工程防护体系破损及后果：风积沙路基公路设计与施工

任何防护体系都不是一劳永逸的，对于工程防护体系更是这样。工程防护体系多由植物秸秆、高分子化合物、土石材料组成。随着时间的推移，在太阳能、生物能、风能、水能等的作用下，必然出现老化、腐烂、分解等变化，影响到防护体系的功能和作用。更严重的是，位于沙漠中的防护体系不可避免地会受到风蚀、沙埋的影响，进而出现沙障的倒伏和埋没，这就是沙障的破损。沙障破损如不及时修复，就会引起连锁反应，最后造成防护体系的破损甚至崩溃。按理说，防沙体系应该经常维护，出现破损更应该及时修复。但是，由于经费、人员、计划等种种影响，经常维护很难做到，即使对于已经出现破口的防沙体系也很少能够做到及时修复。相关研究一是想搞清防沙体系什么时候需要维护、什么时候必须维护，二是搞清防护体系的破损形式、破损原因和后果，这对于管理部门进行决策和制订科学合理的维护措施具有重要意义。

5.1.3.1 工程防沙体系破损的形式

为了研究工程防沙体系的破损问题，对内蒙古西部地区主要公路的防沙体系进行了全面调查，对库布齐沙漠穿沙公路两侧防护体系进行了重点调查。对调查获取的资料进行分析，得到如下认识：公路两侧工程防沙体系破损形式可分为风蚀、沙埋、材料腐烂以及破口四种。风蚀主要造成沙障倒伏和掏蚀，沙埋使沙障被流沙覆盖，材料腐烂使沙障分解失效，破口出现在化学固沙带上，主要由鼠兔挖洞、人畜践踏引起，其结果是使洞口迅速扩大，形成风蚀坑，坑口出现片状积沙。不论沙障以何种形式破损，一旦出现，破损面积都具有成倍甚至呈几何级数增长的特点，见表5 13。

表5-12 不同工程措施的风速、粗糙度变化情况

表5-13 几种沙障破损增长情况调查

（续表）

5.1.3.2 工程防沙体系破损的特点

（1）体系破损的不等时性。同一时间设置的防沙体系，由于所处的地貌部位、使用的材料不同，几年后的破损程度并非完全相同。如库布齐沙漠穿沙公路K87＋480路西，处于落沙坡中部的高立式沙障，半年后已有75%遭受沙埋，沙丘迎风坡的沙障，三年后完好率仍达80%。K93＋60路西的麦草沙障，1998年建设，2002年秋季调查，丘间低地的已经完全腐烂，沙丘中上部的尚能发挥作用。这些都说明沙障的破损并不是同时发生的。

（2）体系破损的不等量性。工程防护体系破损程度随地形、地貌的变化而变化，呈现不等量性。从沙丘个体来看，迎风坡和丘顶以风蚀破损为主，背风坡以沙埋为主，而材料腐烂先从丘间低地开始，逐步发展到沙丘的各个部位；从整体来看，沙丘高大、密集区，工程防沙体系受风蚀、沙埋破坏最为严重。低矮沙丘区防沙体系受损程度相对较低。对同样的材料、相同使用时间的沙障来说，沙丘顶部、迎风坡中上部风蚀破损严重，背风坡中下部沙埋严重。东部草原地带的沙地上，沙障腐烂速度和程度比西部荒漠半荒漠区严重，西部荒漠半荒漠区风蚀沙埋的速度和程度比东部严重。

（3）体系破损的不等效性。同样破损程度的防护体系，由于所处部位不同，在形成公路沙害过程中的贡献率不同。丘间地的防护体系虽然有破损，但一般不会产生沙害。

（4）体系破损的不均匀性。沙障破损程度与多种因素有关，在其他条件一致的情况下，沙障的规格越大越容易破损，特别是风蚀造成的沙障倒伏表现最为明显。以库布齐沙漠穿沙公路的沙柳方格沙障风蚀破损情况为例（表5-14），小规格沙障内的风蚀程度弱，大规格沙障内的风蚀程度强，2 m×2 m以下规格的沙柳方格沙障的风蚀破损以轻度为主，2 m×2 m以上规格的沙柳方格沙障的风蚀破损以中度、重度、极重度为主；在规格相同的情况下，由于地形、地貌、植被等因素的影响，各个调查点沙柳方格沙障的抗风蚀性能、风蚀破损程度差异较大。

表5-14 沙柳方格沙障风蚀破损率与沙障规格的关系

（5）破损体系效益的残留性。不论防护体系的破损程度多大，但残留的部分仍具有一定的防护功能，即使体系全部被沙埋，其地表粗糙度仍比流沙地的大几十倍甚至几百倍。

破损体系效益的残留性对维护工作具有重要意义。利用好残留效益可以节约维护开支，减轻维护工作量，提高维护工作的效益。同时，防沙体系破损的特点也说明，对防沙体系的维护和修复不可能采取同样的措施，必须根据具体情况具体处理。

5.1.3.3 工程防沙体系破损的后果

公路沙害防护体系就是用来保护公路的，防护体系破损的后果就是路基风蚀或流沙冲上公路，影响行车甚至阻断交通。但是，防护体系的破损有一个过程，破损的程度、形式、部位也不一样，因此，防沙体系破损首先造成防护功能的减弱和效益的下降，功能减弱和效益下降的程度又取决于沙障破损的程度和破损的部位。研究这些问题对于制定维护技术措施有重要意义。

为了研究沙障破损程度与公路沙害之间的关系，在库布齐沙漠穿沙公路、210国道包头—东胜段、208国道锡林郭勒盟段、省道101、陕西榆靖高速公路、内蒙古伊金霍洛旗至陕西榆林的新建公路两侧，对沙障破损情况、破损程度进行了调查，对破损原因进行了分析，用多点遥测风速仪和自制积沙仪对不同破损程度的多种沙障进行了观测，观测内容主要是风速梯度和输沙量。并以地表粗糙度和输沙率为指标，对沙障破损程度与风沙运动强度之间的关系进行了分析研究。结果如下：

1）沙障破损与防风阻沙效益的关系

衡量沙障防风阻沙效益的指标有输沙量和地表粗糙度。因为观测当年大风天太少，几次观测都没有达到起沙风速，故用地表粗糙度来衡量沙障的效益。

沙障破损后，地表粗糙度大大降低（表5-15～表5-20）。但是，表5-15～表5-20的数据同时还说明，即使是严重破损的防沙体系，地表粗糙度仍然是流沙的几十倍至几百倍。如高立式沙障倒伏后又遭到沙埋的地区，地表粗糙度仍然达到0.25，是流沙的83倍；平铺式沙障沙埋75%以后，地表粗糙度仍然达到0.34，是流沙的85倍。就是说，防沙体系即使破损后，仍然具有很强的防风阻沙效益。在库布齐沙漠穿沙公路也多次观测到，很多严重腐烂的麦草沙障，地面上已经见不到麦草的踪迹，但仍然可以见到一列列的沙埂；只要沙埂还在，风蚀作用就不能无限制地向下进行。还有些地方是流沙下面有已经被埋掉的沙障，这些地方即使再出现风蚀，其深度也只能达到原来的沙面高度而不能继续向下进行，也就是说，残留沙障构成了一个风蚀基面，风沙活动只能在基面以上而不能在基面以下进行。沙障的这种效益被称为它的残留效益。沙障的残留效益对于防沙体系的维护和修复有重要意义。

表5-15 高立式（150 cm）带状沙障沙埋后的地表粗糙度（z 0）值

表5-16 半隐蔽式格状沙障（1 m×1 m）沙埋后的地表粗糙度（z0）值

表5-17 半隐蔽式格状沙障（2 m×2 m）沙埋后的地表粗糙度（z0）值

表5-18 半隐蔽式格状沙障（4 m×4 m）沙埋后的地表粗糙度（z0）值

表5-19 平铺式沙柳格状沙障（4 m×4 m）沙埋后的地表粗糙度（z0）值

2）沙障破损与输沙率的关系

相同风速下机械沙障内输沙率比流动沙丘表面明显降低，小规格沙障的输沙率比大规格沙障的要小（表5-21）。随着沙障破损率的增加，输沙率同步增加，但输沙率仍远远小于流动沙丘，因此，破损沙障仍具有阻沙、固沙作用（表21-22）。

表5-21 不同规格沙柳沙障的输沙率（迎风坡中部）

表5-20 高立式带状沙障风蚀倒伏后的地表粗糙度（z0）值

表5-22 不同破损程度沙柳沙障的输沙率

注：1 m×2 m沙柳沙障风速11.2 m／s。

3）防护体系破损与公路沙害的关系

虽然公路沙害防护体系是由两种或两种以上沙障组成的，但其防护效果绝不是几种沙障防护效益的算术和。为了研究防沙体系的整体效益以及体系破损与公路沙害的关系，研究人员于2002年6月在库布齐穿沙公路K65～K88＋300（N40°27′034″，E108°38′56.7″）处设立了六个观测断面，采用标杆法定点观测、对比不同破损程度防沙体系内的风沙活动以及它们对公路沙害的影响。本节主要讨论防沙体系破损对公路沙害的影响，破损体系内部风沙活动状况的讨论放到5.3节进行。

依据2002年10月、2003年4月对观测点每个测杆风蚀沙埋程度的观测资料做出了两个典型断面的沙丘形态变化图。曲线显示，当地沙丘呈往复式运动，但由西北向东南方向移动幅度大于反向移动的幅度，这与库布齐沙漠处于季风地区有关。同时，沙障破损程度不同，沙丘上沙物质的迁移量也不同。在沙障严重破损的情况下（图5-5），6个月后最大风蚀深度0.12 m，最大沙埋程度0.97 m。在沙障保存基本完好的情况下（图5-6），观测范围内各点虽然不同程度地存在风蚀、沙埋，但是沙物质的迁移主要限于体系之内，还没有对公路形成威胁。

图5-5 1号点不同时期沙丘形态变化图（沙障破损率75%）

图5-6 2号点不同时期沙丘形态变化图（沙障基本完好）

5.1.3.4 工程防沙体系破损的鉴别

制定沙障破损鉴别标准，不但有利于公路养护部门指导生产实践，还可以为管理部门决策提供参考依据。

1）风蚀破损鉴别

为了便于施工单位和公路养护部门使用，提出了破损率的概念，并结合地表粗糙度和输沙量观测结果制定一个直观的鉴别标准。其中破损率定义为：在风蚀作用下倒伏、破损沙障与全部沙障面积之比的百分数。工程防护体系风蚀破损程度可划分为以下四级：

（1）轻度破损。破损率为0～25%；高立式沙障出现埋压、倒伏，固沙带内部出现斑块状积沙或≤5%的风蚀破口，地表粗糙度无明显变化。

（2）中度破损。破损率为25%～40%；高立式沙障积沙厚度达到沙障高度的50%，固沙带出现面积10%～20%的风蚀斑块，斑块下风向出现风沙活动，地表粗糙度降低30%～40%。

（3）重度破损。固沙带风蚀斑块的面积达到20%以上，沙埋面积达到30%以上，总破损率为40%～75%，防沙体系内部出现通畅的气流通道和连续的风沙流，路面出现积沙，地表粗糙度降低40%～60%，防护体系修复困难。

（4）极重度破损。麦草沙障基本腐烂，沙柳沙障大部分倒伏，沙障总破损率在75%以上。地表粗糙度降低60%以上，防护体系基本失效，路面多处积沙，沙障修复极其困难。

2）沙埋程度鉴别

主要针对阻沙体系，以沙埋率（沙埋高度与沙障高度之比的百分数）为指标，可将工程防护体系沙埋程度划分为以下四级：

（1）轻度沙埋。积沙厚度≤沙障高度的1／4。

（2）中度沙埋。积沙厚度≤沙障高度的1／2，两列沙障之间出现风蚀现象。

（3）重度沙埋。积沙厚度≤沙障高度的3／4，两列沙障之间出现强烈风蚀，并成为固沙带的新沙源。

（4）极重度沙埋。积沙厚度≥沙障高度的3／4，沙障基本失效。

5.1.3.5 工程防护体系破损原因综述

1）防沙体系的自然破损

工程防沙体系是由无生命的有机或无机材料所组成，防沙体系建成后，长年累月地处于太阳能、风能、生物能的作用下，日复一日地经受着风吹雨淋、热胀冷缩、生物分解、风蚀沙埋的作用，出现老化、腐烂、残破是必然现象。即使由卵石铺筑的输沙平台，也会因为土壤的冻结消融而出现松动，最后导致体系的破损，所以说防沙体系的破损是一种自然现象，只不过是由于所处的位置不同、所使用的材料不同，破损的时间可能不一样罢了。

2）防沙体系结构不合理

工程防沙体系在建设之初，没有科学合理的规划设计，阻沙带、固沙带、输沙带配置不当，没有形成完整的防沙体系，加速了防沙体系破损的速度。这种现象在一些地方公路和低等级公路上比较常见。2000年6月，在库布齐沙漠穿沙公路K66＋220～K66＋320和K66＋320～K66＋450设置了两个观测点，对前者进行了简单的修复（主要是扶正阻沙带所有的高立式沙障），后者则人为破坏了所有的高立式沙障。从设立观测点开始进行了4次对比观测，发现前者阻沙带沙障前后平均积沙26 cm，固沙带格状沙障中有沙子的迁移现象，但只是在几个沙障之间运动，沙障沙埋和倒伏的比例没有增加，后者格状沙障被埋压的面积增加了17%。防护体系不完善或配置不当是其破损的主要原因。再如，阻沙带带间距过大，常导致带间起沙，其结果是高立式沙障因风蚀而倒伏，格状沙障被埋压。还有就是固沙带沙障规格选择不当，没有形成外疏内紧的格局，沙障受风蚀破坏严重；输沙带内沙障设置太密集，或紧靠公路路肩设置高立式、低立式沙障，主观上想阻沙护路，而实际上造成沙障被埋、引沙上路。在多向风交替出现的地方，没有重视反向风对工程防护体系的影响，主风是防住了，反向风带来的流沙却上路了。如库布齐沙漠穿沙公路，4—8月东南风多次出现，结果有多处流沙上路。此外，工程防护体系的结构不合理也是体系破损的重要原因，如透风结构的防护体系（孔隙度大于30%），就因为沙障基部易遭风蚀而倒伏，而紧密结构的土工布则因为阻截所有的来沙而很快就被沙埋。

3）建设质量差

沙障埋深浅，抗风蚀能力小，容易倒伏。沙障设置时缺少加固、编织环节，整体抗风性能弱，一遇大风日就会大面积倒伏。对内蒙古鄂尔多斯市巴图塔沙柳基地沙柳沙障（设沙障时间为2001年4月）埋深与倒伏的关系进行了调查（表5-23），发现沙障倒伏率与埋深及沙丘部位有密切的关系，迎风坡沙柳的埋深小于15 cm时倒伏严重。背风坡沙障倒伏并不完全是由于风蚀，有很大一部分沙障是因为泻溜下来的沙子推倒的。巴图塔沙柳基地一次性建设沙柳沙障4 000亩（1亩＝666.67 m2），除了当时划定的观测区以外，还能见到有的沙丘迎风坡沙障成片倒伏，有的基本没有倒伏，原因与施工者的施工质量有关，凡是承包给临时施工人员的地段，验收时就因为施工质量问题发生争执，现在倒伏率较高的也是这些地段。所以认为，施工质量是影响沙障倒伏率的一个重要因素。考虑到沙丘部位对沙障倒伏的影响，同时考虑节约施工经费问题，提出设沙障时迎风坡沙柳的埋深不能小于20 cm，而背风坡在10 cm左右就可以了。

表5-23 沙柳沙障埋深与倒伏的关系（%）

（续表）

除施工质量问题以外，设计不科学也是影响沙障破损的重要原因。如有些地段设计时没有充分考虑当地的主害风合成风向，垂直于主害风合成风向的沙障间距反而大于平行方向的间距，还有的主带设置不是与主害风合成风向垂直而是平行，致使沙障抗风蚀、沙埋能力差；还有的没有充分考虑到当地的微地形、地貌，风口地段沙障规格太大，导致该地段沙障大面积风蚀而破损；如库布齐沙漠穿沙公路，很多高立式沙障建在沙丘的背风坡中部，不但起不到阻沙作用，还加速了沙障的破损速度。

4）日常维护不到位

工程防沙体系需要根据破损情况及时进行维护。有些地方把公路清沙看成“硬任务”，而把防沙体系的维护看成“软任务”，平时对防沙体系的维护不重视，出现破口不能及时修复，或者流沙只要不上路就不算问题，宁肯被动清沙，不愿意主动修复防沙体系，等到体系已经不可修复时再申请一笔经费重设，这种做法不仅增大投资，还会在一个时期之内产生严重的公路沙害。这种现象需要尽快改变。

5）管理方面存在问题

（1）维护部门不明确。目前公路清沙任务属于养护部门是明确的，但防沙体系的维护属于哪个部门还不明确，还有的地方只明确了任务但没有配备人员，也有的是没有这方面的经费，使本该及时维护的防沙体系一拖再拖，破口越来越大，甚至造成整个体系的崩溃。

（2）防沙体系维护经费不到位。目前大多数省区都没有把防沙体系的维护经费列入预算，还有的省区宁肯一次性下拨防沙体系重设经费，而不考虑平时的维护经费，这样做实际上并不省钱。

（3）技术人员缺乏，特别是缺治沙和造林方面的专门人才。这些都是造成防沙体系维护技术水平低、维护工作不到位的重要原因。