中国交通干线风沙危害防治模式及国际应用前景

中国网/中国发展门户网讯 道路交通是文明和生产力的重要标志,与人类生存和发展息息相关,同时作为一种地面构筑物,也受到区域多种自然条件的影响。风沙活动为一种气固两相流现象,主要发生在干旱半干旱地区,以及半湿润地区的河湖沿岸、沿海地区。中国沙区大多分布在内陆巨大山间盆地和广阔的高平原上,从西北、华北到东北地区呈一弧形条带,东西绵延约 4 000 km,南北宽约 60 km,总面积达 1.308×10⁶km²,约占国土面积的 13.6%。

18 世纪工业革命后,现代化道路(公路和铁路)的出现极大地促进了人类的发展。截至 2019 年底,中国公路总里程达 4.8465×10⁶ km,其中高速公路1.426×10⁵ km;铁路营业里程达 1.39×10⁵ km,其中高铁 3.5×10⁴ km。20 世纪 50—80 年代,伴随着交通干线的建设,中国在干旱半干旱地区的沙漠、沙漠边缘、戈壁等地开展了道路沙害防治工作,尤其是包兰铁路沙坡头段沙害防治,为交通干线沙害防治积累了宝贵的经验和技术。20 世纪 80—90 年代,随着塔里木盆地油气资源勘探开发,我国成功修筑了纵贯塔克拉玛干沙漠的油田公路,攻克了流动沙漠公路风沙危害防治技术的难题。2000 年后,随着西部大开发战略的实施,沙区交通干线建设大规模开展,防沙技术得到逐步完善。2010 年后,尤其是 2013 年“一带一路”倡议提出之后,沙区高速交通干线建设加快,防沙技术进一步得到提升。

交通干线的风沙危害形式及防治原则

风沙危害形式

风沙活动可造成道路设施损害(如路基风蚀、涵洞堵塞、标识牌损坏等)、行车环境恶化(如路基积沙或沙埋、能见度变差)、车辆机械损坏(如零件磨损、外观破损)、车辆倾覆、人员伤亡和财产损失,而通常所说的交通干线风沙危害形式仅限于风蚀及沙埋对交通设施的损害和对行车安全的威胁。

 风沙危害防治原则

交通干线风沙危害防治应遵循以下原则:预防为主,防治结合;因地制宜,因害设防;综合治理,充分发挥各种措施的效能。在交通干线设计阶段,应制定科学合理的线路方案,绕避严重风沙危害区段,尽量使线路走向与区域主导风向平行或小角度相交,并修建适宜断面形式的路基。

公路路面光滑平展,风沙流可以非堆积搬运形式通过。目前,高等级公路常采用的波形板护栏容易引起路面积沙,故高等级公路防沙标准高于一般等级公路。而铁路道床(包括道砟、枕木、铁轨)粗糙起伏,易产生滞留积沙,不仅威胁交通安全,还易造成拱道危害。因此,铁路防沙标准高于公路。

交通干线防沙体系的配置及维护

防沙措施和防沙原理

在防沙实践中,中国创造了多种防沙措施,风沙危害得到了有效防治。根据防沙材料性质,防沙措施一般可以分为机械措施、化学措施和生物措施;根据力学原理将防沙措施分为封闭型(如片石封闭路基边坡)、固定型(如草方格)、阻拦型(如高立式沙障、林带)、输导型(如下导风)、转向型(如羽毛排)、消散型(如扬沙堤)等 6 类。不同防沙措施的作用原理主要包括:阻断或抑制风沙气固两相流与地面的接触及相互作用;增加积沙体或地表抗风蚀能力;增加或减小风沙流局地运动阻力;引导改变风沙流运动方向等。

在防沙工程建设中,须综合考虑沙源、风况、地貌、降水、地下水位等因素,尤其要充分考虑防沙材料。防沙材料主要包括天然无机材料、植物秸秆、人工高分子合成材料、低等植物和高等植物等。鉴于工程造价和环保要求,防沙工程多倾向采用乡土材料。

防沙体系的结构配置模式

防沙措施沿交通干线的空间结构配置称为防沙体系。防沙体系不仅关系工程安全,而且决定了工程建设成本及后期运行维护成本,必须贯彻因地制宜、因害设防理念。

风沙环境复杂多样,根据风力强弱和沙源多少的组合情况,可定性地将其分为 4 类:弱风少沙型、弱风多沙型、强风少沙型、强风多沙型(表 1)。相应地,沙区交通干线防沙体系可总结为 4 种结构模式:以固为主型、阻-固结合型、挡风输沙型、阻-固-输结合型(表 1)。此外,当线路与当地主导风向夹角较小且有适宜的导沙区域(如沟壑、河谷)时,阻-固结合模式的外侧阻沙措施可变为导沙措施,即调整为导-固结合型模式。

防沙体系的维护

沙区交通干线不仅要进行路基和路面的防风蚀维护管理,也要重点开展防沙体系维护。防沙体系功能会随着其发挥防风固沙作用而衰减,防沙材料也会逐渐腐朽老化。为了延长防沙体系寿命,需要不断对其进行维护和更新。防沙功能衰减并非全都从防沙体系的迎风边缘向内部逐步推进,防沙体系内部地形起伏处也可同步发生风蚀和沙埋。防沙体系越宽,其维护成本越高;且由于日常的小范围、多点维护不具规模效益,长期维护成本高于一次更新成本。因此,防沙体系的理论计算宽度(多存在技术性的沙害夸大问题)在经济学上并非最优,而适宜宽度的防沙体系长期更新成本更低,更符合实际。

交通干线防沙模式与成功案例

多年来,我国科技工作者针对不同区域环境条件和风沙危害特征,综合集成机械、化学和生物防护措施的优势,合理配置、因地制宜,逐步构建和完善了沙区交通干线防沙体系,确保了道路的安全运营。

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