CN104727239A - 用于高风速风沙地区的高立式防沙障 - Google Patents

用于高风速风沙地区的高立式防沙障 Download PDF

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CN104727239A CN201310714155.7A CN201310714155A CN104727239A CN 104727239 A CN104727239 A CN 104727239A CN 201310714155 A CN201310714155 A CN 201310714155A CN 104727239 A CN104727239 A CN 104727239A
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Abstract

本发明提供了一种适用于高风速风沙地区的高立式防沙障。所述高立式防沙障是一种梯形防沙堤和防沙网组合形成的防护体系，其包括梯形防沙堤（1）、立柱（2）、立式防沙网（3）和斜拉筋（4）：底部是梯形防沙堤，立柱底部固定在混凝土基础中，混凝土基础深入地面固定，立柱按一定间隔布置，防沙网安装固定在每根立柱上，形成可不断延伸的高立式防沙障。立柱两侧通过斜拉筋连接地锚加固，立柱之间正反面钢丝连接加固保护防沙网。本发明的防沙障整体强度高、有效抵御高风速地区的高位风沙流、避免风蚀现象。

Description

用于高风速风沙地区的高立式防沙障
技术领域
本发明涉及一种风沙防治措施，具体的说是一种适用于高风速风沙地区的高立式防沙障。所述高立式防沙障是一种梯形防沙堤和防沙网组合形成的防护体系。本发明另一方面还涉及所述高立式防沙障用于沙漠戈壁地区高风速风沙环境下减风和/或阻沙的用途。
背景技术
在我国西北部干旱地区，戈壁、沙漠广泛分布，戈壁、沙漠地区风速高达20～60米/秒，高位携沙量大，风蚀路基、沙埋轨道、风翻列车等灾害事故时有发生，严重危及铁路设施和行车安全。因此，为了保障高速铁路、公路在大风环境下的安全运营，防沙措施是风沙治理面临的重要技术问题。
虽然国内外对铁路风沙治理的研究和应用较早，且已有较丰富的经验和理论，包括我国包兰铁路、兰新铁路等在风沙路基防护方面取得的显著成就，尤其在防护体系建设和植物物种选择方面积累了较丰富的经验。但较之一般流沙地表，高风速戈壁、沙漠地区风沙、砾石颗粒弹跳更高，风力强劲，跃移高度可达2m以上，风沙流结构呈独特的“象鼻”效应，具有遇阻堆积的特性。
目前普遍采用的阻固防护体系中，以高度1～2米的立式防沙网作为外围高立式沙障，这种沙障对2米以下的常规风沙流起到良好的减风阻沙作用，对固沙带的保护作用明显，但面对强风速的戈壁、沙漠风沙，常规的立式防沙网作用有限：
（1）对2～5米高度的高位风沙没有阻挡拦截作用；
（2）由于对低位高速风沙的阻挡，促使部分低位风沙转向，增加高位风沙量，并加速高位风沙流；
（3）在高风速作用下，常规立式防沙网极易出现风蚀失效。
因而这种防沙网不但对固沙带的保护作用极为有限，而且增加了高位风沙对保护目标的损害。
在戈壁风沙防治中还有采用防沙堤等工程措施，防沙堤虽挡沙作用有限，但在高风速的作用下，防沙堤可以改变风沙流方向，使风沙流越过保护对象从而防止或减少沙害，因而防沙堤在戈壁公路防沙中得到较多的应用，但由于其风沙流越过路基的不确定性、以及铁路路基风沙极易堆积、很难清理、对道床危害严重等原因，防沙堤在铁路防沙中极少应用。
目前国内外针对高风速戈壁、沙漠风沙危害治理的研究和相关可行的技术措施甚少，是目前风沙防治领域急需解决的问题。
发明内容
基于戈壁、沙漠地区铁路所处的大风风沙环境，本发明的目的在于提供一种针对高风速风沙的防护措施，结合梯形防沙堤和立式防沙网的特点，建立了一种高强度、有效防阻高位风沙流、没有风蚀的高立式复合防沙障。研究结果表明该防护体系防沙效果显著、有效防止了高速风沙流对铁路的沙害。
一方面，本发明提供一种高立式防沙障，其包括梯形防沙堤（1）、立柱（2）、立式防沙网（3）和斜拉筋（4）。
在本发明一个实施方式中，所述梯形防沙堤（1）的高度d=0.5～2m，顶部宽度a=0.5～2.5m。
在本发明一个实施方式中，所述立柱（2）用金属管材、金属型材、木材、高强度塑料型材制成，所述立柱满足立柱上各点所需承受的最大弯矩Q小于材料本身所能承受的最大抗弯强度σbb；所述金属管材优选为方形、圆形或矩形，所述金属型材优选为槽钢、角钢、H型钢或工字钢。
在本发明一个实施方式中，所述立柱（2）露出防沙堤的高度b=2～4m，且立柱深埋混凝土基础(5)的长度e=0.5～1.0m，立柱间的距离h=2～5m。
在本发明一个实施方式中，所述混凝土基础（5）深入地面g=0.5～1.2米，露出地面但埋在梯形防沙堤(1)内f=0～1.8m。
在本发明一个实施方式中，所述立柱（2）间用钢丝连接，钢丝从立柱的顶部到底部均匀排列，顶部和底部钢丝每隔一段距离对角线交叉加固一次。
在本发明一个实施方式中，所述立式防沙网（3）的材质选自金属、化学纤维、植物纤维和它们的任意组合，所述立式阻沙网满足本身所能承受的最大强度F1大于当地环境最大风速时积沙后立式阻沙网所需承受的最大受力F2。
在本发明一个实施方式中，所述立式防沙网（3）高出防沙堤b=2～4m，安装时立式阻沙网深入防沙堤j=20～50cm。
在本发明一个实施方式中，所述高立式防沙障具有正反面钢丝，所述立式防沙网（3）安装在正反面钢丝的中间，固定在立柱上，防沙网（3）与钢丝用扎丝连接加固。
在本发明一个实施方式中，所述斜拉筋（4）上端与立柱O点连接，下端与混凝土预制地锚连接，角度为θ=30～60°。立柱O点的确定满足：立柱O点上、下两部分的抗弯强度均大于实际所承受的弯力矩；优选的，立柱O点上下两部分为不同规格的材料，以节省成本。
在本发明一个实施方式中，所述斜拉筋（4）选自钢丝绳和/或钢材，所述斜拉筋满足：最小破断拉力F3大于受到的最大拉力F4。
另一方面，本发明还提供一种所述高立式防沙障的用途，该高立式防沙障用于沙漠戈壁地区高风速风沙环境下减风和/或阻沙。
具体来说，本发明提供一种适用于高风速风沙防护的防沙障，其特征在于：由梯形防沙堤和立式防沙网组合形成高立式复合防沙体系。立式防沙网安置在梯形防沙堤上，固定立式防沙网的立柱底部固定深埋在地面的混泥土基础内，且通过斜拉筋连接立柱和立柱两侧的地锚加固，立柱之间在防沙网正反二侧用钢丝连接加固，防止防沙网被大风吹坏。
在本发明一个实施方式中，所述的梯形防沙堤(1)（如图1和图2）中，上底宽a=1～3m，优选2m；高d=0.5～2m，优选1～2m，最优选2m。防沙堤的作用是减少防沙网的受力面积、加固防沙障、改变近地面风沙流方向从而防止风蚀。
在本发明一个实施方式中，所述立柱(2)可以为方形、圆形、矩形的金属管材或槽钢、角钢、H型钢、工字钢等金属型材，也可以用木材、高强度塑料型材，所选立柱材料应满足立柱上各点所需承受的最大弯矩Q小于材料本身所能承受的最大抗弯强度σbb。
在本发明的一个实施方式中，立柱露出防沙堤的高度b=2～4m，优选3m；立柱埋入混凝土基础内的长度e=0.5～1.0m，优选0.7m；立柱间的距离h=2～5m，优选3m；混凝土基础深入地面g=0.5～1.2米，优选0.8m，露出地面(但同时埋在防沙堤内)f=0～1.8m。
在本发明的一个实施方式中，立柱之间用钢丝连接，钢丝从立柱顶部到底部均匀错位排列，正面或反面钢丝间距i=0.5～1m，优选0.5m，顶部和底部钢丝每隔一段距离对角线交叉加固一次。
在本发明一个实施方式中，所述立式阻沙网材质的选择可以是金属、化学纤维、或植物纤维，设计应满足立式阻沙网本身所能承受的最大强度F1大于当地环境最大风速时积沙后立式阻沙网所需承受的最大受力F2，即F1﹥F2。
在本发明的一个实施方式中，防沙网高出防沙堤b=2～4m，优选3m；安装时立式阻沙网应深入防沙堤j=20～50cm，优选30cm。
在本发明一个实施方式中，如图1、图2中，所述的立式防沙网安装正反面钢丝中间，固定在立柱上，网与钢丝间用扎丝连接加固，以保护网防止被风吹坏。
在本发明一个实施方式中，如图1、图2，所述斜拉筋上端与立柱O点连接，下端与混凝土预制地锚连接，角度θ=30～60°，优选45°。立柱O点的确定需满足：立柱O点上、下二部分的抗弯强度均大于实际所承受的弯矩。立柱O点上下二部分可以设计成不同规格的材料，以节省成本。
在本发明的一个实施方式中，所述的斜拉筋采用钢丝绳、或钢质型材，斜拉筋应满足：其最小破断拉力F3大于其承受的最大拉力F4。
本发明的高立式防沙障具有以下的优点和有益效果：
(1)本发明提供的防沙障弥补了以往立式防沙网防护高度低、抗大风能力弱、易风蚀等问题，并适用于一般立式防沙网效果不佳的大风环境下的风沙流防治，特别适用于高风速戈壁、沙漠地区铁路的防护。
在本发明中，可以通过调节防沙网和梯形防沙堤的高度、立柱间的距离来适应不同环境的防沙要求，灵活性强，便于大范围推广应用。
(2)本发明提供的防沙障拓展了防沙堤的应用领域、丰富了高立式防沙障的应用手段。
(3)实践证明本发明技术可以有效的拦截和固定戈壁风沙流，保护铁路、公路免受沙害侵蚀，保障交通顺畅，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交通及经济设施的保护提供了一种有益的措施。
(4)防护措施建立后，风沙阻截并固定，改善了土壤理化性质，提高了地表细物质含量，有利于天然植被的恢复和生长。
附图说明
图1是本发明一个实施方式中的高立式防沙障的断面图。
图2是本发明一个实施方式中的高立式防沙障的正面图。
图3是本发明实施例1中高立式防沙障的断面图。
图4是本发明实施例1中高立式防沙障的正面图。
图5是本发明实施例2中高立式防沙障的断面图。
图6是本发明实施例2中高立式防沙障的正面图。
具体实施方式
实施例1
如图3和图4所示，高立式防沙障立柱之间距离h=5m，立柱露出防沙堤高度b=3m，底部深埋于混凝土基础中e=0.7m固定,混凝土基础深入地面g=0.8m、地面以上f=1.7m，防沙堤高度d=2m，防沙网固定在立柱上,下端深入防沙堤j=0.3m，网与立柱等高，斜拉点O离防沙堤高度c=1.7m，斜拉角θ=45°。
应用地环境最大风速50m/s，防沙网采用镀锌钢丝网，网单位强度为F1≥16000N/m2，积沙后防沙网的平均单位受力F5=1400N/m2，最大单位受力F2=7000N/m2，F5＜F1,F2＜F1。显然，该防沙网强度满足要求。
立柱采用材质为Q235、规格为90×3的冷弯方形钢管，表面防锈处理，查《机械设计手册》第三版，第1卷，化学工业出版社，1993年1月第1版，P1-100和P3-130相关公式和参数得到90×3冷弯方形钢管的抗弯强度：σbb=6647N.m。
将立柱作为一根桩，下面计算立柱工作时受到的最大弯矩Q1。
1）O点以上桩受到的最大弯矩Q1，因O点两端有斜拉绳加固，相当于一个固定点，因此最大弯矩Q1的计算可以简化为在梁中央受集中荷载作用的悬臂梁弯矩的计算：
Q1=F×L1
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-35—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中F为梁的集中荷载，作用点位于桩上O点到顶点的中点R处，其大小等于风力施加在其支撑网面的力即网的平均单位受力与网面积的乘积，即F=F5×S=1400×h×(b-c)=1400×5×1.3=9100N；
L1为力F的力臂，即梁固定端O点到力作用点R的距离，即L1=（b-c）/2=（3-1.7）/2=0.65m；
因此，Q1=F×L1=9100×0.65=5915N.m。
2）O点以下桩受到的最大弯矩Q2，因桩两端固定，所以Q2的计算可以简化为受集中荷载的两端固定的简支梁最大弯矩的计算：
Q2=PL1L2/L
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-37—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中P为梁上的集中荷载，作用点位于桩上O点到防沙堤表面的中点K，其大小等于风力对其相应支撑网面的作用力，即P=F5×S=1400×h×c=1400×5×1.7=11900N；
L1为梁上固定端O点到力P作用点K的距离，这里L1=c/2=1.7/2=0.85m；
L2为力P作用点K到梁下固定端J（J即混凝土基础上端与立桩的交点）的距离，这里L2=c/2+d-f=0.85+2-1.7=1.15m；
L为梁两固定端之间的距离，即梁上固定端O点到梁下固定端J点的距离，即L=L1+L2=0.85+1.15=2m；
因此，Q2=PL1L2/L=11900×0.85×1.15/2=5816N.m。
综上所述，Q1＜σbb，Q2＜σbb，立柱强度满足要求。
3）斜拉筋采用5.5mm镀锌单股钢丝绳，查《机械设计手册》第三版，第2卷，化学工业出版社，1993年5月第3版，P8-8，得到5.5mm镀锌单股钢丝绳最小破断拉力F3=25200N，钢丝绳的最大负载F4=1.414×F6=1.414×(Q3-σbb)/L3：
其中F6为立桩方向超过立桩所能承载最大负荷的额外力，因斜拉角θ=45°,所以斜拉绳方向所需承受的力F4为F6的1.414倍，即F4=1.414×F6；
F6=(Q3-σbb)/L3，(Q3-σbb)为超过立桩所能承受的最大抗弯矩的额外力矩，L3为力F6的力臂，即O点到立桩下固定端J的距离，这里L3=c+d-f=1.7+2-1.7=2m；
Q3为立桩能承受的最大风力力矩，因立桩下端深埋混泥土基础中固定，所以Q3的计算可以简化为梁上某一点受集中负载的悬臂梁弯矩的计算：
Q3=F×L4
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-35—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中F为梁的集中受力，力的作用点为距离b的中点Z，F的大小等于风力对其相应支撑网面的作用力，即F=F5×S=1400×b×h=1400×3×5=21000N；L4为力F的力臂，即梁的固定端J到F作用点Z的距离，即L4=b/2+d-f=3/2+2-1.7=1.8m；所以Q3=F×L4=21000×1.8=37800N.m；
因此，F4=1.414×[(Q3-σbb)/L3]=1.414×[(37800-6647）/2]=22025N。
综上所述，钢丝绳工作时所受到的最大负载F4=22025N，钢丝绳所能承受的最小破断拉力F3=25200N，现F4＜F3，所以钢丝绳强度满足要求。
在防沙网高度方向从顶部开始按正面一根、反面一根的方式交叉布置镀锌钢丝，正面或反面钢丝均间隔i=0.5m，相邻正反面钢丝间距0.25m，正、反面钢丝均固定立柱上，顶部和底部的钢丝每隔一个间隔交叉一次，以加强防沙障长度方向的牢固度。
本实施例的防沙障防护高度达5米，能抵抗最高50米/秒的风沙流，有效防止风蚀，适用于高风速戈壁地区的风沙防治。
实施例2
如图5和图6所示，高立式防沙障两立柱之间距离h=3m，立柱露出防沙堤高度b=3m，底部深埋于混凝土基础e=0.7m固定,混凝土基础深入地平面g=1.2m，地面以上f=0m，防沙堤高度d=2m、堤顶宽a=2m，防沙网固定在立柱上,上端与立柱顶部齐平、下端深入防沙堤j=0.3m，斜拉点O高度离地3.65m，斜拉角θ=45°。
应用地环境最大风速50m/s，防沙网采用HDPE立式阻沙网，网单位强度为F1≥12000N/m2，积沙后防沙网平均单位受力F5=1400N/m2，最大单位受力F2=4200N/m2，F5＜F1，F2＜F1，防沙网强度满足要求。
立柱由二部分焊接而成：
O点以上部分采用Q235材质的Ф89×3.5圆形钢管、O点以下部分采用Q235材质的Ф95×3.5圆形钢管，查《机械设计手册》第三版，第1卷，化学工业出版社，1993年1月第1版，P1-102得到圆形钢管抗弯强度的计算公式，得到圆形钢管的抗弯强度：
立柱上部抗弯强度σbb1=4544N.m；
立柱下部抗弯强度σbb2=5217N.m；
1）立柱0点以上桩受到的最大弯矩M1，因0点两端斜拉绳加固，相当于一个固定支点，因此最大弯矩M1的计算可以简化为梁中央受集中荷载作用的悬臂梁弯矩的计算：
M1=F×L1
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-35—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中F为桩中点R的集中受力，其大小等于风力施加在其支撑网面的力即网的平均单位受力与网面积的乘积，即F=F5×S=1400×h×(b-c)=1400×3×(3-1.65)=5670N；
L1为力F的力臂，即O点到F作用点R的距离，即L1=（b-c）/2=（3-1.65）/2=0.675m；
因此，M1=F×L1/2=5670×0.675=3827N.m。
2)立柱0点以下桩受到最大弯矩M2，因桩两端固定，因此最大弯矩M2的计算可以简化为受集中荷载的两端固定的简支梁最大弯矩的计算：
M2=PL1L2/L
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-37—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中P为梁上的集中受力，作用点为距离c的中点K，其大小等于风力对其相应支撑网面的作用力，即P=F5×S=1400×h×c=1400×3×1.65=6930N；
L1为梁上固定端O点到力P作用点K的距离，这里L1=c/2=1.65/2=0.825m；
L2为力P作用点K到梁下固定端J（J即混凝土基础上端与立桩的交点）的距离，这里L2=c/2+d-f=0.825+2-0=2.825m；
L为梁两固定端之间的距离，即梁上固定端O点到梁下固定端J点的距离，即L=L1+L2=0.825+2.825=3.65m；
因此，M2=PL1L2/L=6930×0.825×2.825/3.65=4425N.m。
综上所述，M1＜σbb1，M2＜σbb2，立柱强度满足要求，立柱表面防锈处理。
3）斜拉筋采用5mm镀锌单股钢丝绳，查《机械设计手册》第三版，第2卷，化学工业出版社，1993年5月第3版，P8-8，得到5mm镀锌单股钢丝绳最小破断拉力F3=20800N，钢丝绳工作时所受到的最大载荷F4=1.414×F6=1.414×（Q3-σbb1）/L3：
其中F6为立柱方向超过立桩材料本身所能承受最大载荷的额外力，因斜拉角θ=45o，所以斜拉绳方向所需承受的力F4为F6的1.414倍，即F4=1.414×F6；
F6=（Q3-σbb1）/L3,（Q3-σbb1）为超过立柱所能承受的最大抗弯力矩的额外力矩，L3为力F6的力臂，即0点到立柱下固定支点J的距离，这里L3=c+d-f=1.65+2-0=3.65m；
Q3为立桩能承受的最大风力力矩，因立桩下端深埋混泥土基础中固定，所以Q3的计算可以简化为在梁上某一点受集中力的悬臂梁弯矩的计算：
Q3=F×L4
（注：参考《机械设计手册》新版第1卷，机械工业出版社，2005年3月第3版，P4-35—单跨直梁的切力、弯矩、挠度和转角的计算公式）
其中F为梁的集中受力，力的作用点为距离b的中点Z，其大小等于风力对其相应支撑网面的作用力，即F=F5×S=1400×b×h=1400×3×3=12600N；L4为力F的力臂，即梁的固定端J到F作用点Z的距离，即L4=b/2+d-f=3/2+2-0=3.5m；所以Q3=F×L4=12600×3.5=44100N.m；
因此，F4=1.414×[(Q3-σbb1)/L3]=1.414×[(44100-4544)/3.65]=15324N。
综上所述，钢丝绳工作时所受到的最大载荷F4=15324N，钢丝绳最小破断拉力F3=20800N，现F4＜F3，所以钢丝绳强度满足要求。
在防沙网高度方向从顶部开始按正面一根、反面一根的方式交叉布置镀锌钢丝，正面或反面钢丝均间隔i=0.5m，相邻正反面钢丝间距0.25m，正、反面钢丝均固定立柱上，顶部和底部的钢丝每隔一个间隔交叉一次，以加强防沙障长度方向的牢固度。
本实施例的防沙障防护高度达5米，能抵抗最高50米/秒的风沙流，有效防止风蚀，适用于高风速戈壁地区的风沙防治。

Claims (10)

1.一种高立式防沙障，其包括梯形防沙堤（1）、立柱（2）、立式防沙网（3）和斜拉筋（4）。
2.如权利要求1所述的高立式防沙障，其特征在于，所述梯形防沙堤（1）的高度d=0.5～2m，顶部宽度a=0.5～2.5m；优选的，所述立式防沙网（3）高出防沙堤b=2～4m，安装时立式阻沙网深入防沙堤j=20～50cm。
3.如权利要求1所述的高立式防沙障，其特征在于，所述立柱（2）用金属管材、金属型材、木材、高强度塑料型材制成，所述立柱满足立柱上各点所需承受的最大弯矩Q小于材料本身所能承受的最大抗弯强度σbb；其中，所述金属管材优选为方形、圆形或矩形，所述金属型材优选为槽钢、角钢、H型钢或工字钢。
4.如权利要求3所述的高立式防沙障，其特征在于，所述立柱（2）露出防沙堤的高度b=2～4m，且立柱深埋混凝土基础(5)的长度e=0.5～1.0m，立柱间的距离h=2～5m；优选的，所述立柱（2）间用钢丝连接，钢丝从立柱的顶部到底部均匀排列，顶部和底部钢丝每隔一段距离对角线交叉加固一次。
5.如权利要求4所述的高立式防沙障，其特征在于，所述混凝土基础（5）深入地面g=0.5～1.2m，露出地面但埋在梯形防沙堤(1)内f=0～1.8m。
6.如权利要求1所述的高立式防沙障，其特征在于，所述立式防沙网（3）的材质选自金属、化学纤维、植物纤维和它们的任意组合，所述立式阻沙网满足本身所能承受的最大强度F1大于当地环境最大风速时积沙后立式阻沙网所需承受的最大受力F2。
7.如权利要求1、3或6所述的高立式防沙障，其特征在于，所述高立式防沙障具有正反面钢丝，所述立式防沙网（3）安装在正反面钢丝的中间，固定在立柱上，防沙网（3）与钢丝用扎丝连接加固。
8.如权利要求1所述的高立式防沙障，其特征在于，所述斜拉筋（4）上端与立柱O点连接，下端与混凝土预制地锚连接，角度为θ=30～60°。立柱O点的确定满足：立柱O点上、下两部分的抗弯强度均大于实际所承受的弯力矩；优选的，立柱O点上下两部分为不同规格的材料，以节省成本。
9.如权利要求8所述的高立式防沙障，其特征在于，所述斜拉筋（4）选自钢丝绳和/或钢材，所述斜拉筋满足：最小破断拉力F3大于受到的最大拉力F4。
10.一种权利要求1-9任一项所述高立式防沙障的用途，该高立式防沙障用于沙漠戈壁地区高风速风沙环境下减风和/或阻沙。
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