上降低30%～40%，粗糙度提高400～600倍，风沙活动量仅为流沙表面的0.964%，草方格沙障的固沙效果是极其明显的。

麦草方格沙障和芦苇沙障防风阻沙效益的研究已有大量成果，所以主要研究了沙柳沙障和沙蒿沙障的防风阻沙效益。对伊金霍洛旗巴图塔沙柳基地新设沙柳沙障的观测结果显示：2.5 m×5 m的沙柳沙障在8.17 m／s风速条件下，地表粗糙度为1.30 cm，流沙表面为0.005 cm，提高了1.295 cm，是流沙区的260倍。近地表10 cm处降低风速百分比为65.84%，比流沙区高出30.58%。输沙率为0.24 g／（cm2·min），比流沙表面6.258 g／（cm2·min）的输沙率减少96.16%，在9.85 m／s风速条件下，2 m×2 m规格的沙柳沙障区地表粗糙度为2.23 cm，比流沙表面提高了2.225 cm，是流沙区的446倍。近地表10 cm处降低风速百分比为67.5%，比流沙区高出32.27%，其输沙率为0.55 g／（cm2·min），比流沙表面6.258 g／（cm2·min）输沙量减少91.2%。在8.31 m／s风速条件下，2 m×2 m规格的沙蒿沙障区地表粗糙度为1.74 cm，比流沙表面提高1.735 cm，是流沙区的348倍。近地表10 cm处降低风速百分比为55.31%，比流沙区高出20.08%，输沙率为0.360 g／（cm·min），比流沙表面6.258 g／（cm·min）的输沙量减少94.25%。在未设沙障的流沙区，起动风速为4.8～4.9 m／s，设沙障后起动风速明显提高。其中2.5 m×5 m规格的沙柳沙障区提高1.6 m／s，2 m×2 m的沙柳沙障区提高2.1 m／s。2.0 m×2.0 m沙蒿沙障区提高1.9 m／s，即分别提高了33%、43.2%和39.2%。总的来看，测试区流动沙丘上设沙障后，地表粗糙度提高260～446倍，近地表10 cm处风速降低值比流沙上高出20.08%～32.2%，起沙风速提高了33%～43.3%，输沙量减少了91.2%～96.16%。再从定位观测结果看，在2002年3月21—30日的10天内，设2.5 m×5 m规格沙柳沙障的沙丘迎风坡平均风蚀深度为0.186 0 cm／d，未设沙障的沙丘迎风坡风蚀深度为0.512 5 cm／d，设沙障后丘间低地风蚀深度为0.105 1 cm／d，未设沙障区为0.216 5 cm／d；即设沙障后沙丘迎风坡风蚀强度减少63.7%，丘间低地风蚀强度减少51.5%。这些数据都说明沙障的防风固沙作用是显著的。

与中国科学院兰州沙漠研究所、中国石油天然气总公司、中国科学院新疆生态与地理研究所等单位的研究结果一样，沙柳沙障的防风阻沙效益与其规格、出露高度、材料的用量（决定沙障的密实程度）等因素有关。王振亭、郑晓静等（2002年）还利用流体力学的方法，专门研究了草头出露高度与沙障规格之间的关系，给出了芦苇、麦草沙障规格的参考尺寸，这些研究成果对于公路沙害防护体系的维护是有指导意义的。

防沙体系的维护少不了需要新设沙障。但是，新沙障毕竟不是建立在流动沙丘上，而是建立在已经残破的防沙体系上。虽然有些防沙体系已经严重破损，但残留的碎枝烂草是否就一点作用也没有了，还有就是设过沙障的地方或多或少总会有一些植物出现，这些植物到底有多大的作用，修复防护体系时有没有利用价值，修复的沙障是否应该与流动沙丘区新设的沙障执行同样的标准？这些都是需要回答的问题。

基于以上考虑，又在库布齐沙漠穿沙公路K90路段已经严重沙埋的麦草沙障区新设了200余亩（1亩＝666.67 m2）的沙柳沙障，并对新设沙障的地表粗糙度进行了观测，结果见表5-7。

表5-7 半隐蔽式沙柳沙障的地表粗糙度z0

表5-7的结果除了说明沙障具有削弱近地表风速、提高地表粗糙度的作用以外，有两点值得注意：一是流沙区地表粗糙度比其他地区的值要大，二是2 m×4 m沙障的地表粗糙度比2 m×2 m的还大。据中国科学院兰州沙漠研究所、新疆生态与地理研究所等单位在塔克拉玛干沙漠的观测，流动沙丘上的地表粗糙度最大值为0.003 3 cm，最小为0.000 8 cm，平均为0.001 2 cm。在乌兰布和沙漠、腾格里沙漠、毛乌素沙地观测的结果也是这样，112个粗糙度的平均值为0.004 6。而在表5-7中，流沙上的地表粗糙度最小为0.11 cm，最大达到0.72 cm，相当于植被盖度15%～20%地区的地表粗糙度。究其原因，发现主要与破损沙障未全部分解的残留物有关。由于观测工作是在残破的防护体系内进行的，看起来是流沙覆盖的地方，几年前都设过沙障，只是现在已被流沙埋压，残留的麦草稀疏出露。扒开表面的流沙，就可以见到底下麦草沙障的残体。这也启发：①残留沙障仍然具有固沙作用；②如果残留沙障在某一地块是连续的，它们就会构成一个风蚀基面，风沙活动只能在此基面之上进行。也就是说，风力侵蚀的深度是有限的，防沙体系内风蚀深度不会超过风蚀基面，风沙流中的含沙量也不容易达到饱和。根据以上推论认为，对这种类型防沙体系的维护可以简单一些。如果迅速修复阻沙带的高立式沙障，确实切断沙源，保证固沙带沙层厚度不再增加，即使固沙带内出现一些风沙活动，也不会对公路形成危害，而这样做就会大大节约防沙体系修复的费用，特别强调保持残留防沙体系的剩余价值就是这个原因。当然，这个结论还需要经过实践的检验。已经在库布齐沙漠穿沙公路K87＋800处布置了10 000 m2的观测场分析，沙子确实只在防沙体系内移动。但因为这几个月刮的主要是东南风，对公路没有产生影响，所以还不能形成最后的结论。

关于沙障的规格与粗糙度问题，理论上2 m×2 m沙柳沙障的粗糙度z 0值应该比2 m×4 m大，但在库布齐穿沙公路所得的几组结果与此不符，即2 m×4 m的沙障粗糙度比2 m×2 m的还大。这是因为所观测的沙柳沙障中有20～40 cm高的杨柴、籽蒿，覆盖度约为18%的植被。这也恰恰说明，即使是设立了沙障，也不要忽视植被的作用，采取一切措施促进植被的恢复是非常重要的，同时，这也提醒，在植被盖度达到15%的地区补设沙障时，规格可以适当放大。

2）半隐蔽式沙障的破损形式和原因

半隐蔽式沙障的破损形式比高立式沙障的破损形式复杂（表5-8、表5-9）。总的来看，腐烂的沙障主要出现于缓起伏沙丘上和高大沙丘的中下部，风蚀倒伏主要出现在迎风坡中上部到丘顶，沙埋主要出现在背风坡。

注：防沙体系1998年建设，2002年10月调查。

表5-8 库布齐沙漠穿沙公路沙柳方格沙障破损形式调查（路西侧）（%）

表5-9 麦草沙障的破损形式

从以上调查结果看，半隐蔽式沙障的破损形式既与使用的年限有关，又与所处的地貌部位有关。在同等条件下，沙柳沙障要比麦草沙障耐用。从维护的角度看，麦草沙障重在防腐，沙柳沙障重在防止风蚀沙埋。

5.1.2.3 平铺式柴草沙障的作用

平铺式沙柳沙障的防风固沙效果非常明显。多次观测的平均值显示，2 m和0.5 m高度处风速比旷野风速减小了46.2%和62.5%。再从100次瞬时风速实测值中选出风速为4.3 m／s、5.3 m／s、7.9 m／s、9.6 m／s和11.4 m／s的5组风速值计算其粗糙度，结果显示（图5-4），在几种类型的沙障中，以平铺式沙柳沙障的z 0值最大。平铺式沙柳沙障的高度只有10～12 cm，格状沙障的高度都在20 cm以上，按理说其粗糙度值应该低于格状沙障，但当地的格状沙障都是用沙柳条设置的，密度小，透风系数大，所以粗糙度比捆绑后摆放到沙面上的平铺式沙障小。

图5-4 不同点粗糙度变化示意图

从表5-10可知，低立式、平铺式沙柳沙障带内3点、4点，分别比流沙上的输沙量大大减少，仅为流沙上的29.5%和4.17%。

表5-10 平铺式沙柳沙障输沙量实测结果

从沙障设置的工程量来看，平铺沙沙柳沙障具有施工速度快、省时省工的优点，其对材料的需求量较直埋式草方格大，在半干旱区，平铺式草方格因大面积接触沙面易腐烂。在新疆地区，对把式芦苇草方格进行了较多试验，整体看来使用效果较好，主要表现为把式草方格可用的材料多元化，具有施工速度快和使用寿命长、易于养护等优点。不同地域和沙害条件下对防护体系的选择要因地制宜，有的放矢。

5.1.2.4 黏土沙障的作用

2003年4月，在库布齐沙漠穿沙公路K90路东的一座沙丘上修筑了三种规格的黏土沙障。对其抗风蚀沙埋能力及对风速、粗糙度的影响进行了观测（表5-11）。

调查及观测结果反映，1 m×1 m的格状黏土沙障粗糙度为1.766 cm，2 m×2 m的格状黏土沙障粗糙度为0.248 cm，分别是流沙粗糙度的350倍、50倍，而带状沙障的粗糙度仅为0.045 cm，不到流沙粗糙度的10倍，说明带状黏土沙障的防风固沙能力弱，格状黏土沙障的防风固沙能力较强，而且规格越小，防风固沙效果越好。当然，规格越小，建设成本越高。甘肃民勤县、内蒙古磴口县在固沙造林时也设置过黏土沙障并做过观测。综合有关资料，初步认为2 m×2 m规格的黏土沙障是可以使用的。

表5-11 黏土沙障抗风蚀程度对风速、粗糙度影响

注：2003年4月新建，8月调查。

5.1.2.5 其他几种工程措施的防风阻沙作用

为了找到更多的防沙材料，在修复破损沙障时试用了几种新材料，并对它们的效益进行了观测，效果见表5-12。单从防风阻沙效益来看，不论是固化剂封固的沙障还是土工编织袋堆筑的高立式沙障，效果都不亚于草方格沙障。看来，这几种材料的应用是有前途的。