土工合成材料防沙固沙结构设计与施工

('土工合成材料防沙固沙结构设计与施工8.1概述中国沙漠总面积包括戈壁在内共有149万km2，约占全国土地总面积的15.5％，其中沙质荒漠（沙丘及风蚀地）占39.8％，沙砾及石质戈壁占38.2％，沙地占22.0％。中国的沙漠属温带沙漠类型，除一部分位于内陆高原外，大部分分布在内陆山间盆地中，集中分布于东经106°以西的荒漠地带，占全国沙漠戈壁总面积的90％。沙漠地带的自然特征主要表现为：气候干旱、降水稀少；日照强烈、冷热剧变；风力强大、风沙频繁；植被稀少、种类单一；水资源不足、水量不平衡。沙漠地带的路基防护工程，主要包括两部分，即对路堑或路堤部分路基本体采取的防止风蚀加固措施和对沙丘或风沙流侵向路基一侧或两侧须采取的防止沙埋的措施。8.2土工合成材料防沙工程设计8.2.1土工合成材料固沙措施采用不被风吹蚀的材料覆盖于沙丘或沙地上，起到固定当地浮沙的作用。称之为平铺。8.2.1.1平铺宽度一般固沙与阻沙相结合，阻沙工程设于外缘，而在阻沙工程靠路基侧的活动沙丘（沙地），当风向与阻沙工程走向小角度（≤30°）相交时，宜全部平铺；当风向与阻沙工程走向大角度相交时，可按阻沙工程降低的风速，在起动风速以下的范围以外开始平铺；风向较紊乱时，宜全部平铺。如外来流沙不太多，而当地有丰富的平铺材料，且年平均降水量大于100mm、湿沙层的含水量大于3％，可以采用以平铺为主的防沙措施，同时开展非灌溉造林。平铺时播种易生长的耐干旱树种，或者第二年栽植耐干旱的树苗。迎风侧宜平铺150～300m宽，背风侧宜平铺50～100m宽。如外来沙流较多，可增设一些截沙工程。8.2.1.2平铺土工合成材料类型土工网是一种用于固沙防护的新材料，可工厂化生产，并具有材料运输方便，施工速度快，维修养护便利等优点。土工网可直接平铺于沙丘或沙地表面，用塑料钉固定，钉长30cm，钉间距2～3m，梅花形布置；土工网搭接宽度≮20cm，搭接处钉间距应减小至1.0～1.5m；地形突变或地形较复杂处，应保持土工网平整，并适当增加钉子密度；防护周边钉长应加长至50cm。根据风洞实验及实际工程防护效果观测，土工网的有效防护风速为：CE131，8～10m/s；土工网垫，10～15m/s。土工网防护下的地表粗糙度较流沙增高：CE131，77倍；土工网垫，227倍。由于沙表面粗糙度的增加，其积蚀环境发生了改变，在风力降低、风蚀减弱的同时，风沙流中的部分沙粒及呈悬移状态的细颗粒被阻滞沉积下来，使土工网下覆沙表面细粒物质增加，并出现结皮；细粒物质的增加是流动沙质向固定转化的初期阶段的重要标志之一，随着这种积累过程的不断进行，有机质及微生物会随之出现，地表沉积物结构及理化性质也相应改变，这为局部地域生态环境的改善、后期植物的生长创造了良好的环境条件。沙表面沉积物相对稳定是绝大多数植物生存、发展的先决条件之一。将土工网平铺于沙丘或沙地表面进行防护，不仅起到了固沙作用，而且有利于对沙丘受到扰动后所引起的风沙流活动进行快速防护，并可作为植物固沙的先行措施。8.2.2土工合成材料固阻沙措施1/19用于固阻沙措施的土工合成材料沙障，常大面积铺设，兼有固沙和阻沙作用。沙障露出地面高5～30cm；风向单一时，按条带状布设；风向多变时，按格状布设。8.2.2.1沙障之间的距离条带状沙障内的积沙形态，两侧高，中间低；格状沙障内的积沙形态，中部低，四周高，其剖面均呈凹曲面形。据观测：沙障之间的距离L与凹曲面最大深度h的关系为L/h=10～15，比值增大阻沙效果逐渐降低，部分流沙可越过沙障继续前进。如露出地面的沙障高10cm，沙障之间的距离为1.0～1.5m。防沙常用的方格尺寸一般为1×1m或1×2m，防沙效果较好，与积沙形态相吻合。8.2.2.2铺设宽度如只为了固定当地浮沙，则铺设宽度按浮沙范围确定；如为了兼有固沙与阻沙作用，则铺设宽度与沙源和风况等有关，在没有其它防沙措施相配合的情况下，可按下式计算铺设宽度：L=L1+L2（8—1）式中L1——基本宽度。一年内≥17m/s风速累积小时数T，当T≤5时，L1=30～60m；当T＞5时，L1=60～100m；L2——沙埋宽度（m），可按下式计算：L2=QEq⋅T式中QE——输沙量（m3/[m·年]）；ｑ——沙障内单位面积极限积沙量，1×1m，沙障高10cm，ｑ=0.074m3/m2；1×2m，沙障高10cm，ｑ=0.070m3/m2；T——使用年限，与沙障材料有关。抗老化土工网沙障一般为15年。8.2.2.3土工合成材料沙障类型在干旱风沙区，一般生物资源极为有限，且受季节限制。所以，应积极推广应用土工网沙障。土工网沙障方格尺寸为2.0×2.0×0.2m（高）；在工厂生产时，应将CE111网裁成宽20cm的条带；土工网之间用土工绳连接，用塑料固定钉钉固在沙面上，钉长0.6m，钉间距2.0m，钉与土工网用土工绳绑扎连接。土工网沙障周边的固定钉应适当加长0.2m左右。见图8—1。图8—1土工网方格沙障示意图（单位：m）8.2.3土工合成材料阻沙措施高立式沙障起阻沙作用，一般设置1排，输沙量大时，设2排或3排，常设于设防带外缘，离路基坡脚100～300m。沙障按其透风情况，可分为透风与不透风两类。结合当地风况、沙源和地形地貌等分2/19析选用沙障类型。沙障类型确定后，继而确定其高度、排间距离、立柱埋置深度和设置部位等。8.2.3.1沙障高度不透风沙障可按式8—2计算沙障高度h：h=√QE⋅T5.5（8—2）式中QE——输沙量（m3/[m·年]）；T——沙障使用年限，按材料性质和设防期确定。如某种材料，5年后可能损坏，则按5年计算。透风沙障可按式8—3计算沙障高度h：h=13√QE⋅T（8—3）式中符号意义同（8—2）。如果计算的沙障高度太高，材料高度不够，或者施工有困难，可以设置多排，也可与其它防沙措施结合使用。8.2.3.2排间距离求出沙障高度，按材料露出地面高度除之，可得排数。排与排之间的距离，尽可能发挥沙障降低风速的作用，使其积沙量达最大值，一般为20～30h。8.2.3.3立柱埋置深度高立式沙障的立柱埋置深度，一般可参考表8—1，并结合当地情况确定。8.2.3.4高立式沙障布置形式土工合成材料栅栏是近些年来防沙工程中使用的一种新型高立式透风沙障，结构简单，施工速度快，但抗紫外线辐射能力较弱，易老化，阳光照射容易损坏，在紫外线照射较强的地区使用寿命短。栅栏一般设置于防沙工程的前沿地带，可连续封闭布置，也可以采用平行交错式或斜向横列式排列，见图8—2。3/19图8—2挡沙栅栏平面布置示意图8.2.4路基本体防护的设计8.2.4.1路基本体沙害类型1.风蚀沙漠地区的路堤，当采用当地的粉细砂填筑，易遭风蚀。风力对路基的风蚀，可分为吹蚀、磨蚀与掏蚀三种作用。吹蚀是风力直接带走填料颗粒；磨蚀是气流中挟带的沙粒冲击填料颗粒，甚至钻入孔穴内旋磨，以致使土体局部被掏空，加速风蚀程度；掏蚀是气流因遇障碍物或地面形状突变和不平整而产生涡流，卷走细小颗粒，使较大颗粒失掉稳定性而滚落于坡脚。一般迎风坡上部以吹蚀为主，路肩被吹蚀成浑圆状，坡面有吹蚀槽，在边坡下部1/5～1/4边坡高度范围内不遭受风蚀。背风坡以掏蚀为主，从路肩开始风蚀，风蚀物大部分堆积于坡脚，少部分被风带走，边坡下部1/4边坡高度范围内一般不遭受风蚀。风蚀常使路肩宽度不够，影响行车安全。在沙丘或沙地开挖的路堑，或者含有易风蚀土层的路堑，坡面风蚀均较严重。大风地区的风蚀现象更为严重，不仅粉细砂填筑的路堤需进行防护，而且采用砾石土和泥岩、泥灰岩、砾岩等软质岩碎块填筑的路堤，亦需进行防护。2.沙埋风沙地区的铁路道床积沙是普遍现象，轻则道砟空隙贯入沙粒，道心有少量积沙，造成道砟不洁，给铁路上部结构带来一系列危害；重则积沙掩埋轨道，当积沙超出轨顶3cm以上，就可能引起机车或车辆脱轨，造成停运事故，此种现象一般称为沙埋。沙埋形态有片状沙埋，当路堤较低或为零断面，路堤坡脚积沙高度与道床积沙高度相等，呈片状掩埋路基；舌状沙埋，当风口地段或防沙工程局部破坏的地方，积沙呈舌状顺风向延伸掩埋路堤；堆状沙埋，由于防护措施设置不当，形成了沙丘，或者是固定沙丘遭到破坏，致使整个沙丘移向路基，形成堆状沙埋。8.2.4.2路基风况变化和积沙部位1.路堑堑内风向变化比较紊乱。紊乱程度与路堑边坡坡率、边坡高度以及风向与线路交角大小等有关。如边坡坡率陡于1∶4的情况，则于堑内出现顺线路方向的拉沟风，或称“顺槽风”，边坡愈高，拉沟风愈大；风向与线路的交角愈小，拉沟风愈大。堑顶顺风向层至拉沟风向层之间有一层涡流层（图8—3），在这种风况下，沙粒跃入路堑内。在拉沟风的作用下，顺线路运行一段距离。如路堑较短，沙量较少，沙粒被带至沟口堆积；路堑较长，沙粒沿背风侧的平台堆积；也有呈舌形从背风侧堆积至迎风侧。图8—3路堑风向示意图之一如边坡坡率缓于1∶4，尤其是在1∶7～1∶8时，气流流线比较平顺（图8—4），且产生滑移冲力（由压力差产生的上升力），可将大部分沙粒输送至迎风侧堑顶以外，但受4/19铁路上部结构的阻挡，使部分沙粒积于道床边坡两侧与道心。图8—4路堑风向示意图之二边坡坡率愈陡，边坡高度愈高，风速降低愈多。当边坡高2～3m，边坡坡率1∶0.75，背风坡坡脚30cm高的风速比远方2m高的风速降低80％（图8—5）。沙粒被气流带入堑内，开始堆积于背风坡坡脚，随着流沙的增加，然后堆积至道床和迎风坡坡脚，严重时路堑下部被积沙堆满，积沙形态呈凹弧形，与气流等值线基本相符，路堑中心最低，背风坡积沙坡度一般为25°左右，迎风坡一般为30°左右。图8—5路堑风速增减率等值线图注：按Vi/V2（％）绘制，Vi—测点风速；V2—远方2m高风速。2.路堤当路堤边坡较陡（1∶1.75～1∶2.00），气流受路堤阻挡而拥塞，迎风侧边坡下部的风速略减少，上部逐渐增大，迎风侧路肩上部为最大值，然后扩散，从路堤中心开始减速至路堤背风侧形成一风影区；当边坡坡率为1∶1.75，风影区长度一般为堤高的7～8倍（图8—6）。路堤愈高，迎风侧路肩风速增值愈大。例如堤高2.1m，迎风侧路肩20cm高的风速比远方2m高风速增加10％左右；堤高8m，迎风侧路肩20cm高的风速比远方2m高风速增加50％左右。图8—6路堤风速增减率（％）等值线图当路堤边坡较缓（缓于1∶4），越过路堤的流线比较匀称，气流的分离层较薄。5/19当风向与路堤斜交，交角较小（≤30°），风受路堤阻挡，贴地面风的风向与线路的交角减小（可减小10余度），流沙沿路堤坡脚运行一段距离，部分沙粒沿坡脚堆积。当流沙越至堤顶，沿道床坡脚和两轨之间运行，又将部分沙粒堆积于道床坡脚和道心。风力较大时，沙粒被风带至背风坡，呈垄状与线路斜交堆积于坡面。当风向与线路的交角较大（≥65°），大部分流沙越过路堤，堆积于背风坡脚，少部分堆积于道心，极少部分堆积于迎风坡脚。刮反向风时，又将背风坡的积沙搬运至路面，掩埋轨道。所以在风向与线路大角度相交时，路堤宜低些，坡度放缓，可使部分流沙输送至远方；同时在轨枕之间留出空隙，道砟坡面整平，也可输走部分流沙。在风力较大，沙源不太丰富，气流中的含沙率较小，路堤迎风侧一般不积沙，背风侧积沙，戈壁风沙流地区就是这种情况。如沙源丰富，气流中含沙率大，迎风侧与背风侧均有较多积沙，沙丘（沙地）地区就是这种情况。3.半填半挖路基，无论是上风路基或下风路基，在挖方侧的风速降低最多（图8—7），沙粒首先在挖方侧堆积，然后延伸至路面。图8—7半填半挖风速增减率等值线图注：按Vi/V2（％）绘制，Vi—测点风速；V2—远方2m高风速。8.2.4.3路基本体防护的设计1.路堤本体的防护范围、布置形式、常用土工合成材料及尺寸详见图8—8。0.2≮0.50.31.50.11:mB/2铺设土工网结合植物防护半断面土工网搭接详图粉、细砂填筑的路堤铺土工网结合植物防护图8—8风沙地区路堤断面及防护形式参考图（单位：m）2.路堑本体的防护范围、布置形式，常用土工合成材料及尺寸详见图8—9。6/191.5d≮0.1≮0.50.60.11:m≮0.51:1.750.31.5铺设土工网结合植物防护半断面土工网搭接详图粉、细砂地层路堑铺土工网结合植物防护图8—9风沙地区路堑断面及防护形式参考图（单位：m）8.3土工合成材料防沙工程实例8.3.1敦煌莫高窟尼龙网栅栏阻沙工程及其研究敦煌莫高窟的风沙灾害严重，早在五代，风沙就已危及洞窟的安全，有清沙功德碑为证。40年代，敦煌石窟最低层大部分被埋在沙中。1950年，敦煌文物研究所成立，就把防沙、清沙列为保护石窟的重点工作，并在制定《1956-1966年敦煌文物研究所全面工作规划草案》中，把防沙工作列入石窟的保护、修缮工程项目中，先后在窟顶设立了多种阻沙工程。虽然在短期内起到了一定的防沙效果，但随后因积沙量的增大，阻沙工程很快失效近几十年来一直采用的人工清沙办法。本项阻沙工程的研究，旨在通过对莫高窟风沙运动规律、风沙危害方式的讨论，评价窟顶各种阻沙工程失效的原因，并提出在莫高窟采用尼龙栅栏防沙的新途径和对策。8.3.1.1自然环境特征与风沙危害类型1.自然环境特征（1）地貌特征敦煌莫高窟地处敦煌盆地东南缘，距敦煌市25km。东邻三危山，西接鸣沙山。洞窟开凿在大泉河西岸洪积扇阶地的直立崖面上，崖面走向南北，洞窟群座西向东。洞顶为一平坦戈壁，向西约700～1000m渐与鸣沙山相接。自窟顶至鸣沙山，由东向西按地表组成物质，可划分为砾质戈壁带、沙砾质戈壁带、平坦沙地和沙山，其中鸣沙山高约60～170m，为一覆盖在基岩低山上的高大复合型沙山，沙丘类型以沙垄、金字塔沙丘和复合型沙山为主。（2）岩体地层特征莫高窟现有洞窟492个，相对高度10～45m，自上而下分为上、中、下三层呈密集型分布于崖面。石窟岩体为砂砾岩，主要由上更新统洪积戈壁组砂砾石层和中更新统洪积－冲积酒泉组半胶结砾岩组成。酒泉组是构成崖面的主体，该地层颗粒组成中砾石约占70%，沙粒占25%，粘粒占5%。砾石成分主要是石灰岩、千枚岩、花岗岩、石英岩等。砾石分选差（δ=2.33），磨圆度次棱角，接触式胶结，胶结物为钙泥质。戈壁组虽不是洞窟围岩，但却构成上层洞窟顶部。（3）气候特征莫高窟常年受蒙古高压的影响，具有气候干旱，降水量少，温差大，风沙活动频繁的特征，是一个多风地区，年平均风速为3.5m/s，而且是一个具有三组风向的多风向地区，南风出现频率最高，占31.0％，偏南风合计为47.9％。小于起沙风者（2m高度风速为7/195.0m/s），仅占39.3％，大于8m/s者，也只有1.5％。而大于5.0m/s和小于8.0m/s者占59.2％。风洞实验结果表明，这个风速范围，所具有的搬运沙物质的能力是有限的。作用于流沙表面，也只能使沙粒开始移动到沙纹的形成；对于沙砾质戈壁，其作用能力就更小其次是偏西风，偏西风（SW、WSW、W、WNW、NW）总频率为28.1％，而输沙能力却占31.9％。对于偏西风来说，小于起沙风者占70.8％，大于5.0m/s和小于8.0m/s者占23.4％，输沙能力仅占28.9％，大于8.0m/s的风速出现频率平均仅占5.8％，其输沙能力却占71.1％。也就是说，该地区偏南风多而风力较弱，偏西风少而风力较强，并且具有突发性的特点，与大型天气过程的关系极为密切。由此可见，偏西风应该是造成洞前积沙危害的主要原因。至于偏东风，频率只占14.8％，其输沙能力约占27.5％，其危害性质主要是对洞窟崖面的强烈风蚀和剥蚀。当然，对崖顶沙物质的东移亦具有不可低估的抑制作用并且具有明显的反向搬运能力。这种平均流场特征的形成，既有大尺度的地形作用，如青藏高原，祁连山的热力或动力作用，又有小尺度的地形（如三危山，鸣沙山）和沙漠、戈壁下垫面的影响。具体地说西风强是受主体环流西风带和大型天气过程所控制；南风多而弱是属于地方性的局地环流或者说是来自祁连山的山风。从全年的季节变化和日变化来看，也是具有明显的规律性。该地区夜间多南风，冬季各月（10月至2月）几乎全部是南风。山风本身就是一种弱风，当经过长距离的戈壁运行，来到莫高窟之前又受三危山和鸣沙山的阻碍，致使风力变得更弱，不过风向还是相对稳定的。如此独特的流场塑造了鸣沙山独特的风沙地貌形态，相对稳定的复合型沙丘群体，并具有明显的季节变化特征，在主风侧坡面的上部覆盖有粗沙。根据现场调查研究，发现该地区沙物质的主要来源，仍属“就地”起沙，在不同频率和不同强度的多风向的作用下，沙物质的搬运具有往复摆动的特点。2.风沙危害类型因西邻鸣沙山，莫高窟经常遭到各种风沙危害，主要有风蚀、积沙、粉尘及沙丘前移4种类型。（1）风蚀及冻融风蚀风蚀是一种破坏性极强的地质作用，因其作用缓慢，不易引起人们的注意。在莫高窟的风蚀，主要是指风沙流对露天壁画、洞窟围岩的吹蚀与磨蚀。首先，来自鸣沙山方向的戈壁风沙流在运行至窟顶临空面时产生气流反转，从而造成反向挟沙气流对崖面露天壁画的撞击、磨蚀，使壁画褪色、变色。其次，风沙流对洞窟围岩的冲击、磨蚀作用，使岩体中软弱的沙质透镜体的风蚀强度比围岩大4倍之多，造成其上部洞窟岩体变成危岩，甚至有的早期唐代洞窟因此而坍塌毁坏。第三，戈壁风沙流在运行中对窟顶沙砾石层产生强烈的剥蚀作用，造成洞窟顶部逐渐变薄直至坍塌，甚至个别洞窟直接露天，壁画被毁。敦煌莫高窟顶分布着许多古代生土建筑物，其珍贵的艺术价值在国内外实例中颇不多见。莫高窟独特的旱寒条件，一方面使古代生土建筑物得以建筑和保存，另一方面，强烈的冻融风蚀作用致使许多生土建筑崩塌殆尽，导致这一不可再生资源的破坏。国内在冻融过程方面做了大量的研究工作，但对古代生土建筑物冻融风蚀机理研究甚少。通过对敦煌莫高窟古建筑群系研究并结合冻融风蚀的模拟实验发现，冻融风蚀是古代生土建筑物毁坏的主要因素。当冻融次数相同，随含水量的增加，风蚀强度增大，尤其是在当含水量相同的条件下随冻融次数的增加，风蚀量显著增大。因此，反复冻融循环作用所引起的土壤微结构的破坏是古代生土建筑物毁坏的主要原因，而风蚀又是其主要动力机制。所以，莫高窟区古代生土建筑物的冻融对风蚀起加速和催化作用。（2）积沙当前进风沙流运行至窟顶突然变陡的崖面时，由于附面层发生分离，在崖面上下部，8/19即窟前形成风沙堆积。据敦煌研究院统计，每年清除窟前积沙约3000m3。大量积沙不仅造成游客栈道堵塞，窟檐被压塌，而且还造成积沙随回转风卷入洞窟侵蚀窟内壁画。而清沙采用的机动车对洞窟产生强烈振动频率达60Hz以上，常常直接造成振动性破坏。（3）粉尘风沙流中所携带的粉尘物质受崖体临空面反转气流的作用，进入窟内形成大量的降尘，其粉尘粒级集中在0.05～0.005mm之间，矿物成分以石英、长石为主，用扫描电境统计5000个粉尘表面形态，结果发现棱角状、次棱角状占83%。这种棱角状高硬度石英颗粒随湍流运动既能对壁画、塑像进行磨蚀。又能侵入壁画和塑像颜料的空隙中，不仅严重影响艺术效果，而且使壁画产生龟裂，随着粉尘的不断沉降，逐渐产生一种把壁画向外挤压的能量，导致壁画大面积脱落。8.3.1.2风沙流运动特点1.风沙流的性质从宏观上看，该地区的风沙流属于不饱和的戈壁风沙流，即沙粒的高强度跃移导致风沙流的搬运高度较高，上下层输沙量分布较为均一，在一般情况下，有利于搬运而不利于堆积。可是，在该地区由于不同频率和不同强度的多风向的作用，而使得风沙流的性质变得更加多样化或复杂化。例如，在一棵植株的不同方位，可以同时并存三种不同粒级、不同形态的积沙体，而且积沙体只有形态的变化与消失的过程，却无体积的继续增大，沙波纹与沙丘都不例外，表明沙源和气流的搬运的能力有限，而且受到变化的多风向的严格制约。在强西风的作用下，于植株的背风侧形成粗粒沙波纹，沙源来自砾质地表。不仅积沙范围大，而且沙波纹的高度与宽度都比较大；南风形成的沙波纹，无论是积沙范围，或是沙波纹的高度和宽度均小得多，沙粒很细，沙源来自流动沙丘；东风对崖顶或崖面的积沙还是具有方向性搬运能力，在植株后形成的积沙体，在尺度上或粒度组成，均弱于西风强于南风，积沙形态具有明显的季节变化特征，其变化特征与平均流场的演变规律是完全一致的。2.风沙流结构特征对窟顶风沙流的结构按地表类型及多风向的特点，选择与三组风向相一致的3个观测断面，每个断面分别设置4个观测点进行了(1989.12～1999.12)对比观测研究，具有三方面的特征。（1）风沙流垂直分布特征首先在相同风速条件下，戈壁风沙流的总体高度远大于流沙地表。流沙表面风沙流搬运高度均小于1m，95%以上的输沙量集中于20cm高度内，其中80%沙量又集中在0～10cm高度内通过。而戈壁地表，由于砾石地表增加了跃移沙粒的反弹跳作用，风沙流的搬运高度可超过1m，1m以上的输沙量可以达到3.4%，20cm高度内的输沙量平均小于80.9%。其次，随风速的增大，戈壁风沙流中的沙量随高度的增加较之流沙地表减少较慢。当风速大于10.4m/s时，高于1m处输沙量约为1%，甚至在2.3m处，也有0.19%。第三，与其它地区相比，砾质戈壁的输沙量在高度上不服从梯度分布，最高值出现在距地表2-8cm的高度，这一结果与新疆交通研究所1980年在青新线沙漠公路砾质戈壁实测得到的输沙率随高度的分布一致，称之为“象鼻子”效应。另外，对戈壁风沙流结构特征做了风洞模拟实验，见图8-10。不难发现：随着风速的增加，20cm高度以下沙颗粒的含量增加趋势很大，超过20cm的高度沙颗粒含量基本上处于稳定状态。最大含沙量的高度层是随风速的增加而上移的：当风速在8m/s时，最大含沙量高度（即象鼻子）在距离沙床面2cm处，风速为12m/s时，最大高度在4cm处，风速为16cm/s时其高度在距沙床面5cm处，风速为20m/s时其高度增加到距沙床面6cm处。这主要是由于随风速的增加，沙床面的蠕移质携带的能量增大，当与戈壁地表的砾石发生碰撞9/19时，其起跳高度增大引起含沙量随风速的增加呈上升的趋势，即所谓的“象鼻效应”。这说明沙粒与砾石发生碰撞过程中能量损失很少，起跳角度较大。图8-10戈壁风沙流结构（2）风沙流水平分布特征风沙流的水平分布主要与风速、风向和下垫面的性质有关。从表8-2可见，首先4个观测断面各测点的输沙量都具有随风速的增大而迅速增大的趋势。由于戈壁地表粗糙度(平均0.118cm)较之流沙地表(0.005）增加了一个数量级，因而戈壁地表沙粒起动风速也较之增大，其结果表现在同一风速下，自流沙至砾石戈壁输沙量逐渐降低。其次，自鸣沙山至崖顶的WWN和WS风，在风速＜11.00m/s时，以就地起沙为主，当风速＞11.00m/s时出现沙物质的长距离搬运，第三，EEN形成的风沙流不仅将洞窟崖面积沙反向搬运至沙源地——鸣沙山，而且对鸣沙山沙物质同样具有方向搬运能力。这些均表明窟区沙源主要来自鸣沙山沙丘沙和部分来自戈壁就地起沙。表8-2不同地表类型风沙流水平分布特征观测值地表粗糙度W-NWSWE-NEλ类型（cm）QV1.5QV1.5QV1.5QV1.5QV1.5QV1.5QV1.5砾质戈壁0.2200.3666.43.4598.87.96014.30.0956.10.5097.80.336.43.1437.71.48沙砾质戈壁0.2130.3866.34.2288.26.19912.10.0935.51.1327.50.5656.33.6147.81.54平埋沙地0.1130.3445.83.9608.25.86411.20.1365.41.5897.20.6136.24.6018.01.47流沙0.0050.5016.14.4299.49.30712.60.4735.81.9608.50.8246.76.7988.80.87注：W，NE等为风向；λ为风沙流结构特征值；Q为输沙量(g/cm.min)；V1.5为1.5m高度风速（m/s）（3）风沙流搬运状态为了揭示不同下垫面风沙流搬运状态，对风沙流结构特征值(λ)进行了计算。砾质及沙砾质戈壁乃至平沙地上的风沙流属于λ＞1的有利于非堆积搬运的不饱和气流。而流沙地上的风沙流则属于λ＜1的有利于堆积的过饱和气流。进一步反映了鸣沙山前缘平沙地至窟顶戈壁是一个风沙流非堆积搬运的天然输沙场。造成风沙流搬运状态这种差别的原因主要是流沙地表可供气流搬运的沙物质比平沙地、沙砾质特别是砾质戈壁地表丰富，同时也与平沙地、沙砾质和砾质戈壁地表受沙山和三危山的挟持，使西、西北和西南方向的运行气流速度有所增强有关。10/193.沙丘移动的遥感动态监测通过对不同地表形态的动态变化的观测结果表明（表8-3），地表风蚀与堆积变幅自砾质戈壁至流动沙丘具有增大的趋势。砾质戈壁地表蚀积变幅小，基本表现为非堆积搬运区。沙砾质戈壁及平坦沙地蚀积变幅略有增大，基本表现为微风蚀区。流动沙丘区，蚀积变幅最大，基本处于堆积状态，并表现为旋回摆动式。表8-3窟顶戈壁至沙山各种类型的地表蚀积状况（1990-06～1992-06）单位：cm类型砾质戈壁沙砾质戈壁平坦沙地沙山落沙坡底1/2落沙坡底丘顶1/2迎风坡迎风坡底变幅范围（+2）～（－1）（+2）～（－2.5）（+3）～（－2）(+15.5)～(－13)（+61）～（－62）（+94）～（－69）（+100）～（－33）（+64）～（－47）标准差0.71.01.05.118.631.629.823.3平均值0.0-0.1-0.10.8-0.7-2.31.71.5（+）表示堆积，（－）表示风蚀根据窟顶鸣沙山1972年6月和1985年6月同一季节不同年代的两期航摄资料在OPTON-C130解析测图仪上绘制窟顶鸣沙山的动态图及典型沙丘动态图，见图8-11。遥感监测表明，鸣沙山及其小沙丘移动的总趋势为SW→NE向，移动速度都很小，属慢速－稳定型。图8-11莫高窟顶鸣沙山动态4.历史资料引证与分析值得特别注意的是，在后汉书.郡国志(公元25-220)中已有“……水有悬泉之神，山有鸣沙之异”记载说明在建窟(公元353年)之前，鸣沙山就早已存在，莫高窟从创建至今已有1600多年的历史，如果采用遥感动态监测的结果计算，期间鸣沙山前缘小沙丘向窟区11/19方向的最大移动约1344m,平均为416m，照此速度，莫高窟早已被沙丘埋没或将面临被埋没，但事实上并非如此，沙丘迄今为止甚至尚未进入目前依然存在的平沙地，特别是700-1000m的戈壁带，其中的奥妙，不是本区的沙山特别是沙山前缘小沙丘一直停止不动，而是当沙山迎风面风蚀形成的小沙丘，向其背风面移动到平坦沙地特别是沙砾质和砾质戈壁带时，由于物源逐渐减少，风力不断加大，小沙丘一直处于风蚀大于堆积的蚀积状态，沙丘愈移愈小直至最后完全变成非饱和搬动的风沙流通过，所以，平沙地和戈壁带实际上就成为阻挡沙山和前缘小沙丘向莫高窟顶移动埋压的天然屏障。8.3.1.3阻沙工程设计1.“A”字型尼龙网栅栏设计1990年敦煌研究院与中科院兰州沙漠研究所在美国盖蒂研究所的直接协助下，为了保护莫高窟(千佛洞)免受风沙的直接危害，拦截鸣沙山沙源、稳定沙砾质地表，为生物固沙创造良好的环境条件。根据本区鸣沙山体相对稳定，不会造成对洞窟的直接危害，而主要危害来自偏西风经过沙砾质地表时形成较强的风沙流，所搬运的大量沙物质将堆积于崖顶崖面和栈道或进入洞窟的风沙流活动特点的初步认识，设计并实施了“A字形”结构的防沙体系(图8-12)，“A字形”定点指向西风。两个斜边与主害风有较大的交角，与对应的西北－东南、西南－东北风交角较小或近于平行，目的在于它既可以在主风向上截断鸣沙山的沙源，又能在次风向上使栅栏具导沙功能。“A字形”的两个平行横向栅栏主要用于阻拦戈壁就地起沙作用，从而达到全面根治沙害，确保洞窟安全的目的。图8-12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）所选材料为国外普遍用于轮牧的“草库伦”建设的尼龙网，它具有耐老化、易移动、施工简便等特点。莫高窟顶自然条件严酷，生物治沙措施又难以实施，因此，采用尼龙网栅栏防治风沙具有实用安全等效果，同时，又是对新材料的开发，丰富了栅栏防沙材料的领域，并使栅栏作为阻沙、导沙的一个尝试。因此，采用尼龙网栅栏不仅在莫高窟地区，而且在其他条件严酷的风沙地区，都将有广阔的前景。2.尼龙网栅栏防沙效应的风洞模拟实验（1）实验内容根据防沙工程的需要，着重进行不同孔隙度栅栏与主风向成不同夹角的风沙阻导作用模拟实验。孔隙度β分别为50-55%、40-45%、30-35%和20-25%;与主风向夹角\uf061分别为30ο、45ο、60ο和90ο（与风垂直）。风速仅取u∞=11m/s一种。（2）实验结果12/19实验是测试栅栏孔隙度逐渐减少，由50-55%减到20-25%，并与主风向具有30°、45°、60°和90°夹角情况下的流场纵剖面。结果是它们与紧密型及通风型栅栏之差别，仅在材料柔韧性好和沙粒的穿透性较强及栅栏后加速区很弱这三个方面。可见，尼龙网制成的栅栏与普通栅栏相比，具有更强的防风沙效应。随着栅栏与主风交角\uf061的减少，侧导作用加强。栅栏后贴地保护区的大小，以孔隙度40-45%为最大。按一般减速20%计算，它的贴地保护区可达30H以上(H为网栅高度)，而由硬质材料构成的栅栏的贴地保护区仅27H，说明尼龙网栅栏阻沙效果更好。实验还表明，侧导作用则以紧密型和小夹角、如孔隙度β=20-25%(\uf061=30o)为佳。8.3.1.4莫高窟“A”字型尼龙网防沙栅栏工程的防风阻沙效应1.防风效应莫高窟“A”字型尼龙网防沙栅栏高1.8m，孔隙20％，阻力系数1.5，当风速为11.1m/s时，栅栏受风压力为17kg/m2。栅栏立柱采用角钢，间距3m，立柱基础为20×30×30cm3的水泥墩，埋置于地基土中，并采用45°加固，尼龙网固定于框架上。尼龙网栅栏网前、网后的风速都有较网前旷野点风速降低的趋势。网前、网后1m处，速率降低最大，与网前旷野点相比，网前1m处大约降低了8－18%；网后1m处大约降低了40－50%。风速受尼龙网栅栏的作用，即使在网后18m处，也未恢复到网前旷野点的风速，只有旷野点的70%。位于栅栏前1m和栅栏后1m两点，0.7m，1.5m高度上透风度廓线比较陡，而在0.2m的透风度廓线则较缓，主要原因在于网前下部留有反向输沙通道所致。通常风速随高度的增加而增大，而尼龙网栅栏中部具有兜风性，从而使0.7m高度的透风度反而大于1.5m高度，从而增大了积沙体在栅栏前后的距离。在栅栏后18m处，透风度也只有旷野的70%左右，从而增大了栅栏的有效防护距离。2.阻沙效应（1）栅栏前后积沙形态栅栏前后积沙观测断面成果表明，“A字形”斜向和横向栅栏都有积沙体。斜向栅栏较横向栅栏积沙较严重，说明了鸣沙山沙源的危害程度大于戈壁滩的就地起沙。积沙形态的季节变化，有堆积与风蚀交替出现的特征，反映了栅栏底部透风度大，从而具有反向搬运的能力。网前、后的积沙体最大厚度都离栅栏有一定的距离，从而起到了延长栅栏的使用年限，同时，“A字形”斜边的积沙体沙波纹的走向垂直于栅栏走向，反映了尼龙网栅栏的导沙功能。（2）洞窟栈道积沙量监测防沙栅栏体系于1990年11月底完成。尼龙网栅栏建成后，对比栈道积沙盒沙量的月际变化，与未设栅栏前的月际积沙相比较，大约减少了60%左右。在崖面没有得到化学固沙之前，窟前积沙量的变化并不能真正反映栅栏的防护效益。因为东风的强烈风蚀，仍可以使崖面的多年积沙下滑，造成洞前积沙，其显著变化表现为崖顶和崖面的黄色状伏沙减少或消失，窟前积沙盒样品中粗砾增多。8.3.1.4总结及建议1.总结根据莫高窟风场特征设计、实施的A字形尼龙网栅栏防沙体系，已经起到控制流沙、稳定沙砾质地表和保护石窟与壁画的重要作用。尼龙网栅栏不仅直接阻止了偏西风向洞窟搬动沙量的95%，而且夜间洞前积沙减少了80%以上，外围栅栏对来自主风向的外侧积沙的侧导率平均达到35%；对其内侧的侧导作用，在偏东风时为57.51%，偏西风时平均为15.89%。风洞模拟实验结果表明：尼龙网防沙栅栏其作用兼有疏透和通风两种形式，是一种比木质栅栏更优良的防沙材料。其最佳孔隙度为40-45%，保护区达30H以上。其积沙效率在13/19中速时超过70%，在特大风时也超过50%，但从其阻滞效率随着栅栏与主风向的夹角变小看，尼龙网栅栏具有一定的导沙性能，其临界角约为30o。如果超过30o，导沙效率将降低，并在栅栏后形成一逐渐离网的沙堤，与栅栏共同负起导沙作用。2.建议莫高窟“A”字型尼龙网防沙栅栏建成后，经过两个风季的观测，使洞窟积沙减少了70％，但同时栅栏前后积沙严重。戈壁因积沙形成沙垄，沙垄高约0.5～1.6m，这种“A”字型防护体系虽然有一定的导沙功能，但远远小于积沙的速度，而且在栅栏积沙体上生长了大量的一年生沙米，高30～50cm，从而使栅栏的导沙功能急剧降低。因此，戈壁积沙日趋严重。设置的尼龙网栅栏，虽然有效地防止了窟区积沙。但同时又阻止了偏东风的反向搬运，破坏了窟顶戈壁这一良好的输沙场，从而在戈壁上形成新的沙垄。我们认为只有采取综合的防护体系，莫高窟的风沙灾害才能得到有效的控制。根据莫高窟风沙运动规律和危害方式，借鉴于条件类似的包兰铁路沙坡头段，兰新铁路玉门段已有的防沙成功经验，建议在莫高窟顶建立一个在空间上由阻沙区、固沙区和输沙区组成，以机械、生物、化学三种措施构成的“六带一体”防护体系（图8-13、图8-14）。图8-13莫高窟防护体系功能图图8-14“六带一体”配置图式（1）阻沙区阻沙区应建立在鸣沙山流沙前缘，由立式栅栏构成，其作用是改变风沙流通过区的下垫面性质，使来自主害风方向的风沙流搬运能力发生变化，从而使风沙流中所携带的沙粒14/19沉降堆积，截阻减缓沙丘向洞窟方向移动，所以阻沙带的位置必须排列在防沙体系的最前缘。如沙坡头人工防沙林体系最前列的防沙栅栏，风沙减少了78％，不仅阻止沙丘前移而且减少进入其毗邻的防护工程主体固沙区的流沙，保证了固沙区草方格沙障的稳固。（2）固沙区固沙区建立在阻沙区下风向的平沙地、沙砾质戈壁和洞窟崖面上。由半隐蔽式方格（1×1m）沙障带、人工滴灌固沙植物带、砾石压沙带、碎石压沙带、化学材料固沙带所构成，是防护体系的主体。在栅栏下风向设置半隐蔽式沙障，目的在于改变下垫面的粗糙度达到继续削弱风速，减少输沙效应，使沙丘表面的吹蚀堆积活动趋于平息，从而为其下风向的人工植被创造适宜生长的环境。据实测，在流沙上设置距地表高15-20cm的1×1m草方格沙障后，使流沙地表的粗糙度增大400～600多倍，风速降低了20％（0.5m高度），输沙量减少了99％，基本控制了地表的风沙流活动。在保证洞窟安全的前提下，在半隐蔽式方格下风侧采用滴灌技术栽植沙生植物，其作用在于通过不断生长的枝叶，进一步稳定流沙表面，在沙山前缘形成长久的绿色屏障，随人工植被的建成及覆盖度的增大，人工生态系统的防护作用将逐渐占据主导地位。据观测，盖度在30～50％的植被区，风速可以减少51.6～55％。人工植被粗糙度相当于流沙区的457～1242倍，使风沙活动大为减弱，而且对大气尘埃具有沉积和吸附作用，使近地面空气中30～60的尘埃被阻截在人工植被地带，成为地表结皮层细粒物质的来源。观测表明，由于窟区沙源主要来自沙砾质戈壁，而只有风速大于11m/s时，才出现鸣沙山沙源的长距离搬运，因此在沙砾质戈壁地带采用碎石压沙，一方面覆盖沙源，固定沙面，另一方面减小下垫面的粗糙度。由于砾石反弹作用，造成了一种不利于沙子堆积的条件，促进天然戈壁输沙场的形成，并为偏东风反向搬运创造了一个适宜的下垫面。随输沙量的减少，沿窟崖面由非堆积搬运区逐渐成为强风蚀区，因此只有采用化学材料固结才能达到固沙和防护岩体风蚀，有不破坏窟区自然景观的目的，风洞模拟实验表明，10％的硅酸钾等具有相当强的抗风蚀能力。（3）输沙区输沙区是砾质戈壁组成的空白带，由于砾质戈壁不易起沙，而且偏东风对窟顶崖面的多年积沙具有反向搬运能力。因此，保持其自然输沙场，不管从经济上还是防沙效益上都是适宜的。8.3.2HDPE蜂巢式固沙障的应用及其防沙效应HDPE蜂巢式固沙障可以增大下垫面的粗糙度，明显降低地表底层风速，进而减弱输沙强度，使流沙表面得以稳定。在格状沙障内，由于气流的涡旋作用，使原始沙面充分蚀积，最后达到平衡状态，形成稳定的凹曲面。下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值为13.6/100～13.2/100，这种下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值与传统有效的草方格（草方格为13.3/100）防沙效应相当，其二者流场特性也相同。这种稳定的凹曲面，对不饱和风沙流具有一种升力效应，形成沙物质的非堆积搬运条件，这是格状沙障作用的关键。实验表明选用孔隙度为40％、高20㎝的HDPE固沙障防沙效果显著。采用HDPE新材料制成蜂巢式固沙障可替代传统的草方格沙障，具有很大应用价值和推广前景。8.3.2.1HDPE蜂巢式固沙障材料性能及布设方法HDPE蜂巢式固沙障原材料选用了熔融指数较小、分子分布较窄，耐候性抗腐蚀好的HDPE为主要原料。选用国际先进的HALS–3受阻胺光稳定剂为抗老化助剂，配以紫外线吸收剂，抗氧化剂等，以适应沙漠耐高温（＋75℃）和耐低温（－35℃），抗老化时间≥10年。采用三针经平衬纬编链成网。与其他格状沙障相比，除具有无污染、耐老化、成本低可重复使用、便于施工等优点。根据布设的区域，先按1×1m格点打桩，木桩尺寸为3cm×3cm×50cm和4cm×4cm×70cm的錐形桩，置入地表以下35～50cm。如图8-15所示，15/19将尼龙网缠绕在木桩上，并将底部和沙面埋平即可。图8-15HDPE蜂巢式固沙障布设示意图8.3.2.2HDPE蜂巢式固沙障防沙效益1.风洞实验实验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室野外环境风洞中完成的。实验段长21m，风洞横断面1.2m×1.2m，分别选取8、12、16、20m/s四组指示风速。在整个实验过程中，将风速廓线仪安置在距离实验前端12m的洞体中央，采样点距沙床面分别为1.0、1.5、3.0、6.0、12.0、20.0、35.0、50.0cm8个不同高度，采样时间间隔2秒。测量输沙量的垂直分布采用平口式积沙仪，风沙流入口断面为0.5cm×1.0cm，高60cm。为防止风速廓线仪对积沙量的影响，积沙仪安置在风速廓线仪后2m处，与其处于同一水平位置。实验材料选取孔隙度为35%，40%，45%和55%四种HDPE固沙网，将其设置在流动沙面上，出露高度为10cm，沿风洞实验段轴向间隔1m。为了研究气流稳定状态下，HDPE蜂巢式固沙障孔隙度对风沙流结构与风速廓线的影响，在流沙表面共设置7个网格，前面不留存流沙。每完成一组风速实验，重新布置沙面，确保沙源充足。实验采用沙样为腾格里沙漠天然混和沙。在更换实验材料时，积沙仪、风速廓线仪和尼龙网格的安放位置固定不变，只改变其孔隙度，具体实验布设见图8-16。16/19图8-16实验布设示意图不同孔隙度的风沙流结构见图8-17。当风速为12m/s时，四种孔隙度随高度输沙率趋势一致。在孔隙度为35%、40%、45%三种HDPE蜂巢式固沙障底部，单宽输沙率相对较孔隙度55%材料小的多。但当在风速为16m/s时，35%和40%两种HDPE蜂巢式固沙障底部单宽输沙率分别为15.47和15.20g/cm·min，而45%和55%的HDPE蜂巢式固沙障底部单宽输沙率分别为23.71和32.30g/cm·min，几乎是前者的两倍。在沙障顶部，孔隙度为35%、45%、55%三种HDPE蜂巢式固沙障单宽输沙率明显高于40%的固沙障。特别是当风速在20m/s时，随着沙障高度的增加，35%、45%、55%三种材料输沙率显著增加。35%的HDPE蜂巢式固沙障顶部（10cm）输沙高达246.54g/cm·min，其原因在于：如果孔隙度太大，沙粒透过沙障底层向下传输；孔隙度太小，对控制过境风沙流效果不好，容易造成气流抬升，增大高层气流输沙量，近地表容易引起风蚀。孔隙度为40%的蜂巢式固沙障既能阻止地表起沙，又能减弱高层输沙量的增大，具有固输作用。因此，孔隙度为40%的蜂巢式固沙障固沙效果相对较好。流场测量更清楚的显示出：孔隙度为40%的蜂巢式固沙障与传统的草方格固沙障流场特征一致（图8-18），因而完全可替代传统的固沙障。图8-17HDPE蜂巢式固沙障单宽输沙率17/19草方格流场HDPE固沙障流场（孔隙度为40％）图8-18格状沙障流场2.野外实验野外实验选在中国科学院沙坡头沙漠实验站进行。将孔隙度为40％HDPE固沙障按1m×1m的尺寸布置在流沙区，沙障高度都为20cm。同时在流沙和沙障内对风速梯度和输沙率进行测量。沙障内地表变化利用野外观测，主要使用分辨率较高的数码立体摄影技术，采用近景立体摄影的方式。获取的影象在数字摄影测量系统中选定了一个1m×1m的方格网作站，进行立体影象处理和量测，其量测精度为±1mm。HDPE蜂巢式沙障内凹曲面的形成：第一次摄影是2002年2月8日，以后又分别在2002年2月22日、2002年4月8日和2002年8月1日进行了摄影测量。通过在沙障的四角和中心位置设定测量标志，假设以2002年2月8日的观测值作为参照数据，则通过数字摄影测量技术手段观测的结果见表8-4，自2月8日—2月22日期间积沙量很小，2月22日至4月8日期间积沙量剧增，而从4月8日至8月1日近4个月的期间积沙情况变化很小，说明方格网的积沙已达到比较稳定的状态。方格网积沙后的表面形态呈下凹状，下凹的深度(h)与凹面玄长(S)的比值4月8日为13.6/100，8月1日的是13.2/100，图8-19。表8-4不同时间的积沙量2月8日积沙量（mm）2月22日积沙量（mm）4月8日积沙量（mm）8月1日积沙量（mm）1号标志031481392号标志042071953号标志031561654号标志04173176中心标志024163注：积沙量的值均相对于2月8日的数值4月8日方格网剖面图8月1日方格网剖面图18/19H/S=13.6/100（1:7.4）H/S=13.2/100（1:7.6）图8-19HDPE固沙障凹曲面（1m×1m）08.918.42937.748.557.769.479.790.8100-15-10-50草方格剖面图剖面宽度(cm)高差(cm)H/S=13.3/100（1:7.52）图8-20沙坡头稳定的草方格沙障凹曲面（1m×1m）在广东沿海的海岸地区，对HDPE蜂巢式固沙障防沙效益观测结果：1×1m的HDPE蜂巢式固沙障内的输沙率仅为其上风向流沙处的0.45%。这说明，1×1m的HDPE蜂巢式固沙障在实际防沙中能够收到很好的效果。观测结果表明，1×1mHDPE蜂巢式固沙障能够起到较好的防风固沙作用，形成稳定的凹曲面。与流沙相比，150cm高度的平均风速，减弱了0.80m/s，即减弱11.11%；而20cm高度的风速减弱了0.90m/s，即减弱了21.43%左右，20cm高度风速的减弱作用最为明显。HDPE蜂巢式固沙障的防护效益，首先是固定网格内的沙面不起沙。同时，阻截外来沙源，其输沙率仅为流沙表面的0.29%，也就是说沙障控制了大约99.71%的输沙量。格状沙障的防沙效果不仅明显地减弱输沙强度，更为重要的是有效地改变了风沙流的运动条件。流沙表面的沙物质搬运，主要是在0～10cm高层，占99.56%，特别是在0～2cm高度内就占70%，此种结构的风沙流属于过饱和风沙流，很容易形成积沙。在格状沙障上，不仅输沙量小，而且底层沙量明显降低，难于形成积沙。另外，沙面得以稳定有利于植物生长，对于改善生态环境意义重大。19/19',)