机械防沙体系防沙功能的衰退过程

作为一种十分有效的防治流沙的方法,机械防沙体系在防止风沙前移显示出很大的优越性,其目的就是要把流沙滞留在体系内,体系在发挥其功能的同时也是逐步丧失其功能的过程。在平坦地形条件下,草方格沙障积沙是从前沿向纵深发展的。在复杂地形地貌条件下,流沙的堆积具有不平衡性,且积沙形式多样。无论积沙形式如何,都有整体向前推进的趋势。阻沙栅栏的积沙形式因材料及孔隙度的大小而异,阻沙栅栏在初期时,可以拦截较多的沙量（75%）,草方格固沙带只承担25%的积沙量,随着时间推移,阻沙栅栏的效益逐渐降低,草方格固沙带则要承担较多的积沙量。从阻滞的沙量来看,一道栅栏阻拦的沙量至少等于40行草方格滞留的沙量,在工程实践中应优先考虑栅栏的应用。     

不同坡角公路路基流场的风洞实验

根据内蒙古S315一级公路黑风口路段风沙危害现状,基于风洞模拟实验,采用毕托管测定不同坡角路基模型断面的风速,通过对流场分布、风速廓线及风速减弱率的分析探讨沙漠公路风沙危害的形成机理。结果表明：坡角对路基两侧的积沙范围和风蚀强度有重要影响。风速一定时,坡角越大,路基两侧积沙范围越大,与之对应的防护范围也应加大。路基坡角一定时,路基背风侧积沙范围随风速增大整体可能呈扩大趋势,坡角越大,扩大趋势越不明显,导致大量沙粒堆积在背风坡脚附近,这就需在坡角较大的公路背风侧多设置几道阻沙栅栏和固沙方格来降低风速、防治沙害。风沙流对迎风坡脚和迎风坡肩的风蚀作用最强,在实际应用中,应重点对这两个部位进行工程砌护,以防路基塌陷造成交通事故威胁公路安全运营。     

库布齐沙漠HDPE网和植物纤维网沙障防沙试验效应

在库布齐沙漠流动沙丘区建立HDPE网和植物纤维网工程沙障试验区,采用MetOne 014A/024A型8通道风速仪、8方位集沙仪、风蚀插钎,观测试验沙障影响下的风速、输沙量和地表侵蚀堆积,对比分析不同规格HDPE网、植物纤维网方格沙障和HDPE网前沿高立式阻沙沙障的防风固沙效应。结果表明：（1）一定孔隙度（50%）的方格沙障中心风速垂直变化幅度与变化规律,仅与沙障平面规格和高度（h）密切相关,与试验材料基本无关。相同平面规格的方格沙障,高度（h）大者降风效应显著;相同高度的方格沙障,小规格降风效应较为显著;（2）试验沙障及其防沙体系对风沙流输沙产生明显影响,相近地貌部位,5.0m×5.0m（h=100cm）植物纤维网方格中心输沙量远小于1.0m×1.0m（h=20cm）HDPE网方格和流动沙丘区,大规格高立式沙障固沙效应优于小规格低立式沙障;（3）试验沙障的地表侵蚀堆积状态仅与沙障规格有关,沙障材料的影响不明显。     

两种典型高等级公路路基断面风沙过程的风洞模拟

高等级公路路基中央构筑物不同，对路基断面风沙输移-堆积过程产生的影响不同。选取两种典型高等级公路路基，对其风沙输移-堆积过程进行了风洞模拟试验。结果表明：当路基模型高度为4 cm（路基模型与实际路基比例为1∶100）时，随着风速增大，防眩板路基背风侧积沙范围增大较为明显；在相同风速条件下，防眩网路基两侧积沙范围较大，对应的工程防护范围也应较大。当路基模型高度为8 cm时，防眩网路基路面积沙较多，背风侧积沙范围较大。路基越高，相应的工程防护范围应设置的较大一些，并加强对路基迎风坡的维护。建议在两种高等级路基背风侧5H（H为路基高度）以外范围增设风沙防护设施，尤其是防眩网路基，防止沙粒堆积被反向气流携带上路，影响交通安全。防眩板路基背风坡沙物质积累较多，为了防止背风坡积沙变成二次沙源危害道路行车安全，防眩板路基背风侧也需重点防护。在主风向单一的沙漠地区，高等级公路路基中央隔离带的防眩设施宜选择防眩板。     

半隐蔽式草方格沙障凹曲面形成的流场解析及沉积表征

利用野外风沙观测、沉积物粒度分析和等比例实体草方格风洞流场模拟,解析了草方格沙障内部凹曲面形成的风沙流场过程。草方格分别作为疏透沙障和地表粗糙元对贴地层和近地层风沙流具有不同的影响：床面蚀、积分布和方格中心凹曲面的形成发展,以及沉积物粒度变化,取决于草带之间的贴地层流场分布格局以及草带对风沙流中固体物质的截留;近地层风力普遍受到草方格粗糙元的削弱,促进了沙面稳定。高风速下输沙率垂向分布的“象鼻”结构,体现了草方格对促使风沙流结构变异、形成和维持草方格凹曲面的重要性。沙丘不同部位草方格沉积物粒度分布模式不同,显示沙丘部位也是影响草方格内部流场的一个因素,以迎风坡中部最有利于方格内凹曲面的形成。     

不同下垫面对风沙流特性影响的风洞模拟研究

通过对戈壁、草方格和流沙地表风沙流特性的风洞模拟实验,探讨不同性质下垫面对风沙流结构和风沙活动层风速廓线的影响,从而为野外工程防沙的优化设计及其应用提供理论依据。实验结果表明：戈壁地表风沙活动层主要集中在距地表20cm高度范围内;由于沙颗粒与戈壁地表的砾石发生碰撞．输沙率随高度的分布不再简单的遵循对数关系,其极值出现的高度随风速的增加而上移。由于草方格构成的下垫面复杂多变,其对风沙流结构与风沙活动层风速廓线的影响很难确定。但对于特定的下垫面,在不同风速下．同一高度层含沙量具有很大的相关性。     

极端干旱地区清绿线K170段铁路沙害机械措施治理

清绿线Ｋ１７０段铁路地处极端干旱区，植物固沙难度大，铁路沙害的治理宜采用机械措施综合防治体系。２年的防护效益观测证实，用草方格沙障固沙，２０ｃｍ高度风速可比流沙区降低７６．３％，层内输沙率仅为流沙区的０．２８％；用砾石覆盖措施固沙，相应防护效果依次为１９．０９％和０．９１％；各防护措施下的风沙流特征值Ｑ６～２０／Ｑ０～６，都达到了＞１的有效防护指标。     

敦煌莫高窟顶几种典型床面蚀积量变化过程的初步观测

通过对莫高窟窟顶自然和人工床面的风蚀、输导及堆积沙量变化的野外监测,初步观测结果表明：在偏西风作用下,自然状况下的戈壁床面阻截了来自鸣沙山40％的沙量,其余60%的沙量进入窟区;而偏东风又可将偏西风、偏南风作用下沉积于窟顶90％的沙量吹回到鸣沙山边缘。床面阻、输性质与沙源供给状况密切相关。沙源丰富时,风沙流以较饱和形式输送,易形成输沙床面性质;沙源匮乏时,风沙流多以不饱和形式输送,形成阻沙-输沙床面性质。砾石直径较大（＞4 cm）的床面主要呈现堆积性质,对偏西的风沙流阻滞功效比较明显,每100 m阻沙率可达45％;偏东风作用下,每100 m阻沙率可达19％; 而砾石直径较小（1 cm）的床面,主要以风沙输沙功能为主,是一个非堆积搬运床面。     

复膜沙袋阻沙体与芦苇高立式方格沙障防沙机理风洞模拟实验

模型按1:10比例尺设计,在u_∞=7.0 m·s^-1、u_∞=10.0 m·s^-1和u_∞=15.0 m·s^-1实验风速下,先在纯气流作用下测定流场结构,然后在风沙流作用下测定蚀积状况。实验结果表明:紧密型、疏透型和通风型3种不同结构的复膜沙袋阻沙体前近处分布有拐角阻滞绕流区、阻沙体顶下方抬升加速区、阻沙体后回流区、阻沙体后贴地层低速回流区等流场特征结构,紧密型、疏透型两种类型复膜沙袋阻沙体防风阻沙效果显著;2.5 m×2.5 m、5 m×5 m和10 m×10 m的高立式芦苇方格前沿流速逐渐增大,最大值出现于迎风第一格上空,而后逐渐阻滞减速,至15~20 m处趋于稳定,区内积沙均匀。复膜沙袋阻沙体与原状芦苇高立式方格沙障适宜于流动性沙漠地区各种设施的沙害防治工程。     

内蒙古大塔-何家塔铁路风沙路基综合防护体系

内蒙古大塔-何家塔铁路全线风沙路基长61.5 km，占正线长度的48.7%，风沙危害已严重威胁到线路的正常运营，并制约了区域矿产资源的外运。通过对当地气候条件、植被类型、沙丘分布等因素的调查，确定了植物防护和工程防护相结合的综合治理方案。选用沙柳、柠条、杨柴、胡杨多种植物，采取高立式沙障、HDPE网方格、沙柳活沙障树枝方格、水冲沙柳种植和灌木植物防护带多措施并举，在半固定沙丘和流动沙丘区段，依据风沙路基的不同危害程度，采用不同层次的风沙防护措施，构建了具有严密性、整体性的防沙体系。实践证明，活沙障与植物防护林带等措施形成了完整的绿色防护体系，阻沙、固沙作用显著，大大降低了风沙上道等危害铁路的可能性，保障了铁路的安全运营，为同类地区沙漠铁路的风沙治理工作积累了宝贵经验。     

不同沙源供给条件下砾石床面的风沙流结构与蚀积量变化风洞实验研究

通过对不同沙源供给条件下各种砾石床面的风沙流结构、床面风蚀及堆积沙量变化的风洞实验,结果表明,风沙流结构是判断戈壁风沙流饱和与不饱和的一个重要途径,不同的戈壁风沙流结构对床面输、阻沙特性具有不同的指示意义。近地表0～6 cm高度内的风沙流结构决定了床面的输、阻性质,而6 cm以上的风沙流结构反映了风力对沙物质的输送状况。沙源供给的丰富与否,决定了风沙流的饱和程度,以及风沙流在砾石床面产生的蚀积状况。同等风速条件下,饱和风沙流的输沙率是非饱和风沙流输沙率的2～8倍。在饱和风沙流情形下,床面过程总体以积沙为主,且随风力的增强,床面积沙量急剧增加。在不饱和风沙流情形下,砾石床面总体以风蚀和输送沙物质过程为主,风沙流结构在0～2 cm高度内反映出砾石床面具有明显的阻沙功能,在2～5 cm高度上出现最大输沙值。     

基于缓解沙漠高速公路风沙危害的路基参数优化——以榆靖高速公路为例

在沙漠地区修筑高速公路时,风沙对公路路基的危害是公路安全和运营的最大影响因子之一。为了寻求最适合沙漠地区高速公路风沙危害最经济的理论路基断面形式,通过对榆（林）靖（边）沙漠高速公路各种路基实测数据应用数学模型进行定量分析,查明了影响路基沙害程度的主要参数,提出了减少路基沙害程度的设计理念,并对不同路基形式的沙害程度进行了比较,给出了路基沙害程度较小的路基断面形式及参数值。研究成果对今后在沙漠地区修筑高速公路设计及施工具有一定的指导意义。     

戈壁地区公路防沙措施防沙效应的风洞试验

 以穿越河西走廊西部戈壁荒漠的嘉峪关至安西一级公路为研究对象,基于风洞模拟试验,针对不同类型公路路基横断面和防护措施设计模型,采用粒子图像测速系统,研究模型的流场变化,进而探讨戈壁公路风沙危害形成机理及防沙措施。研究结果表明:①由于研究区内风沙活动以不饱和风沙流为主,携沙风对公路路基掏蚀、磨蚀严重,需要对路基边坡进行有效砌护;②为了在公路表面形成输沙通道,中央隔离带地表与行车路面应保持同一高度,隔离带采用空隙度大于30%的疏透型;③在公路两侧沙源丰富地段,公路边坡的坡角应小于40°,并且取消防洪沟,以防止沟内积沙;④在沙源丰富地区,公路两侧由外到内依次铺设草方格、覆盖砾石、设置积沙沟的防沙带,可以减少气流中的含沙量,阻止流沙上路,有效解决公路风沙危害问题。     

不同组合间距的尼龙阻沙网积沙形态特征对比

在塔克拉玛干沙漠腹地垄间平沙地,布设了两条尼龙阻沙网水平组合防沙实验,组合间距分别为2H、5H、10H、15H（H为阻沙网高度）,一个风季中对实验设置的地形及纵断面蚀积量进行了动态观测。结果表明：（1）各尼龙阻沙网组合形成有规律的地表蚀积空间分布格局：形成以阻沙网为核心的积沙区,其上下风侧分布有较稳定的风蚀区,两条阻沙网之间存在临时的风蚀区。（2）在阻沙网前后形成与阻沙网高度相近的积沙体,在第一条阻沙网上风侧区域,积沙厚度与水平距离呈指数函数关系,在阻沙网背风侧,积沙厚度与水平距离呈二次函数关系。（3）2H和5H积沙体纵断面呈单峰状,风季中后期形似“几”字形,而10H和15H呈双峰状,风季中后期形似“M”字形。（4）阻沙网组合间距越小,积沙分布就越集中,形体越高大,反之则越分散,风季末阻沙网积沙体地形起伏度、平均坡降、积沙体积比、积沙断面面积轮廓比大小排序均为2H>5H>10H>15H。（5）阻沙网积沙体积具有随阻沙网间距增大而降低的趋势,观测断面最大积沙体积5HH>2H>15H>10H,5H、2H、15H分别较10H大13.20%、12.34%、3.78%,可见,5H防沙效果最优。     

稳态风沙流中瞬态输沙特征

风沙流中沙粒运动在来流风速不变时也会表现出非稳态特征。在风洞内利用粒子图像测速系统（PIV）测量了风沙运动的时间序列，并基于PIV测量技术提出风沙流中沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量等参数在某一时刻的计算方法，其中输沙通量的计算考虑沙粒大小垂向分布的影响。结果表明：来流风速不变时，沙粒平均直径、数密度、平均水平速度和输沙通量随时间具有明显的波动性；沙粒平均直径和平均水平速度的标准偏差一般随高度增加而增加，沙粒数密度和输沙通量标准偏差随高度增大而减小；这些参数的相对标准偏差均随高度增加而增大。     

草方格沙障尺寸分析的简单模型

针对草方格沙障防护区域内流场的特点,提出一个单排理想涡列模型,用以模拟实际风沙流场。在此基础上,利用流体力学的分析方法,给出了与目前工程实际所建议的尺寸比较吻合的草方格沙障间距(或草方格边长)与出露草头高度的对应关系。     

高密度聚乙烯(HDPE)蜂巢式沙障对土壤水分的影响

先以机械沙障固沙、再进行生物固沙，是常见的治沙模式。近年来传统材料沙障与新型材料沙障的固沙效果差异一直引人关注。用中子水分仪分别测定流沙、高密度聚乙烯（HDPE）蜂巢式沙障和半隐蔽草方格沙障内的土壤含水量，通过对比流沙和两种机械沙障铺设下的土壤含水量、土壤蓄水量对降雨的响应关系以及在植物不同生长时期下的不同土层土壤含水量变化，评价其固沙效果。结果表明：（1）两种机械沙障对土壤水分都有较好的蓄积效果，且HDPE蜂巢式沙障蓄水量高于草方格沙障（P < 0.001）；（2）在较长的干旱时间里，草方格沙障的土壤蓄水量变化比新型HDPE蜂巢式沙障滞后；（3） HDPE蜂巢式沙障和草方格沙障都有较好的保水效果，但HDPE蜂巢式沙障因高度持久的优势，保水效果更高；（4） HDPE蜂巢式沙障60~110 cm土层的土壤含水量明显高于草方格沙障土壤含水量且固沙时间越长效果越明显，从铺设中期开始HDPE蜂巢式沙障60~110 cm土层土壤含水量为7%的情况连续出现，有时部分土层会出现土壤含水量在8%以上的情况；（5） HDPE蜂巢式沙障对植物个体生长的间接作用比草方格沙障大。     

半干旱区沙地高速公路防风固沙林营造技术及其效益研究

榆靖高速公路穿越毛乌素沙地腹地,风沙对公路的危害十分严重,主要表现为风沙对路面和路基边坡的风蚀和沙埋。提出了榆靖高速公路两侧防风固沙林综合防护体系,从公路路基向外依次为平整固沙绿化带,上、下风侧带宽都为20 m;草方格沙障与植物固沙带,上风侧带宽为260～330 m,下风侧带宽为100～150 m;前沿阻沙带,设置1～1.2 m高的高立式栅栏,走向与主风方向垂直;封沙育林育草保护带,上风侧带宽为300～500 m,下风侧带宽为200～300 m。4个防护带融为一体,起到了降低风速,固定流沙的作用,发挥出强大的防风固沙效益,极大地减少了风沙对公路的危害,保证公路畅通无阻,安全运营。     

兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质垂直分布特性

跃移质作为风沙流的主体,其近地表垂直分布规律是风沙物理学的重要研究内容,对防沙工程具有重要的指导意义。受研究条件与观测仪器限制,戈壁特别是极端大风区近地表风沙流结构特性研究较为薄弱。利用多梯度风蚀传感器与阶梯式集沙仪对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究。结果表明：兰新高铁烟墩风区戈壁沙粒发生跃移运动的2 m高临界风速达12 m·s^-1;戈壁近地表风沙流具有明显的阵性特征,沙粒跃移发生的时间比例在50%以下,与平均风速成正相关关系,与风速脉动强度无显著相关关系;2 m高阵风7级风速下,戈壁跃移沙粒主要集中于地表50 cm范围内,近地表风沙流结构呈"象鼻效应",跃移质最大质量通量出现在地表2.5~5 cm高度处,沙粒最大跃移高度可达2 m,且沙粒跃移高度随2 m高风速的增加呈指数规律递增。因此,兰新高铁烟墩风区2 m高阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,是造成烟墩风区兰新高铁轨道积沙的重要原因之一。     

沙障对流沙地植被和土壤养分的影响

机械沙障是风沙防治的重要工程措施。以设置在腾格里沙漠东南缘的沙坡头和吊坡梁不同年份的高密度聚乙烯（HDPE）沙障和麦草沙障为研究对象，分析沙障对植被生长和土壤养分的影响。结果表明：2012年和2010年布设的HDPE沙障中植被的物种数大于同期草方格沙障中的物种数；两种沙障内植被的物种多样性指数较低，且随沙障布设时间增加而增高，同期布设的HDPE沙障比草方格沙障的多样性指数高。沙障使土壤pH值总体呈降低的趋势，草方格沙障内的土壤pH值低于HDPE沙障内的土壤pH值；沙障内表层土壤（0~5 cm）的全氮、有机碳、速效钾、速效磷含量高于裸沙表层，呈增加的趋势，两种沙障间的表层土壤养分含量差异不显著。