CN102900028A - 一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系 - Google Patents

一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系 Download PDF

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李建国
屈建军
冯起
韩庆杰
李芳�
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Abstract

本发明涉及一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系，其特征在于：三角形防沙堤倾角为40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤为倾角40°，高6-8m，上底宽4m，下底宽21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤长与被防护物体长相当，两组防沙堤中心距离为堤体高度的4倍，堤间设有截沙沟，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上风向。在流动沙区边缘和戈壁地区交通线路防护时，本发明利用挖掘截沙沟的沙石构筑防沙堤的堤体，以最小的经济成本换取保护被防护物体的最大效益，两种形状防沙堤与截沙沟配合使用，不仅能在上风向阻挡更多的风沙流，同时能够在背风侧形成更大的有效防护距离。

Description

一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系
 
技术领域
本发明属于一种风沙防治技术领域，具体地说是一种由三角形防沙堤和梯形防沙堤及截沙沟组合成的防护体系。
背景技术
流动性沙漠区的工农业生产、交通和民用建筑设施、文化遗址以及旅游景区的保护等直接推动着防沙工程的发展。防沙堤作为阻沙导沙工程的一部分，一般位于防护体系的阻沙带，其作用原理是增大对风沙流阻力，对风沙流进行阻滞消能，令风沙流减速和沙土颗粒沉积。
发明内容
为了更好地发挥防沙堤的防护效益，本发明设计和建立了一种由三角形防沙堤和梯形防沙堤及截沙沟组合成的防护体系，并开展了防沙效应的风洞实验,探讨了其防沙机理,从而为不同形状防沙堤体系的结构优化设计及其应用提供理论与实践依据。 
本发明的目的是通过以下措施来实现：
一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系，其特征在于：三角形防沙堤倾角为40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤为倾角40°，高6-8m，上底宽4m，下底宽21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤长与被防护物体长相当，两组防沙堤中心的间距为堤体高度的4倍，堤间设有截沙沟，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上风向。
防沙堤与截沙沟配合使用，将挖采截沙沟的弃土和弃沙堆砌成防沙堤，截沙沟与防沙堤的间距为1.5-2.5m，此类方法适用于沙源较少的地表积沙或戈壁风沙流地区。此外修筑防沙堤的材料还可以选取道路修筑过程中的弃土和弃石，将三角形修筑成高H=6-8m，宽W=16.6m，断面为倾角40°的等腰三角形。梯形防沙堤修筑成高H=6-8m，下底宽W1=21m，上底宽W2=4m，断面为两腰与下底呈40°夹角的等腰梯形。两组防沙堤中心距离为28m，即堤体高度的4倍。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、发明设计的防沙堤防护效益的发挥主要靠的是迎风坡低速区对风沙流的滞留以及背风侧有效防护距离范围内的弱风区，合理布置防沙堤体系能够更好地发挥防沙功效。防沙效应研究结果表明，防沙堤体系的间距为堤体高度的4倍时，能够形成更大的有效防护距离，避免被防护物体受到侵害，从而为沙砾质戈壁风沙流的防治提供了成功的经验。
2、因地制宜、就地取材。在戈壁和流沙地区，本发明可利用挖采截沙沟的弃土和弃沙堆砌成防沙堤，还可以选取道路修筑过程中的弃土和弃石砌筑防沙堤，以最小的经济成本换取保护被防护物体的最大效益，两种形状防沙堤与截沙沟配合使用，不仅能在上风向阻挡更多的风沙流，同时能够在背风侧形成更大的有效防护距离。
附图说明
图1  本发明三角形、梯形防沙堤与截沙沟防护体系的配置示意图。
图2  10m/s风速下单排防沙堤模型流场分布图。
图3  10m/s风速下两组间距防沙堤体系流场结构图。
具体实施方式
如图所示：一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤体系，其特征在于：三角形防沙堤1倾角为40°，高7m的等腰三角形；梯形防沙堤2为倾角40°，高7m，上底宽4m，下底宽21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤长与被防护物体长4相当，两组防沙堤中心距离堤体高度的4倍，堤间设有截沙沟3，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上风向。
为了验证本发明的有效性和可行性，本发明从风洞模拟实验出发，我们研究了单个三角形防沙堤、梯形防沙堤产生的效果及二者组合产生的效果，并针对防沙堤体系的间距提出了两组设计方案，验证本发明较其他防护工程的优点。
修筑防沙堤的施工流程简单；取材可以利用修筑道路路基的弃土和沙石，或者就地挖掘堆砌而成，配合截沙沟同时使用，达到更佳的防护效益；防沙堤的维护工作容易；特别是在高寒干旱地区生物防护措施难以实施，或者其它诸如阻沙栅栏、高立式大网格阻沙固沙障等工程措施易被强风破坏的情况下可修筑防沙堤，其受自然环境的限制少，堤身牢固不易破坏，能够达到较理想的防护效果。研究表明，布设合理的防沙堤能减弱风力并控制风沙活动，充分发挥沙流的输导功能。但目前对防沙堤的研究尚未有形成完善的体系，对不同类型防沙堤效益的研究欠缺，本发明从防护体系结构的优化配置出发，以期实现更大的防护效益，为野外防沙堤的修筑提供理论基础。
防沙堤防沙效益的风洞模拟实验
1　实验内容与方法
根据防沙工程的需要, 着重进行单个防沙堤与防沙堤体系组合的防沙作用模拟实验。我们用木质三合板制作了高度为7cm、边坡倾角为40°的等腰三角形和等腰梯形模型，其中梯形模型高度为7cm、上底为4cm、下底为21cm，选择8、10和12m/s三组风速进行单个防沙堤防护效益的观测。之后选择60cm和30cm两个间距布置防沙堤体系，并进行观测：
2　单排防沙堤防护效益
实验结果见图2，对比同风速下两种模型的流场图2发现梯形模型迎风坡脚低速区的范围大于三角形模型，梯形模型达到-11H (-88cm)，三角形模型的坡脚低速区在-6H附近，这与两类模型的横截面积有关。梯形模型集流加速区出现的高度大于三角形模型，梯形模型顶部密集地分布着平行于堤顶的风速等值线，在14cm高度处形成加速区；而三角形模型出现在堤顶迎风侧附近。梯形模型背风侧形成的有效防护距离小于三角形模型，因为梯形顶部存在一段距离，气流沿坡辐合到迎风坡顶的时候没有立刻发生辐散分流，而是继续沿顶部爬行，待气流到顶部背风侧边缘时开始发生能量分散，由于能量在顶部爬行过程中的削弱，风速等值线迅速下滑；相反三角形模型在堤顶部已发生能量分区，风速等值线呈上扬趋势，在距离堤体较远的地方沉降。
结合上述试验，从防沙堤产生的迎风坡低速区考虑，梯形防沙堤2较三角形防沙堤1形成的迎风坡脚低速区范围更大，使更多沙粒在沙堤迎风坡脚处沉积；但是从防沙堤背风侧形成的有效防护距离考虑，三角形防沙堤1优于梯形防沙堤2，能够形成更大的有效防护距离。
3　不同间距防沙堤防护效益
鉴于三角形防沙堤1和梯形防沙堤2各自的防沙优势，本发明将梯形防沙堤2布置在上风向，三角形防沙堤1布置其后，并设计了60cm和30cm两个间距进行观测。
30cm与60cm间距防沙堤体系形成的迎风坡脚低速区距离一样，且风速等值线结构分布也相似，这是因为迎风坡脚低速区主要受前排梯形防沙堤2影响的缘故。风流绕过梯形防沙堤2有一个逐渐恢复的过程，60cm间距的体系给风流提供了足够的恢复距离，以至于风流越过三角形防沙堤1形成的有效防护距离大为减小。通过流场图3对比发现，同组风速下，30cm间距防沙堤体系形成的有效防护距离远大于60cm间距的体系。
综上所述，两种形状防沙堤的配合使用，不仅能在上风向阻挡更多的风沙流，同时能够在背风侧形成更大的有效防护距离；同时选择间距≤堤身高度的4倍，可以避免越过梯形防沙堤2的风沙流恢复到原始风速；配合截沙沟3同时使用，不但能够削弱风速，同时也能堆积沙粒，延长防沙堤的使用寿命。
本发明的优点得到了风洞实验的有效验证，为西北极端干旱条件下沙砾质戈壁风沙流的防治和我国重要文物古迹及经济设施的保护提供了成功的经验。

Claims (1)

1.一种用于戈壁风沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙沟防护体系，其特征在于：三角形防沙堤（1）倾角为40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤（2）为倾角40°，高6-8m，上底宽4m，下底宽21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤长与被防护物体长（4）相当，两组防沙堤中心距离堤体高度的4倍，两堤间设有截沙沟（3），梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上风向。
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