沙漠地区公路路基合理断面型式研究报告简本

西部交通建设科技项目

合同号：2001 318 797 02

沙漠地区公路路基合理断面型式研究

报告简本

新疆交通科学研究院

2004年12月

中 文 题 名 英 文 题 目 交 通 编 号 单 位 编 号

分 类 号第一完成单位

沙漠地区公路路基合理断面型式研究

Study on Suitable Cross Section Type of Desert Highway Subgrade

项目来源 合同号 项目起止年限

交通部科技教育司 2001 318 797 02

2001年6月至2004年12月

刘 涛（研究员）

报告撰写人

陈 杰 (高级工程师) 黄 勇（(硕士、工程师）

新疆交通科学研究院 刘 涛 （研究员）

项目负责人

席元伟 (高级工程师) 张尚昆 (高级工程师) 陈 杰 (高级工程师)

黄 勇 （(硕士、工程师） 金昌宁 (副研究员) 谢海巍 （工程师） 张永华 （助理工程师） 扬三强 (硕士) 韩树峰 (高级工程师) 李 钰 （助理工程师） 张天华 （工程师）

项目主要参加人

刘玉璋 (高级工程师) 马淑红 （研究员） 王亚军 (高级工程师) 李 芳 (博士) 彭世古 (高级工程师) 伍大洲 (副研究员) 谭 芳 (教授) 杨佐涛 （工程师） 罗 静 （工程师） 李 宏 （工程师） 陈顺三 （工程师）

主 题 词 关 键 词

沙漠公路 路堤断面 路堑断面 边坡度 路基高度 沙漠 公路 路基 横断面 边坡

摘 要

《沙漠地区公路路基合理横断面型式》的研究是交通部西部交通建设科技项目《沙漠地区筑路成套技术研究》中的一个子项目，该项目的研究目的是要解决在流动、半固定及固定型沙漠中修建沙漠公路时选择合理的路基横断面型式，使建成的公路路基既具有良好的输沙性能，将沙害减少到最低限度，又具有适当的工程经济性能，将工程造价维持在一个合理的范围内。

基于上述目的，该报告分从三个方面叙述了研究过程，第一方面，分析了我国西部地区三类沙漠中现有的沙漠公路路基横断面使用状况，利用数理统计的方法确定了所调查各类断面坡度的均值分布区间，验证了路基设计规范相应指标的合理性。第二方面，在定性分析了由风洞试验完成的大量各种类型路基断面的流场图基础上，提出了弱风区面积、阻沙性能指数等指标的定义和计算方法，并用这些指标建立了路基的阻沙性能随路基边坡变化的数学模型—性能模型。第三方面，在详细计算了不同断面型式下路基工程造价、养护费用的基础上，建立了工程费用随路基边坡变化的数学模型—费用模型。

在上述工作的基础上，报告叙述了求解已知路基高度下的性能模型和费用模型的根，获得了对应的费用、经济合理的断面坡度，并结合第一方面工作成果确定出最终的合理断面型式的全过程。

关键词：沙漠 公路 路基 横断面 边坡度

Abstract

The Study on the Highway Subgrade Suitable Cross Section Type in desert district is one of branch project of Study on Complete Technique on Desert Highway Construction which is Western Traffic Construction Science and Technology Project set up by Ministry of Communications P.R.China. This project aims how to choose suitable subgrade cross section type while constructing highway in fluid-type desert, half-fixed type and fixed-type desert, in order that highway built subgrade has not only good capability performance for sand crossing, but also suitable engineering economy index in order to keep project price at a reasonable range.

Based on the above aim, this report is composed of three aspects. First, it analyses application status of present desert highway subgrade cross section gradient among the three types desert in China Western District，and confirms average value distributive areas of each type cross section indexes investigated by the method of Arithmetic Theory Statistics, and testifies rationality of these indexes in Standard Specification for Design of Highway Subgrade. . Secondly, based on the qualitative analysis of wind-tunnel experiments, the report analyzes quantificationlly a large amount of different type flow field diagrams of subgrade cross section, and brings forward definition and calculating method of the weak wind area and the performance index of obstructing sand of subgrade cross section and so on. Meanwhile, it states the method that these indexes are used to build arithmetic model (quality-model) reflecting the changes of obstructing sand performance of highway subgrade with subgrade cross section gradient. Thirdly, an arithmetic-cost model reflecting changes of project price with subgrade cross section gradient is built based on the analyzing fabrication cost of the project and maintained cost of different cross section type in detail,

On the basis of the above work, the report recounts the process acquired suitable cross section types.

Key words: Deserts; Highway; Subgrade; Cross section; Slop gradient

目 录

0引言………………………………………………………………1 1 项目研究概况……………………………………………………1 1. 1 研究内容……………………………………………………1 1. 2 研究目标……………………………………………………1 1. 3 研究技术路线………………………………………………1 1. 4 实施方案……………………………………………………2 2研究成果………………………………………………………3 2. 1 主要研究成果………………………………………………3 2. 2 在研究成果中，有所突破的关键技术…………………3 3试验与分析……………………………………………………3 3．1沙漠地区公路路基使用状况的调查与分析……………3 3. 1. 1 三类沙漠地区公路路基横断面使用现状调查……4 3. 1. 2 调查数据分析………………………………………4 3. 2 风洞试验及数据分析……………………………………4 3. 2. 1 试验内容……………………………………………4 3. 2. 2 试验数据分析………………………………………5

3.2.2.1 绘制流场分布图进行各因素对路基横断面阻沙性能的定性分

析

…

…

…

…

…

…

…

…

…

5

3. 2. 2. 2 路基试验结果的定量分析…………………7

3. 3 依托工程观测与分析……………………………………9 3. 3. 1 依托工程横断面观测方法…………………………9 3. 3. 2 观测数据分析和阻沙性能指数修正系数的提出…11 3. 4 路基工程经济性分析……………………………………11 3. 5 沙漠地区合理断面型式推荐……………………………12 4 主要研究成果…………………………………………………14 5 应用前景………………………………………………………14

0引言

我国在沙漠地区已有近十年修筑沙漠公路的成功经验，但迄今为止尚无一整套适用于各类沙漠地区各种等级公路的建设技术，《沙漠地区筑路成套技术研究》项目正是在这一背景下立项的。《沙漠地区公路路基合理断面型式的研究》则是上述成套技术项目11个子项目中的其中之一。以往对于沙漠地区公路路基的横断面型式也做过相应的研究工作，在《公路路基设计规范》中的有关章节也提出了相应的边坡指标，但主要是针对二级以下的公路，目前这些指标在使用了多年以后是否合适，尚有待于验证；此外针对各类沙漠地区二级以上的公路设计则有待于确定合理的边坡型式及合理的中央分离带型式。

1 项目研究概况

1.1 研究内容

1） 调查与观测不同沙漠形态地区路基断面对沙害形成及其影响 2） 通过理论分析试验等，研究不同路基横断面型式与沙害的关系 3） 推荐不同沙漠地区合理路基断面型式 1.2 研究目标

1） 三种类型的沙漠地区公路在不同高度路堤、不同高度路堑情况下所对应的路基横断面各项几何指标。

2） 沙漠地区公路路基设计指南 1.3 研究技术路线

技术路线可用图1-1表示。

图1-1 研究技术路线图示

1.4 实施方案

1）采用专业查新及与内蒙等协作单位联合调查的方法，进行国内外现状和西部地区各类型沙漠公路路基横断面现状的调研，做到资料共享。

2）与中科院寒旱所协作进行风洞试验的方案的拟定及试验资料的共同分析研究以求在路基横断面阻沙性能的方法上获得突破。

3）与新疆气象工程中心协作进行依托工程的观测及观测资料的分析研究，达到验证室内风洞试验，获得相应的模型修正系数的目的。

4）研究路基工程造价和养护费用与路基断面型式的关系，探讨其经济合理性。 5）综合分析路基横断面的阻沙性能、经济性能及野外调查结果，推荐出合理断面型式。

2．研究成果

2.1 主要研究成果

课题组经过三年多时间的辛勤工作，获得了如下成果： 1） 国内外沙漠公路筑路技术在该领域内的最新进展情况。

2） 调查分析了西部三类沙漠地区各种公路路基横断面型式的使用状况及与现有《公路路基设计规范》中的相关规定指标的适应情况。

3） 通过对室内风洞试验数据的系统分析和对三类依托工程实体的现场风沙流观测与分析，获得了定量评价各类型横断面的输沙能力的理论计算方法及其修正系数。

4） 分析了沙漠路基横断面参数与建设养护费用的关系。

5） 兼顾公路路基横断面输沙效果和建设、养护的经济性两方面因素，提出了沙漠地区公路路基合理的横断面型式。 2.2 在研究成果中，有所突破的关键技术

1） 提出了采用路基横断面阻沙性能指数来定量分析路基横断面阻沙性能的方法。

2） 提出了描述路基横断面阻沙性能的数学模型及实际修正系数。

3） 提出了兼顾性能、费用及实用性三方面特点的确定沙漠地区公路路基合理横断面型式的新模式和三类沙漠地区公路路基合理横断面型式的成果。

3．试验与分析

3．1沙漠地区公路路基使用状况的调查与分析

3.1.1 三类沙漠地区公路路基横断面使用现状调查

课题组于2002年7月至9月进行了不同类型沙漠地区公路横断面的调研勘察，调查范围覆盖新疆、内蒙、陕西、宁夏等省区的流动型、半流动型及固定型沙漠、沙地。调查的路基包括路堤、路堑和半填半挖三种路基型式，调查的具体内容有路线名称、路段桩号、路基高度、路基横断面坡度、路面宽度、积沙带宽度、沙害状况、路线方位角、与主风向夹角以及有关建设年限、防护情况等方面的信息，如图3-1。

图3-1 调查路基横断面图示

3.1.2

调查数据分析

1）调查数据分布

规律的检

验：采用数理统计方法中χ2拟

合优度对获得数据进行分布规律的检验，发现其符合正态分布。

2）按正态分布计算三种类型沙漠地区公路不同高度（深度）的路基横断面坡度及积沙平台宽度的均值的分布区间，如表3-1。

3）评价原路基设计规范相关指标与调查指标的适应情况。 3.2 风洞试验及数据分析 3.2.1 试验内容

1) 路基横断面模型的流场试验

改变路基横断面形式、路基高度、边坡坡度、风向夹角、洞口风速等因素，测定不同组合时，通过路基模型的气流分布场。

表3-1 三类沙漠地区公路路基横断面边坡度调查表

沙漠 类型

路堤高度(m) 0.5 0.5~1.0 >1.0 0.3~0.5 1.0 0 ≤1.0 ＞1.0

路堤横断面边坡 规范值 1:6 1:8 1:3 1:5 1:7 1:3 1:4 1:2

1:2.1 1:8 1:2~ 1:3

1:2 ≤1:8 1:2~ 1:8

＞1.5

调查值的95%置信区间 1:7.3 1:5.4~1:2.3 1:4.3~1:2.6 缓于1:2

调查推荐值 1：5 1：4 1：3.5 缓于1:2

＞1.5 路堑深度(m)

路堑横断面边坡 规范值1:10~ 1:41:4~1:1.5~ 1:41:4~1:1.5~ 1:41:4~1:1.5

调查值的95%置信区间1:5.84~ 1:1.961:3.20~ 1:2.51缓于1:3 1:3.20~ 1:2.11:8 1:4 1:2

调查推荐值

积沙带宽度(m) 查推荐值

规范值

流动型沙漠 半固定型沙漠 固定型沙漠

≤1.5

1:6~ 1:4 1:4~ 1:2.5缓于1:3 1:3~ 1:2 ≤1:81:8 1:4

2.06~1.44 -

2~4

≤1.5 ＞1.5

-

3.8

4~22~4 .12

≤1.5 h＜6.0≥6.0

2~3 1~2

4~6 3~4

2~4

2) 路基横断面模型的积沙试验

在上述试验组合中，选择若干种组合进行风积沙的实体试验，尤其针对高速路不同的中央隔离模式进行，优选出隔离效果好阻沙少的断面型式，试验如图3-2。

3) 试验结果（试验组数在335组，共采集43000个数据） 3.2.2 试验数据分析

3.2.2.1 绘制流场分布如图3-3，进行各因素对路基横断面阻沙性能的定性分析

1) 路堤的流场随着边坡度的变缓而趋向于对称路基中心线分布。边坡度较陡的

路堤路肩产生风蚀，背风侧弱风区面积较大，随着坡度变缓，风蚀强度减弱，背风侧弱风区面积减少 。

图3-2 路基横断面风洞试验

图3-3 路基横断面流场分

布图 2) 路堤高度产生的弱风区域长度约为在迎风侧为路堤高度的3~5倍；在背

风侧弱风区域的长度为路堤高度7~10倍,弱风区面积均随着高度的增加成比例增加。

3) 不同宽度条件下的流场分布情况极为相似，但 24m宽路堤较12m 宽路堤的迎风坡肩和背风坡肩速度有所提高，因而12m 宽路堤所形成的弱风区域比24m 宽路堤的长5h 的长度。

4) 随着风向与路线夹角地增大，迎风侧和背风侧风速均有减弱趋势，迎风侧弱风区区域变化不大，但背风侧弱风区域明显增长。

5) 设置防撞护栏中央隔离带后，迎风侧影响区增长近10倍的路堤高度，弱风区域面积增大；路中央的隔离带前后的路面范围内形成小范围弱风区域，同时在背风侧形成更大范围的影响区域，其长度增长15倍路堤高度以上，弱风区长度也将增长5倍的路基高度。

6) 当隔离带形式从完全封闭式过渡到完全透风式，路堤流场的影响范围在逐渐缩短，也即弱风区面积在逐渐缩小。因此中央分隔带的形式宜采用疏透形式，在防撞

栏间不种植任何植物，最好采用钢丝绳式的隔离栏。

7) 中央设6m 宽和12m 宽分离带的分离式路基的流场与24m 宽整体式路基的分布形式接近，尤其是迎、背风坡弱风区面积很相似，仅在分离带中央有微小差别，因此分离式路基的中央隔离带宽度主要从行车安全角度选用。

8) 随着路堑边坡地变缓，路堑逐渐形成浅槽效应，当路堑顶口宽与其深度之比介于10～25时，就会形成较强的浅槽效应，此时路堑内的弱风区趋于零，积沙量的可能性进一步减少。

9) 随着路堑深度地增大流场趋于路中心位置对称，坡脚弱风区在逐渐增大，说明路堑的输沙能力减弱、阻沙能力在逐渐提高。

10) 随着交角地减小，通过路堑的流场趋于对称，背风侧的堑坡底的弱风区面积在逐渐减小，路堑内积沙的可能性在减小。

11) 随着路堑宽度地增加，路堑内流速增大，弱风区面积减少，阻沙能力在减弱。 3.2.2.2 路基试验结果的定量分析

1) 基于定性分析结果提出了定性分析指标

弱风区面积：路基两侧规定范围内平均风速低于6m/s的区域，用Q 表示；路堤计算图示如图3-4，路堑计算图示如图3-5，计算公式如式

3-1。

图

3-4 路堤弱风区面积计算示意图

图3-5 路堑弱风区面积计算示意图

Q =∑Z i ×X i (3-1)

i =1

⎛u ⎞⎜⎟+lg Z 0⎜5. 75u ⎟

*⎠ =10⎝

n

式中：流场中6m/s对应的高度Zi ： Z i

X i ：Q值计算范围内某两测点间的距离，为路堤高h的倍数(m) 阻沙性能指数：弱风区面积与0.3m 过沙面积之比，用r 表示。

Q

r =D (3-2) 式中：Q：为确定类型的横断面弱风区面积(m2)，由3-1公式计算； D：为弱风区计算区域内30cm 高度以下面积，可按下式计算：

路堤：D

=15×h ×0. 3+(b +h ×i ) ×0. 3

路堑：D =0. 3×(b +2×h ⋅i )

2) 阻沙性能指数r 与路堤边坡度i、路堤高度h 的关系: 回归分析发现：

(1) 阻沙性能指数r 在相同路基高度或深度条件下，随路基边坡度的变化呈现负指数变化（路堤、路堑相同）：

r =A ⋅e −B ⋅i (3-3)

式中：r ：阻沙性能指数，i ：为边坡坡度。A 、B 为回归系数。

(2) 路堤阻沙性能指数r 在相同边坡度条件下，随路堤高度的变化呈现下述函数变化：

r =A 1⋅e B 1⋅h (适用于1：1.5 边坡) (3-4)

r =A 1⋅h +B 1 (适用于1：1.3、1：6 边坡) (3-5)

式中：r ：阻沙性能指数，h 为路堤高度（m ）。A 1 、B 1为回归系数。

(3) 路堑的阻沙性能指数r 与路堑深度的关系受路堑宽度影响： 在24m 宽度条件下，有如下函数关系：

r =A 1⋅e

B 1⋅h

（3-5）

式中：阻沙性能指数r ，h 为路堤高。A 1、B 1为回归系数。

在12m 宽度条件下，路堑的阻沙性能指数r 与路堑深度h 所表现出的关系，很难用一种简单的数学模型来描述，是随深度变化的驼峰状曲线，如图3-6。

3.3 依托工程观测与分析 3.3.1 依托工程横断面观测方法

图3-6 12m路堑不同交角不同边坡阻沙性能趋势

采用由6套风向风速传感器、2套集沙仪、风向风速传感器和数据采集仪及监测

车内计算机接受设备构成的路基流场观测设备如图3-7进行依托工程现场观测，观测指标是每个断面上各观测点上0.05m 、0.5m 、1.0m 、2.0m 、3.0m 、5.0m 六个高度上的风向风速以及0.5m 高度以下集沙量和风向风速，观测图示如图3-8。

图3-7 依托工程观测设备

A －迎风坡沙地：B －迎风坡坡脚：C －迎风坡路肩：D －面中心：

E －风坡路肩：F-背风坡坡脚G －背风坡沙地

图3-8 依托工程观测点图示

3.3.2 观测数据分析和阻沙性能指数修正系数的提出

1) 与室内风洞试验及结果的定性对比分析：在路堤高度、路堤边坡相近的情况

下，实地观测的流场与室内风洞试验绘制的流场图基本相同，不同之处在于实地观测时最大风速远大于12m/s，使得流场变化更趋激烈。其它观测的路堤、路堑断面也都有类似趋势。

2) 定量分析获得修正系数：计算观测断面的r 值，并与风洞试验类似断面对比，求解路堤、路堑修正系数Kp(d)、 Kp(q)。

(3-6)

式中：Qp(d)、Qp(q)：分别为路堤、路堑流场弱风区面积(m2)

Dp(d)、Dp(q)：为30cm 主要输沙层面积(m2) r(d)、r(q) ：为相似断面风洞试验阻沙性能指数 rp(d)、rp(q)：为实测断面阻沙性能指数

3.4 路基工程经济性分析

1）分析指标工程造价指数V：在某一路基高度（或深度）上，当边坡度i 从1.5递增到8时，每个坡度的工程造价F 相对于1.5坡度工程造价的增量与1.5坡度路基工程造价之比：

V 1j =

F 1j −F 11

F 11

×100%(j =2, 3, ⋅⋅⋅, 8) (3-7)

式中：V1：为路堤（路堑）工程造价随坡度增加的比率（%）， F11：为坡度1：1.5 对应的路堤（路堑）工程造价（元/千米），

F 1j ：为坡度1：j 对应的路堤工程造价（元/千米）。 F 11、 F1j ：均可按下式计算：

F 1=K 1⋅e K 2⋅i (3-8)

2) 路堤工程造价指数与边坡度i 的关系：回归分析每个高度上各边坡对应的造价指数V1与边坡i 的关系，发现两者表现出二次抛物线的函数关系：

V 1=K 3⋅i 2+K 4⋅i +C 1 (3-9)

式中：V 1：为每个高度上的工程造价指数（%），K 3、K 4：为回归系数，i 为路堤边坡

度（例如路基边坡为1：3时，i 值为3，以此类推），C 1为常数。 3.5 沙漠地区合理断面型式推荐

+

图3-9 合理断面推荐方法

按图3-9的合理断面推荐模式将阻沙性能指数r和工程造价指数V进行归一化处理，以实现量纲的统一，然后求解相同路基高度或深度上两模型构成的方程组，求解的根即为合理的断面坡度，也可采用如图3-10的图解法求解断面坡度。结合实际调查的结果可以推荐出沙漠地区公路路基合理的断面型式，如表3-2(其它沙漠类型省略)：

图3-10 图解法图示

4 主要研究成果

1) 获到了原《公路路基设计规范》中有关沙漠地区路基横断面指 标的适应情况，并推荐了适宜的横断面指标。

2) 提出了定量分析路基横断面阻沙性能指数r及其计算方法。

3) 研究揭示了路基不同高度（或深度）的阻沙性能指数r 随路堤边坡度i 的变化规律。

4) 研究揭示了路基不同边坡度的阻沙性能指数r 随路堤高度h 的变化规律。 5) 揭示了沙漠地区公路建设、养护费用随公路路基的坡度、高度等几何参数的变化规律。

6) 获得了综合考虑阻沙性能、工程造价及实际调查成果三方面因素的沙漠地区公路路基合理断面型式。 5 应用前景

未来十年我国计划向西部投入6200亿元修建3900千米的国道主干线、8条省际区域路网及重要省干线约1万千米、国防公路19.2万千米的。此外投入900亿元修

建乡村通达公路15万千米。在这些建设计划中有相当数量的项目是位于总面计达128.3万平方千米沙漠地区及相邻的荒漠地区。因此可以预见本项目研究成果将有广阔的应用前景。