工程防沙体系维护技巧

5.1.4.1 工程防护体系维护原则

工程防护体系维护应遵循“技术可靠、施工简易、经济合理、效果良好”的指导思想，在具体的维护过程中应遵守以下原则。

1）以防为主、防修结合的原则

防沙体系维护的目的就是为了减少沙障的破损。为了减少维护工作量，首先要防止沙障出现破损，即使出现一些小的破损，也要立即修复，防止破口的扩大和加积性破损的出现。防止沙障的破损应该成为维护工作第一位的原则。

2）工程措施与生物措施互补的原则

所有人都知道，在沙害防治工作中，植物措施治本，工程措施治标。所以，只要有可能，就要想尽办法建设植物固沙体系，或者建设工程与植物结合的综合体系。但是，有些地方不考虑自然条件，不考虑地形的高低起伏，不考虑沙层含水率和潜水埋深，不考虑植物物种的生物学特性，盲目地追求所谓的“自然美”，公路两边一律栽乔木、栽针叶树，结果造成很大的浪费，防风固沙的效果还不好。还有的是强求统一，不论是丘间低地还是沙丘顶部，都搞一种规格的沙障、搞一样宽的防护带，没有充分利用丘间低地水分条件好、植被盖度高的有利条件，实际也是一种浪费。我国沙漠公路广泛分布于草原区、半荒漠区、荒漠区，各个区域气温年较差、日较差、风速、风向、降水量、蒸发量、地下水含量差异很大，即使在同一区域内，不同路段降水量、地下水含量差异也很明显。强求统一的做法显然是不科学的。正确的做法是能搞植物防沙体系的就一定要搞植物体系，依靠封育可以恢复的就不搞人工种植。即使是搞工程防沙体系，设沙障时也要考虑植被恢复的可能性。许多地方由于风蚀沙埋过于严重，流动沙丘上植物根本不能立足，但是，一旦设立机械沙障，植被很快就可以恢复。例如，库布齐沙漠穿沙公路K55～95段，设沙障前植被盖度不足3%（1997年10月1日调查），设沙障后的第二年，植被盖度达到14%左右，现在K55～87段达到60%，K87～95的大沙段也达到10%左右（2003年4月19日调查）。所以提出，公路防沙体系能搞成植物的就不搞工程的，能自然恢复的就不搞人工造林种草。必须设机械沙障的，设置时也要考虑植物恢复的可能性，机械沙障设置的目的一是控制公路沙害，二是为植物的生长创造条件。已经设立机械沙障的地方，维护工作的首要任务是促进植物的恢复。因为设立机械沙障后影响植物成活和生长的三个主要因素（缺水、风蚀、沙埋）只剩下一个（缺水），这时候采取飞机播种、封育、人工造林种草等措施，其效果非常明显。当然，植物防沙措施见效慢，对环境条件的要求严格，风险大都是需要考虑的问题。故而认为，充分利用机械沙障设立后风沙活动减弱的有利条件，尽量恢复植被，尽可能地建立工程措施与生物措施相结合的防护体系，形成两者之间互为补充、互为保障的格局应该成为维护工作的一条原则。

3）能修不设原则

针对公路两侧工程防护体系的破损情况，根据风蚀破损程度和沙埋程度的鉴定，对于轻度破损、中度破损的地段，只进行维护而不重设。

4）经济有效原则

实际就是要少花钱多办事。在效果相同的前提下，材料首先选择最便宜的，防护措施首先选择最经济的，这个道理非常简单。但考虑问题时必须全面，不能只考虑眼前、局部和短期利益，而应该以最小的投资获得最大的效益为原则。

5）因势利导的原则

工程防沙体系的破损必然导致防沙效益的下降，但是，对破损体系的修复并不一定要恢复防沙体系的原貌，而是要根据风沙地貌和风沙运动的最新变化采取相应的对策。例如，库布齐沙漠穿沙公路K67＋550路西的一个新月形沙丘上的沙柳沙障已经完全破损，沙丘已经从2002年春季复活，如果进行维修就应该在沙丘上重设沙障。但是，沙丘前方的丘间低地已经布满了羊柴、沙蒿和沙打旺等植物，经过对沙丘体积和丘间低地面积的计算，判断出沙丘即使吹平并且进入灌木林地也只能形成30 cm的覆沙，既不会影响公路，也不会造成其他沙障的破坏，而且还会促进植物的生长，所以没有对该沙丘采取任何措施，而是在其上风向的一列沙丘上设立了高立式沙障，后期沙丘已经消散，林地中各种植物长势旺盛。引沙入林的效果是：节约了修复沙障的费用，促进了植物的生长，还消灭了沙丘，一举多得。此外，防沙体系建立后植被恢复速度很快，沙丘上的蚀积状况随之发生了变化，利用这种变化治理沙害有时可以收到很好的效果。所以，具体情况具体处理，因势利导因害设防，节约投资节约材料应该成为防沙体系修复的一条原则。

6）就地取材的原则

工程防护体系的维护应坚持就地取材的原则，避免远距离运输造成的不必要浪费。如在工程防护体系的维护中，库布齐沙漠穿沙公路应首选沙柳枝条、沙蒿灌丛，而腾格里沙漠应首选稻草、麦草，冲积平原、湖积平原区可以选择黏土，砾质戈壁地区也可选择卵石作为原料。

7）坚持日常维护、早维护、早修复的原则

据库布齐沙漠穿沙公路防护体系修复试验结果及对有关资料的综合分析，轻度破损的防护体系很容易修复；中度破损的防护体系也可以修复，但修复工作量会成倍增加；重度破损的防护体系修复困难甚至不能修复，只好重设。以库布齐沙漠穿沙公路阻沙带的高立式沙障为例，一个10 m宽的破口一个工人1 h就可以修复，如果等到一年后再修复，就需要一个工日。因为这时至少有30 m2的格状沙障已被埋压。对防护体系早维护、早修复可以收到事半功倍的效果。

5.1.4.2 工程防沙体系维护技术

1）防沙体系破损的预防技术

沙障和体系破损在很多情况下是因为材料选择不当或施工质量不高造成的，也有的是出现破口以后没有及时修复而扩大的。实际上，这些问题都是可以避免的。为了防止沙障的破损或缩小破损面积，首先要防止上述问题的出现。例如，在建设防沙体系时选用不易腐烂和老化的材料，黑色的尼龙网容易老化，选择白色的尼龙网；稻草比麦草容易腐烂，尽量选择麦草。沙丘迎风坡中上部容易风蚀，沙障就栽得深一些；鼠洞、兔洞、刺猬、沙蜥的洞口往往成为风蚀的突破口和风蚀源头，就要及时封堵洞口。高立式沙障局部破损往往成为风口和沙物质侵入固沙带的通道，其后果不是格状沙障被埋就是被风蚀，必须及时修复。公路路肩出现植被或施工丢弃的材料时也容易造成路面积沙，养护工人应该在发现后及时清除，不要等到积沙后再清除，等等。

为了预防防沙体系的破损，还要加强对公路周边地区植被和环境的保护。例如，尽量减少无路行车，尽量减少乱采乱挖，减少随意弃土弃石，减少点火取暖、生火煮饭，等等。防护体系建成后，还要注意防止人为破坏，如盗窃围栏、盗窃树木、盗割草灌木等。要与地方执法部门配合，加大宣传力度，运用森林法、草原法、环境保护法、公路法等法律法规，依法做好路域生态系统的保护和防沙体系的保护工作。

（1）植被保护技术。一般地，沙障建成2～3年后，工程防沙体系开始破损，但即使是最干旱的荒漠地区，沙障中或多或少也会出现一些植被。植被的恢复和出现对提高防沙体系的稳定性和防沙效益、延长防沙体系的使用年限有重要意义。加强植物的保护应该是防沙体系维护的一项重要任务。目前有些地方对植被保护的认识程度不高，特别是在道路改扩建工程中没有充分注意到这个问题，是需要尽快改变的。

（2）植被恢复技术。流动沙丘设置机械沙障后，沙面风蚀沙埋程度大大减轻，非常有利于植被的恢复，公路养护部门应该抓住这个有利时机大力植树种草，恢复植被。在库布齐沙漠穿沙公路依托工程区的沙柳沙障中种植了沙柳6 000株，成活率达到32%，是未设沙障的流沙区的4.2倍，1997—1999年库布齐沙漠穿沙防沙体系建设时采用的也是先建工程防沙体系再在体系之中恢复植被的办法，效果非常好。例如，1997年飞播后的秋季调查，沙障内平均每平方米有植物6种共86株，沙障外有植物3种共6株，障内植被盖度达到25%，障外不足5%。而有了植物的防沙体系比单纯的工程体系更稳固，防风阻沙效果更好。利用沙障建立后的有利时机恢复植被，应该成为一项重要的维护任务。

（3）防沙材料防腐处理。草方格沙障破损的主要原因是材料腐烂，如果在腐烂前对材料进行防腐处理就可以延长它的使用时间，1988年中国科学院兰州沙漠研究所的胡英娣就进行了这方面的试验。进行了麦草和沙柳条防腐试验（表5-24）。选择这两种材料的原因是它们已经在工程防沙中被广泛使用。考虑到生产部门实际应用中的可操作性，所选择的防腐剂都是来源丰富、价格低廉、使用方便、无污染、对沙地生物无毒副作用的化学制剂。目前筛选出的防腐剂有锌盐、铜盐、氟化物、五氯酚钠、PVA等8种。

具体方法是：用喷雾器将配好的适当浓度的防腐剂均匀喷洒于需要维护的沙障上。但要注意当时当地的情况，如当地空气湿度较大时，应加大防腐剂浓度；湿度较小时应减小防腐剂用量。

表5-24 麦草方格沙障防腐试验结果

注：部分资料来源于中国科学院兰州沙漠研究所。

2）日常维护

（1）防火。工程防沙体系大都是柴、草、化学物质等构成的障蔽物，加之沙漠地区气温、地温高，火险隐患大，做好经常性的防火工作是保障工程防护体系完整的重要措施。防火主要在冬春季节以巡逻、检查、限制行人和驾驶员生火取暖为手段。必要时，可以在公路与防沙体系之间布设防火带。

（2）封禁。固沙带、阻沙带可设围栏封禁，防止人畜践踏，损伤防护体系，封禁后要设专人看管。

（3）检查。养护工人要深入防护体系中，逐个沙丘逐个地块地检查，遇到小的破口及时修补（如鼠兔盗挖的洞口处在迎风坡上，就必须及时填埋），遇到大面积的破损及时汇报，以便工区及时采取措施。

3）典型维护

（1）加固技术。对因风蚀而发生倾斜或倒伏的立式机械沙障进行加固。使用材料有沙柳条、芦苇、高秆作物等等。加固方法有以下两种：

①深埋培沙加固。把因风蚀而倒伏的高立式沙障扶正，使之密集排紧，下部适当加些较短的梢头，使密度较大些，两侧培沙、踏实，培沙要高出沙面10 cm左右，使沙障稳固（图5-7）。

②编条加固。在破坏的立式沙障中上部横向加一列或两列沙柳条，编织或绑固使其稳固（图5-8）。有些地方在加固时使用流动沙丘上拔下来的沙竹等材料，这个方法也并非不可使用，但要以不破坏植被为度。

图5-7 深埋培沙加固示意图

图5-8 编条加固示意图

库布齐沙漠穿沙公路的沙柳沙障加固后，防风固沙效益基本恢复到新沙障的水平。

（2）加密技术。对因风蚀、腐蚀而发生自然稀疏的立式沙障或规格较大的低立式或平铺式沙障进行加密，可以获得良好的固沙效果。如库布齐沙漠穿沙公路K93～94路西的半隐蔽式沙柳沙障，规格普遍为4 m×4 m，有的达到4 m×6 m甚至6 m×6 m。由于规格过大，难于控制风沙流运动，在沙障中间加插了一排沙柳条，马上就达到小风不起沙、大风沙面基本稳定的效果。

加密材料可选用沙柳条、芦苇、葵花秆、高秆作物秸秆等。方法有以下三种：

①纵向加密。把直径较粗的沙柳条一端削尖，钉入稀疏的沙柳间，以达到加大沙柳条密度、减小疏透度的目的（图5-9）。

②横向加密。具体做法同上述“编条加固”措施（图5-10）。

图5-9 纵向加密示意图

图5-10 横向加密示意图

（3）拔高技术。据黄强等专家在塔里木沙漠公路沿线调查发现，不同地貌部位的高立式沙障阻沙效果不同，沙埋程度也不同。垄间平地上的高立式沙障不易沙埋，垄体、垭口和过度区段的高立式沙障易遭沙埋，如果不能及时修复，阻沙作用就会大大降低，2～3年内即被完全埋没。但是，此时的材料却并未全部腐烂，其中有些造价高、耐腐烂的材料还可以重复使用，如枕木、尼龙网、立柱等。很多专家已经认识到了这一点，并提出人工拔高沙障的意见。但是，实际操作中困难较多，拔得太早没必要，太晚了又拔不动。再者，沙漠当中施工困难，拔高沙障完全依靠人工作业，难度较大，并且有的材料已经处于半腐烂状态，一拔就断。所以，目前生产中这样做的单位还很少。但是，拔高沙障确实比重设合算。在库布齐沙漠穿沙公路所做的试验证明（表5-25），拔高沙障的投资仅占重设沙障的57.5%，虽然使用时间可能短一些，但对于材料短缺的地区，对于耐腐的旧枕木、尼龙网来说，意义还是很大的。

表5-25 高立式沙障拔高与重设的费用对比（2003年6月）

需要说明的是，拔高技术适用于中度沙埋的高立式沙障。对重度沙埋的高立式沙障，需要先清沙，后拔高，工作量会增加2倍左右。

具体方法：适当清理机械沙障两侧的积沙，将沙障拔高。旧材料的利用率为60%～90%，所以必须补充新材料。如在拔高沙柳沙障时就补充了40%的新材料。

注意：高立式沙障扎设时的埋深一般不会小于20 cm，沙埋30 cm后再拔高困难很大，因此需要经常检查，发现沙埋后尽快拔高。补充的新材料最好与旧材料交错使用，以提高旧材料的耐性。

（4）结构改造。

适用范围：基部掏蚀、整体沙埋的土工方格沙障。

具体方法：适当清理土工布两侧的积沙，给土工布打眼，使其疏透度达到20%～40%。

4）防沙体系的维护

以上讨论了沙障的维护技术。虽然防沙体系是由各种类型的沙障组成的，但是，对于防沙体系来说，其维护技术并不是对沙障的修修补补，对防沙体系进行科学维护也是研究的内容之一。对防沙体系的维护主要有如下几种类型：

（1）应急维护。应急维护是一种临时补救措施，是对日常维护工作的补救和完善，也是对日常维护成果的检验。自然界的情况是非常复杂的，即使是很完善的防护体系，在一场大风过后出现破损、缺口、流沙上路等现象也是不奇怪的。例如，1995年5月5日起源于甘肃河西地区的特大沙尘暴过后，公路积沙多达几百处。这时就要及时清理路面积沙，修补破损的防护体系，这就是应急维护。应急维护的要点是：①平时做好维护工作，以减少大风过后积沙的数量；②大风季节到来之前做好人力、物力、财力特别是机械的准备工作，一旦出现积沙可以马上赶赴现场，迅速清除积沙；③清除积沙后尽快修补防护体系，切断沙源，防止重新积沙和二次积沙；④清理后的积沙要妥善处理，不可随便丢弃在路边，以免成为新的沙源。

（2）生物措施辅助维护。根据野外调查，即使是在极端干旱的塔里木地区和阿拉善地区，流动沙丘上设置机械沙障后，由于风沙活动强度下降，影响植物生长的风蚀沙埋现象减轻，总会有或多或少的植物出现在沙面上。例如，荒漠地带的腾格里沙漠沙坡头地区，沙障中植被盖度可以稳定在20%左右，半荒漠地带的库布齐沙漠设立机械沙障后，高大沙丘区植被盖度达到15%左右，丘间低地达到30%左右，从K62～K83大缓丘低地区，植被盖度达到60%以上，比不设沙障的流动沙丘区高出3倍以上。在乌兰布和沙漠对不同植被盖度区输沙量的观测证明，植被盖度达到15%时，输沙量减少43%，中国石油天然气总公司塔里木石油勘探开发指挥部的观测治理证实，植被盖度达到15.2%时，地表粗糙度达到0.048 5 cm，是流动沙丘区的34.83倍。据在库布齐沙漠穿沙公路实测，植被盖度达到15%时，4 m×4 m的格状沙障地表粗糙度比2 m×2 m无植被的沙障还高，植被盖度达到30%以上时，流沙基本呈斑块状出现。就是说，只要有一定的植被覆盖，沙障规格过大导致的风沙活动就可以消除或减弱。所以，设立机械防护体系以后还要尽量促进植被的恢复，在适宜植物生长的地方，应选择一些耐旱、耐盐、耐风蚀沙埋的植物种进行飞播或人工种植，以补充机械沙障防护效益方面的不足或缺陷，同时延长机械沙障的使用年限，并且逐步形成以植物措施为主的防沙体系，从根本上解决沙害问题。

（3）防沙体系不同功能带的维护。前已述及，完善的防沙体系由阻沙带、固沙带和输沙带组成。各带的功能不同，破损后产生的后果以及维护技术也成为研究的一个重要内容。

根据在库布齐沙漠穿沙公路设立的定位观测点和垂直于公路的调查线的资料，防沙体系各功能带的破损形式不一样，破损的后果也不一样。其中，阻沙带的破损形式主要是高立式沙障的风蚀倒伏和沙埋，其主要特点是体系一旦出现破损，往往成为风口和风沙流运行的通道，风和风沙流会沿着通道向固沙带发展，造成固沙带格状沙障的严重风蚀或沙埋。如果任其发展，很快就会形成一条指向公路的“沙舌”，对公路形成严重威胁。在库布齐沙漠穿沙公路设立的2号定位观测点就是这样的一条活化沙带。该沙带上风向阻沙带的高立式沙障破口宽度为11 m，而破口下方固沙带的格状沙障破损面积达到112 m2。在110国道临河段、磴口段，109国道杭锦旗段、包府公路大柳塔以北20～22 km处甚至尚未通车的伊金霍洛—榆林路段，这种现象经常可以看到。可见，高立式沙障破损的后果是极其严重的，它会引起固沙带沙障的连续破坏，所以对阻沙带的高立式沙障要给予特别的关注。

固沙带的破损主要是格状沙障的腐烂和风蚀沙埋，特点是体系内部出现斑块状流沙或风蚀坑。在半荒漠地带的库布齐沙漠，比较普遍的现象是沙丘顶部沙障因风蚀倒伏而出现斑块状流沙，而在东部草原地带则以沙丘迎风坡的斑块状风蚀坑更为常见。半荒漠地带的斑块状流沙有些是阻沙带破损后从体系以外搬运进来，更多的是体系内部局部沙障破损造成。其发展过程往往是先在体系内部出现风蚀破口，然后以此为基点向下风向发展，逐步扩展到整个沙丘上部，吹扬起来的流沙则在下风区埋压部分沙障。但是，这些地段的沙层厚度都是有限的，一般不会运移到体系以外，在库布齐沙漠设的六个定位观测点和在国道304线、地方公路乌金线的调查都证明了这一点。此外，调查中还发现，斑块状破损是固沙带破损的主要形式，整个防沙体系全面破损的情况还是比较少见的。另外，即使防沙体系内部出现了斑块状破损和风沙活动，其活动范围也主要限于防沙体系之内，只要体系没有崩溃，流沙冲上公路的概率还是比较小的。

对公路威胁最大的是输沙带的积沙。输沙带紧邻公路，一旦出现风沙活动流沙就会直接冲上公路，造成沙害。这是需要特别予以注意的。库布齐沙漠穿沙公路K87～95的大沙段没有设计输沙带，固沙带的沙障已经严重破损，路边由于水分条件较好（降雨时路面上的水分不会下渗只会向两侧分流，使路边接收到更多的降水），植被盖度较高，已经成为流沙的聚集区，冬季以来已经多次出现路面积沙。特别是在K90～92路段，沙丘高度超出路面3～5 m，夏季路面积沙成为普遍现象。在其他一些公路上，如毛乌素沙漠中的府深线、乌审旗到鄂托克前旗公路，原来就没有预留输沙带，沙丘紧邻公路，而且公路路基高度低于沙丘成为路堑，所以公路沙害就成为一种普遍现象。

通过以上分析认为，公路防沙体系各功能带的破损形式、破损特点不一样，产生的后果也不一样，所以维护技术也不一样。阻沙带沙障的破损会造成固沙带的严重破坏，出现破损必须及早进行维护，甚至在沙障破损之前就应该防止其破损，特别是要防止破口的出现。输沙带沙障破损或沙障不完善，流沙就会直接威胁公路，所以维护工作就显得特别重要。固沙带沙障的破损主要是斑块状破损，即使出现了20%左右的破损，风沙流活动范围也主要限于体系内部，对公路的威胁不大，不应该成为维护工作的重点。即使需要进行维护，主要任务应该是堵住风蚀破口，防止其进一步扩大。对于遭受沙埋的沙障，可以不做专门处理，一般经过1～2年，流沙就会消散在体系之中。对防沙体系的这种维护办法称为“堵住两头（阻沙带和输沙带），放开中间（固沙带）”。这样做固然比全面维护增加了沙害的危险，但可以大大节约维护资金。在库布齐沙漠穿沙公路K87＋400、K67＋100处就使用了这样的维护技术。虽然因为时间很短还不能下定论，但可以肯定，至少在半荒漠地带和干草原地带，借助植物的作用，这种方法是可行的。

（4）不同破损程度防沙体系的维护技术。防沙体系的破损程度不同，维护的主要任务和技术要点也不同。新设机械防沙体系维护的主要任务是防止破损，对其要进行经常性的检查，发现问题及时处理。特别是阻沙带出现沙埋沙障问题时需要尽快拔高，否则沙障就会因为积沙过多而无法处理。阻沙带沙障埋压的速度很快，当年4月在库布齐沙漠设立的高立式沙障，到6月中旬有20 m长的一段就已经被埋得看不见了。固沙带维护的主要任务是及时封堵风蚀破口，即使发现小的鼠洞、兔洞也要及时封堵，以防止洞口扩大产生的连锁反应。此外，新防沙体系维护的一项重要任务是植被的恢复，要想尽一切办法恢复植被，使工程防沙体系向综合防沙体系转变，即使不能发展到综合防沙体系，植被盖度每增加1%，体系的防护效益就会有所增加。使用两年以上、破损程度不超过20%的防沙体系维护的主要任务是修补、扶正、拔高沙障，维护的重点是阻沙带的高立式沙障。对于使用3年左右、破损程度达到40%～60%的防沙体系，维护的主要任务是防止流沙上路，办法是堵住两头，尤其是临近公路的输沙带不能有沙害隐患。有些没设输沙带的公路，对临近公路的流沙就要前面封固，对建设初期预留输沙带的公路来说，此时的输沙带已经很难再发挥输沙功能，相反可能成为直接危害公路的沙源，所以也要补设沙障。对于已经严重破损的防沙体系来说，修修补补已经不能解决问题，重设防沙体系成为唯一的选择，这时就要尽量发挥防沙体系的残留功能，想尽办法延长防沙体系的使用时间，延长沙障的重设周期。只要流沙不上公路，就不必采取措施。这样做同样可以节约维护资金。

5）工程防护体系维护施工定额

据库布齐沙漠穿沙公路依托工程、月亮湖公路依托工程推算的工程防沙体系建设定额见表5-26。该表还参考了一些相关资料。但是，由于地区差异、材料差异等的影响，其只能作为一个参考材料使用。

表5-26 工程防沙体系维护施工定额

注：1亩＝666.67 m2。

5.1.4.3 防沙体系更新与改造可行性分析

不论是工程防护体系还是生物防护体系，经过长期的运行和使用，都会不同程度地出现老化、退化、分化等问题，变化的结果有两种：①防护体系变得更稳固更完善，即工程防护体系中植被盖度达到30%以上，单纯的工程防护体系变成工程与生物结合的综合防护体系，如库布齐沙漠穿沙公路K62～83段，包兰铁路沙坡头至迎水桥段，还有的是单纯的人工林变成了乔灌草结合的复合林带，如207国道K188路段等。②防护体系大面积破损或老化，简单的修修补补已经不能解决沙害影响交通的问题，需要对整个防护体系进行更新与改造，如三道坎到吉兰泰的乌吉铁路，从通车到现在，对防护体系大面积的改造与更新就有7～8次之多。再如塔里木石油公路，防沙体系已经建成6～7年，以芦苇为主的防护体系面临着材料老化腐烂、风蚀沙埋严重等问题，为了解决防护体系的改造更新问题，在塔中地区研究了生物固沙和生物防护体系建设问题。建成了植物防沙体系，非常成功，运行将近20年没有出现过风沙危害公路的情况，彻底解决了塔里木石油公路的风沙危害。

对防护体系的改造与更新涉及很多问题，如原有防护体系能否利用或部分利用，原有防护体系是否合理，主要存在哪些问题，风沙地貌和风沙危害有哪些新的变化，现有植被如何利用，工程防护体系与生物防护体系如何衔接等。为了解决这些问题，以库布齐沙漠穿沙公路为例，通过定位观测，对与防护体系改造和更新有关的几个问题进行了初步研究。

1）防护体系宽度问题

防护体系宽度问题关系到工程造价和防护效益，是业内多年来一直希望解决的一个问题。但由于各地情况差异较大，建设单位的投资标准、要求也不一样，所以至今仍无定论，只在考虑防护效益的前提下，对此做些探讨。

（1）基本假设。当风沙流从旷野到达防护体系时，若风沙流与防护体系成任意夹角θ、大小为u的速度吹过设置有沙障的沙面时，风力将沿水平方向和垂直方向发生分解，各分量分别为u 1＝u cosθ和u 2＝u sinθ。此时，对防护体系起作用的风沙流的分量为u 2。当u 2小于起沙风速时，因没有足够的动能挟带沙粒，防护体系内部的沙粒将不发生起动；当u 2大于起动风速时，则旷野风速条件下形成的风沙流因遇防护体系阻碍而发生动能损耗，在防护体系前后均会产生涡旋，引起沙粒在防护体系前后沉降，从而将一定数量的沙粒卸载下来，卸载后的气流挟沙力如果仍大于含沙量，则气流在沿程运动过程中，会造成防护体系内部的沙粒发生迁移，使风沙流在蚀积的动态平衡中保持恒定。因此，可用在一定时间范围内沙粒的迁移量表示防护体系的防护效益。

设防护体系内部任意时刻沙粒的迁移量为w，风沙流的输沙率为Q，防护体系的宽度为L，风速的大小为u，风速与防护体系的夹角为θ，则沙粒迁移量可用以下函数来表示：

设风沙流在t 1时刻的沙粒迁移量为f t1（x），在t 2时刻的沙粒迁移量为f t2（x），则在单位防护体系宽度、单位时间Δt内，其沙粒迁移动态变化量Δw和总变化量w总可用下列式子表示：

依据上述公式推论，若在单位防护宽度、单位时间内沙粒的动态迁移量Δw＜0，则在该时间段该防护体系内部处于风蚀状态，风沙流将沿合成风的方向迁移，若公路处于合成风方向的下方，则可能导致公路沙埋。若Δw＞0，则在该时间段内防护体系内部处于堆积状态，防护体系仍在发挥作用，且Δw值越小时，防护体系的寿命越长。w总说明沙粒在单位时间和单位防护宽度内的沙粒总迁移量（风蚀量与堆积量的绝对值和），w总值的大小说明防护体系阻滞沙粒功能的强弱。显然，凭借这两个参数尚不能确定防护体系的有效宽度，为此，引入另外两个变化w max和w min，且以极差w R反映两者的变化情况：

在单位时间内，若沙粒迁移量最大值小，沙粒迁移量最小值大，则极差变化量小，说明沙粒迁移较为均一，防护体系功能较好，而两者变化量大，说明防护体系内部沙粒迁移不均，有的地段风蚀，有的地段堆积，使防护体系内部沙粒变化增大。

（2）结果与分析。综上所述，若单位时间、单位防护宽度范围内，在Δw＞0，w总值较小，w R变化较小时对应的防护体系宽度应是较为适宜的防护体系宽度。基于此，在穿沙公路上风侧的不同宽度的防护体系内部，每隔3 m设置一根铁钎，定位观测防护体系内部沙子的风蚀堆积状况。通过定期测定标尺的变化来表述防护体系内部沙粒的迁移运动状况和沙面的蚀积变化（负值为风蚀，正值为风积），并通过高斯积分法进行数值积分，得到相应防护体系宽度L条件下的Δw、w总、w max、w min和w R。结果见表5-27。

表5-27 不同防护体系宽度条件下沙粒迁移量的变化

从表5-27看出，当防护体系宽度＜180 m时，Δw值均为负值，w总值较大，w R变化也较大，此时，防护体系处于风蚀状态，风蚀后的风沙可能对公路形成危害。当防护体系宽度＝180 m时，Δw值＞0，而且w总值在26.6～32.44 m3／月之间，w R变化较小，在9.47～12.0 m3／月之间，因此，该宽度下的防护体系满足公路防沙的需求，其宽度较为适宜，该宽度也是库布齐沙漠上风侧防护体系的最小宽度。当防护体系为200 m时，Δw为正值，其值为6.75～11.6 m3／月，且w总值在20.2～22.8 m3／月之间，w R在7.9～9.35 m3／月，从各指标分析，该宽度的防护体系阻沙效益要优于宽度为180 m防护体系的阻沙效益。显然，从实地观测和理论推导分析，防护体系宽度越宽，其阻沙效益越明显；但防护体系越宽，所需的经济投入也越大，因此，防护体系并非越宽越好，而是有一个适宜的合理宽度。

若设置标准与规格相同，单纯考虑防护体系宽度对经济投入的影响，则设置180～200 m宽度防护体系的经济投入是48 m防护体系宽度的3.75～4.17倍、是100 m防护体系宽度的1.8～2.0倍。因此，防护体系越宽，经济投入越大。综合考虑阻沙效益的正常发挥和经济投入影响等因素，建议库布齐沙漠穿沙公路上风侧的防护体系最低宽度不低于180 m，实践中可选择200 m。对于下风侧，依据塔里木石油公路上风侧和下风侧防护体系的设置及穿沙公路的设置实践，下风侧的防护体系宽度可适当酌减至75%，即下风侧防护体系宽度为135～150 m。

2）阻沙带沙障高度与阻沙效益的关系

在野外设置沙障后，随时间推移，高立式沙障前后的积沙增多，当高立式沙障的外露高度降低时，沙障的阻沙功能下降，当沙障被完全埋没后，则在沙障后可形成一个风蚀凹槽，使风沙流顺利通过，不能有效地阻挡风沙流的过境和沙丘顶部前移，阻沙效率大为降低，对其后面的半隐蔽式防沙体系有很大的危害，对线路产生严重的隐患。因此，当栅栏外露高度较小，阻沙效率降低到一定值后，应及时设置或拔高栅栏，使其更为有效地进行防护。

沙地内设置沙障后，经过一段时间的吹刮，在障间的沙面便会形成一段较为平滑的圆弧，沙面最高点处圆的弦切角为干沙的休止角，而且风沙流在障前的积沙范围为障高的2～3倍，在障后有积沙范围为障高的8～12倍。在库布齐穿沙公路高立式沙障的设置材料为沙柳，其高度为1.5 m。由此，沙柳高立式沙障障前积沙范围为3～4.5 m，障后积沙范围为12～18 m。依据积沙范围而设置的高立式沙障障间距一般为15 m。当沙障投入使用一段时间后，在障前和障后分别发生积沙，使得沙障高度有效高度降低，而且障间因发生积沙而使得积沙的有效空间减小，从而使阻沙功能下降。为降低沙障重设而带来的经济增加，本着经济有效的原则，可采用拔高技术来维护沙障正常功能的发挥。但何时拔高沙障是问题的关键。该高度必须同时满足两个条件，即此高度下，沙障的功能已经减弱，如再不采取措施，障间的沙粒可能发生蚀积；同时，此沙埋高度下，人力可较为轻易地拔高沙障而不必借助于机械作业。

3）从沙障破损率与输沙率的关系分析防护体系改造与更新的必要性

沙障的损坏程度可用破损率表示，即破损沙障面积（长度）占沙障总面积（长度）的百分比。根据其破损程度可分为轻度破损、中度破损、重度破损和极度破损。沙障破损后，其防风阻沙功能下降。

为研究沙障破损率与防风固沙效益的关系，在穿沙公路格状沙障和高立式沙障防护体系内部，通过人为地拆除沙障，形成各种破损率，然后在同一条件下，利用多点自动风速记录仪和积沙仪分别记录风速的变化和积沙量的变化。以不同风速对应的输沙率作图，其结果如图5-11所示。

由图5-11可以看出，尽管沙障的破损率不同，但风速与输沙量的关系均呈幂函数形式（表5-28），即输沙量与风速的指数成正比，风速不同，幂指数大小不同。对于不同破损率的沙障，其输沙量的变化极大。当沙障破损率由20%增加至40%时，输沙量也相应提高了1.2～9.5倍，平均为2.4倍；当沙障破损率达到60%时，输沙量为20%破损率的8～77倍，平均为26.5倍；当沙障破损率增加至80%时，沙面很少有障碍物存在，输沙量约为20%破损率下的20.2～600倍，平均为103.8倍。再从风速变化看，当旷野风速接近同一地段不同破损率的沙障时，风速降低百分比也不相同，以80%沙障破损率的风速为100%，则60%破损率、40%破损率和20%破损率的沙障风速分别降低了6.24%～11.11%、13.18%～24.86%和23.87%～34.68%（表5-29）。

从风速降低百分比、输沙量变化情况分析，当沙障破损率达到40%～60%时，风速降低百分率与输沙量均发生了质的变化，主要表现在风速降低值显著减小，输沙量明显增加。可以认为此时沙障已经失去或基本失去防护效益。因此沙障破损率在达到40%时必须进行维护。

图5-11 不同沙障破损率下风速与输沙量关系

为避免局部破损而危及整个防护体系情况的出现和保障沙障功能的正常发挥，建议在沙障破损率达到40%以前就应该进行维护，40%时必须维护，60%时就要考虑体系的更新问题。如此才能保障公路的畅通，还能降低维护强度和规模。

表5-28 不同沙障破损率下风速与输沙量的回归方程

表5-29 不同沙障破损率下风速降低百分比

（续表）

4）破损沙障的残留效益与防护体系改造、更新的关系

工程防沙体系投入使用后因大大抑制了风蚀沙埋的危害，有利于植物的定居。因而，工程防沙体系建立后，不仅发挥其本身的防护效益，而且还会因防护区域内植被的恢复而增加一部分效益。但工程防沙体系运行一段时间后，也会因风蚀、沙埋而发生破损，从而使其效益发生衰减，只有残留部分发挥功能，如若残留功能已经不足以控制沙害，就要对防沙体系进行维护，但维护的规模是一个关键问题。若维护规模大，不但会造成防沙功能的浪费，还会造成材料、人力、财力的浪费；若维护规模小，则会因为防护功能达不到要求而影响到公路的安全。为科学合理地对防沙体系进行维护，就需要对工程防沙体系的各部分效益进行详细的分析。

新的防沙体系在设计时，必定有一个设计标准（按沙害路段的风沙运动状况设计），定义按设计标准构建的防沙体系的防护效益为设计效益，记为B D。在工程防沙体系使用过程中，若工程防沙体系没有发生破损，且体系内植被得以恢复，则此时的总体效益要较设计效益高，将此时的总体效益记为B T，而将因植被恢复而增加的防护效益称为植被恢复效益，记为B P，因此，B T包括两个方面的效益，即设计效益和植被效益。三者之间的关系可用下式表示：

但工程防沙体系投入运行后，必定会发生破损。体系破损必然会损失一部分效益，此部分称为损失效益，记为B L；另一部分是残留体系仍在发挥的效益，称为残留效益，记为B R。当然，此时植被恢复效益仍在起作用，因而，防沙体系的实际效益B T，可用下列式子表示：

当沙障破损后，为恢复其正常功能就要进行防沙体系的维护。设维护后防沙体系的效益为B T1。理论上，防沙体系维护后的总效益B T1应等于或大于设计效益B D，否则认为维护没有达到预期目的。做到这一点很容易，按照当初的设计重新建设防沙体系就可以。但是，这样势必增大投资，而且浪费了旧沙障的残留效益和植被恢复后的新增效益，这是不应该的。正确的做法是，只要对防沙体系的效益进行补充就行了。如果把补充的这部分效益记为B I，则

显然，B I不应该也不会大于B T1或B D，所以，对防沙体系进行维护要比新设节省开支和原材料。

关于防沙体系什么时候需要维护（指大规模的维护甚至重设，而不是日常维护或应急维护），因为维护太早就会造成浪费，维护太晚则可能造成流沙上路，所以，把握好维护的时机也是非常重要的。

是否应进行工程体系的维护可用以下两个判别式表示：

若B′T≥B D，则说明防沙体系的实际效益仍然可以达到设计效益，亦即工程防沙体系丧失的效益可由植被恢复效益来补偿，此时不需对防沙体系进行维护。若B′T＜B D，则防沙体系的实际效益已经低于设计效益，亦即防沙体系丧失的效益大于植被恢复效益，此时需对防沙体系进行维护。

关于防沙体系的效益估算，可依据以下几个指标计算，即输沙量，风蚀沙埋厚度、长度、宽度、面积，风速降低百分比，粗糙度，对防沙体系危害程度，沙丘年前移量等。考虑到公路养护部门在生产实践中研究风沙运动的困难，建议，如果需要对防沙体系进行综合评估的话，最好请专业部门或有资质的中介机构完成。