防沙工程有关问题研究

防沙工程有关问题研究铁道第一勘察设计院2005年11月提纲一、防沙工程典型个例二、目前存在的主要问题三、研究取得的一些结果四、今后工作设想荣获国家科技进步特等奖一、防沙工程典型个例包兰铁路沙坡头段防沙体系1.流动沙漠2.草方格固沙3.种植沙生植物4.人工植被形成5.苔藓类6.草本植物一、防沙工程典型个例流沙固定过程塔里木石油公路工程防沙体系一、防沙工程典型个例二、目前存在的主要问题1、戈壁风沙流防治相对薄弱2、草方格固沙障尺度仍存在分歧。3、目前防沙工程材料成本高、非环保、寿命短及施工难。三、研究取得的某些结果1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义2、草方格固沙的基本原理3、防护体系宽度确定4、防沙新材料新工艺研究进展1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义野外观测场鸣沙山敦煌绿洲三危山党河冲积扇鸣沙山边缘沙丘莫高窟砾质戈壁沙砾质戈壁沙砾质戈壁沙质戈壁N过境戈壁风沙流结构的象鼻效应1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义野外实测0510152025303540024681012141618202243211.u=6.4m/s2.u=8.0m/s3.u=9.8m/s4.u=11.9m/s高度(cm)输沙率(gcm-2·min-1)输沙率随高度分布的野外实测结果戈壁风沙流结构风洞实验1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义1020304050600.000.050.100.150.200.25v=8m/sA输沙率/gcm-2min-1高度/cm1020304050600.00.51.01.52.0v=12m/sB输沙率/gcm-2min-1高度/cm1020304050600246810v=16m/sC输沙率/gcm-2min-1高度/cm1020304050600246810121416182022v=20m/sD输沙率/gcm-2min-1高度/cm戈壁风沙流结构的风洞实验结果1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义莫高窟顶鸣沙山动态鸣沙山高程变化纵断面1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义窟顶阻沙栅栏防沙墙1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义莫高窟月风向极点图1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义敦煌莫高窟风沙危害综合防护体系布局1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义鸣沙山边缘沙丘砾质戈壁沙砾质戈壁沙砾质戈壁沙质戈壁N敦煌莫高窟崖顶防沙栅栏设置及其保护效益监测断面的平面配置图（1：2000）尼龙网沙障导沙功能传统的阻沙沙障1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义栅栏防护体系不同部位的积沙形态1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义莫高窟洞窟栈道积沙量月际变化1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义沙山前沿阻沙、平沙地固沙、戈壁输沙综合防护体系1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义●与沙漠风沙流不同，戈壁风沙流输沙量随高度分布表现出独特的“象鼻”效应；●与沙漠风沙流不同，戈壁风沙流结构特征值λ远大于1，不论风速多大，风沙流都处于未饱和状态的非堆积搬运状态；●戈壁地带实际上成为鸣沙山及其前缘沙丘向莫高窟移动的天然输沙场，抑制了鸣沙山前缘沙丘的前移，从而解释了敦煌莫高窟千年来不被沙山埋没的谜底。提出了适用于莫高窟地区的以输为主、固阻结合的综合防沙体系。●在风沙防治工程实践中，采用砾石压沙措施，构造类似与砾质戈壁的下垫面，人工促使风沙流结构呈现“象鼻”形状，可使防沙工程达到理想的输导作用。1、戈壁风沙流结构特征的发现及其工程意义2、草方格固沙的基本原理野外观测场0.5×0.5m2沙障防沙过程观测扎设初期后期中期2、草方格固沙的基本原理1.0×1.0m2沙障防沙过程观测后期初期中期2、草方格固沙的基本原理后期初期中期2、草方格固沙的基本原理2.0×2.0m2沙障防沙过程观测1.0×1.0m21.5×1.5m22.0×2.0m2不同规格的格状沙障凹曲面的形成2、草方格固沙的基本原理0246810121416812162024蚀蚀蚀(m)蚀蚀(m)2001.5.5-6.272001.5.5-9.122001.5.5-2002.2.12001.5.5-2002.4.10.5×0.5m202468101214-30-20-1001020蚀蚀蚀(m)蚀蚀(m)2001.5.5-6.272001.5.5-9.122001.5.5-2002.2.12001.5.5-2002.4.11.0×1.0m20246810121416-10-505101520蚀积量(m)距离(m)2001.5.5-6.272001.5.5-9.122001.5.5-2002.2.12001.5.5-2002.4.12.0×2.0m2麦草格状沙障的蚀积量变化2、草方格固沙的基本原理1M草方格剖面图-20-10008.918.42937.748.557.769.479.790.8100剖面宽度(cm)高差(cm)2m草方格剖面图-25-20-15-10-50025.745.566.384.1101.4121.8138.6160.2180.3200剖面宽度（cm）高差（cm）H/S=13.3/100（1:7.52)H/S=12.3/100（1:8.1)2、草方格固沙的基本原理粘土方格网剖面图-30-25-20-15-10-50025.745.566.384.1101.4121.8138.6160.2180.3200剖面宽（cm）高差（cm）H/S=13.4/100（1:7.5)2、草方格固沙的基本原理格障沙障凹曲面示意图12HLtg2、草方格固沙的基本原理2、草方格固沙的基本原理草方格规格0.5×0.5m21.0×1.0m21.5×1.5m22.0×2.0m238.721.814.611.3不同规格草方格角大小●格状沙障防沙的主要机理在于障内形成较为稳定的凹曲面。这些凹曲面组成的有规则的波纹状下垫面，起着一种小型浅槽的升力作用,使过境风沙流可以顺利通过。●格状沙障所形成稳定凹曲面其深度和宽度比基本上保持在1/7~1/8之间。分析表明，这种比例关系的形成与沙子休止角有关。●从各种规格沙障的蚀积量变化来看，1.0×1.0m2沙障蚀积量变化范围不大,既有堆积也有风蚀;2.0×2.0m2的格状沙障以风蚀为主;而0.5×0.5m2的沙障以积沙为主，而且由于沙埋很快失去防护功能。2、草方格固沙的基本原理3、防护体系宽度的确定●防护体系宽度是防沙实践中一个敏感问题，由于受沙源分布特征、下垫面性质、沙害类型、防沙措施等影响，目前仍没有好的办法来解决。但工程建设又急需要给一个估算。●从能流物流原理出发，我们运用最大可能输沙量的概念解决这一难题。3、防护体系宽度的确定Q=8.95×(V-Vt)1.9Vt=5.0m/s∑QN=QN-QS+(QNE+QNW-QSE-QSE)cos45°+(QNNE+QNNW-QSSE-QSSW)cos22.5°+(QENE+QWNW-QESE-QWSW)cos67.5°∑QW=QW-QE+(QNW+QSW-QNE-QSE)cos45°+(QWNW+QWSW-QENE-QESE)cos22.5°+(QNNW+QSSW-QNNW-QSSE)cos67.5°22()()NwQQQrhQDNDW防沙体系宽度确定过程3、防护体系宽度的确定●研究表明，腾格里沙漠南缘包兰铁路沙坡头段风沙危害主要来自格状沙丘副梁，沙丘主梁移动缓慢，根据最大可能输沙量计算副梁最大可能平均移动速度为0.527m/a。●因此，包兰铁路沙坡头段按100年防护年限计算。防沙体系最小宽度应为52.7m。3、防护体系宽度的确定4、防沙新材料新工艺研究进展海防前线风沙危害在特定风速（10m/s）下不同孔隙度经编塑料方格网沙障的防沙效益实验4、防沙新材料新工艺研究进展0246810121416182001020304050不同高度层沙粒质量百分数(%)距沙床面的高度(cm)障前障后B＝30％~40%0246810121416182001020304050不同高度层沙粒质量百分数(%)距沙床面的高度(cm)障前障后B＝55％~65%孔隙度30－40％经编塑料方格网沙障流场草方格流场4、防沙新材料新工艺研究进展4月8日方格网剖面图-15-10-50017.53443.651.868.286100剖面宽度(cm)高差(cm)8月1日方格网剖面图-15-10-50017.53443.651.868.286100剖面宽度(cm)高差(cm)H/S=13.36/100（1:7.4)H/S=13.2/100（1:7.6)4、防沙新材料新工艺研究进展经编塑料方格网沙障凹面形成过程经编塑料方格网沙障在海军某基地的应用4、防沙新材料新工艺研究进展海岸武器装备防沙工程HDPE风沙障在沙坡头地区的应用4、防沙新材料新工艺研究进展HDPE风沙障在民勤地区的应用4、防沙新材料新工艺研究进展防浪固沙障（海岸军事装备）4、防沙新材料新工艺研究进展草方格流场防浪固沙障流场4、防沙新材料新工艺研究进展4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状图三、悬挂混凝土块透风挡沙栅栏图四、钢筋混凝土板透风挡沙栅栏4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状图五、活动板式透风挡沙栅栏图六、旋转板式透风挡沙栅栏4、防沙新材料新工艺研究进展青藏铁路风沙危害及防治现状图二、横格式百叶窗挡沙栅栏图一、直立式百叶窗挡沙栅栏附图：混凝土骨架方格沙障及各种挡沙栅栏结构示意图改性多孔固沙石膏板（青藏线）4、防沙新材料新工艺研究进展在防沙新材料新工艺方面，已申请国家发明专利2项，实用新型专利3项（已批准1项）四、今后工作设想●防沙工程原理研究●重大防沙工程环境效应研究●低成本、可降解、环保型固沙障研制●低成本、环保型化学固沙材料研制●沙害防治措施计算机应用程序的开发与研制谢谢