沙漠地区公路建设成套技术研究

1. 沙漠地区公路建设成套技术研究 死亡之海 大漠变通途 2008年5月

2. 1 立项背景 2 总体思路和技术路线 5 3 经济社会效益及作用 主要成果和创新点 4 6 成果应用情况 结束语 沙漠地区公路建设成套技术研究 汇 报 内 容

3. 1、立项背景 • 地球上沙漠面积1535万km2，占陆地面积10%。主要分布在非洲、亚洲、阿拉伯半岛、澳大利亚、美洲个别地区。

4. 1、立项背景 我国沙漠和沙漠化土地总面积约157万km2，占国土面积的16%，其中沙漠总面积80.89万km2 ，主要分布在西北和华北。

5. 1、立项背景 • 这些地区蕴藏着丰富的资源，但由于路网密度很低，很多地区不通公路，需要绕行，严重制约了经济的发展和能源开发及当地群众脱贫致富，迫切需要修筑沙漠公路，完善路网结构。 石油、天然气、矿产等资源开发

6. 1、立项背景 沙漠地区修筑公路十分困难，其原因：沙漠自然条件极端恶劣 异常干热：年降雨0-400mm 蒸发可达3000mm 风沙频繁：年起沙风可达300次以上 冷热剧变：日温差可达40℃ 最高地温可达80℃ 塔克拉玛干沙漠素有死亡之海之称

7. 1、立项背景 风沙流运动，对公路的危害极大 ，防护困难 沙埋 路面浮沙 风蚀 能见度低

8. 沙基松散，路基难以压实成型 缺乏砂石等筑路材料 地表松软，运输和施工机械难以进入 1、立项背景 沙丘移动，筑路难度极高 • 公路建设、运营和养护十分困难，严重制约着公路交通的发展。

9. 1、立项背景 • 我们从上世纪七八十年代就开始了沙漠公路研究，成果在九十年代修筑的塔克拉玛干、库布齐等沙漠公路中得到了应用。 垫杠子方能通行的沙漠路段 沙害调查 输沙量观测 塔克拉玛干沙漠公路

10. 1、立项背景 • 然而随着路网密度增加和等级提高，遇到的各种沙漠条件越来越复杂，安全、环保等问题也日益受到广泛关注，在沙漠公路自然区划、设计参数、规范标准及高速公路修筑技术等方面出现了许多急待解决的问题。 路线和主风向直角相交 平纵指标差异大、过渡不合理 主风向 无沙漠高速公路修筑经验 路线 过于顺应地形 指标太低 路线穿越高大沙山

11. 1、立项背景 • 因此，研究解决长期以来沙漠公路建设中存在的重大工程技术难题，对加快沙漠地区公路建设、优化路网结构、提高工程质量、确保运营安全、保护生态环境，实现可持续发展具有重要意义。

12. 1 立项背景 2 总体思路和技术路线 5 3 经济社会效益及作用 主要成果和创新点 4 6 成果应用情况 结束语 沙漠地区公路建设成套技术研究 汇 报 内 容

13. 手段：调查、风洞模拟、理论分析、依托工程试验、效果观测手段：调查、风洞模拟、理论分析、依托工程试验、效果观测 2、总体思路及技术路线 总体思路 方法：13个分课题研究、成果应用、系统集成创新 目标:实现适应各种类型沙漠、不同等级公路建设的成套技术 基础：风沙运动规律和公路特性 流沙危害、 筑路材料、 安全环保等 为主线 以解决

14. 沙漠地区公路建设成套技术研究 选线 材料 路面 防沙 施工 检测 环境 养护 路基 资料收集 成果查新 风洞试验 路况调查 勘察设计 实践 理论 理论分析 学习借鉴 车速调查 依托工程试验 效应观测 手段 方法 资料整理 图件制作 多学科结合 分析研究 仪器观测 数据处理 13个分题总报告 研究总报告 论文集 专著、指南 100多分报告 其他成果资料 2、总体思路及技术路线 技术路线图

15. 1 项目背景 2 总体思路和主要内容 5 3 经济社会效益及作用 主要成果和创新点 4 6 成果应用情况 结束语 沙漠地区公路建设成套技术研究 汇 报 内 容

16. 3、主要成果和创新点 • 经过32家单位200多科研人员7年多技术攻关，在13个分课题系统研究的基础上，在8各方面取得了40余项成果: • （1）沙漠公路自然区划2项成果 • (指标方法.区划图等) • （2）沙漠公路选线及线形参数6项成果 • (设计理念.选线原则.线形指标.参数.3s技术等) • （3）沙漠公路路基设计技术6项成果 • (阻沙性能.合理断面.边坡.高度.稳定性等)

17. 3、主要成果和创新点 • （4）风积沙路用性能4项成果 • (强度机理.回弹模量E0.加固等) • （5）沙漠公路路面结构与材料5项成果 • (温度场.典型结构.材料参数等) • （6）沙漠公路防沙体系建设与维护技术6项成果 • (固沙新技术.防沙体系.植被结构.输沙断面等) • （7）沙漠地区公路施工技术8项成果 • (试验方法.压实机理.工艺.压实度.检测方法等) • （8）沙漠地区公路景观环境4项成果 • (评价方法.环保理念等)

18. 3、主要成果和创新点 • 通过集成创新，形成了以沙漠高速公路为主，涵盖一般公路的设计施工和检测评定技术、以“行车和防沙双安全”为原则的路线设计技术、以“阻沙性能和性价分析”为依据的路基设计技术，以“典型结构”为基础的路面设计技术和以“可调控固沙”为理念的各种防风固沙和养护技术，为沙漠地区公路建设提供了成套的技术与方法。

19. 3、主要成果和创新点 • 成果在沙漠高速公路修筑技术等方面填补了国际空白；在沙漠公路自然区划、线形指标、阻沙性能指数、可调控防沙等7个方面取得了实质性创新；在风积沙筑路技术等10多个方面有重大突破；土壤凝结剂及其制备方法、土工编制袋沙障、沙障装置等3项技术获国家发明和实用新型专利；出版专著2部，发表论文60余篇。

20. 3、主要成果和创新点 提出了基于沙漠环境特点的公路路线设计理论方法，完善了沙漠公路平、纵线形设计指标体系，实现了沙漠公路设计中为确保交通安全而采用合理平纵线形进行主动预防行车事故的设计思想。 创新1

21. 沙漠公路选线原则 提出的“双安全”等选线原则方法，改变了过去见沙漠就绕行的观念。 塔 克 拉 玛 干 沙 漠 地 貌 交 通 图 库尔勒 轮台 阿克苏 肖塘 阿拉尔 塔且沙漠公路减少绕行290km 若羌且末公路 减少绕行78km 喀什 阿和沙漠公路减少绕行450km 塔中 若羌 且末 和田 民丰 穿越塔克拉玛干沙漠的三条路分别缩短里程78km、290km、450km

22. 沙漠公路合理线形 提出用实际运行速度进行线形设计的理念，确定了平纵面线形指标体系。

23. 指标对比举例（不受限路段）

24. 沙漠公路选线技术 采用3s技术实现上述理念和原则 RS卫星遥感信息处理 GIS地理信息处理分析

25. 3、主要成果和创新点 综合应用空气动力学和风沙物理学原理，以室内风洞、依托工程流场观测为依据，确定了定量分析路基阻沙性能模式，揭示了阻沙性能指数随路堤高度和边坡度的变化规律，有效地解决了沙漠路基合理横断面设计难题。 创新2

26. 1:i 积沙平台 H 1:i b b B 积沙平台 φ 路基合理断面调查试验 图3-3 路堤弱风区面积计算示意图 调查分析 阻沙性能指数：r=Q/D 阻沙性能模型 风洞试验 合理边坡技术经济分析 合理高度技术经济分析

27. 沙漠公路 调查结果 通过边坡稳定性验算 阻沙性能修正模型 工程造价费用模型 性能费用合理断面型式 综合分析 沙漠地区公路路基 合理断面型式及高度 合理断面和高度推荐方法

28. 3、主要成果和创新点 提出了“以沙治沙”的公路防沙理念，研究开发了沙袋、土工方格沙障等工程措施为主的可调控防沙体系及相应的维护技术，开创了“以沙治沙”的公路防沙措施先例。 创新3

29. 可调控治沙、以沙治沙 无穗沙障风速流场图 防沙技术开发与研究 • 利用沙袋装满风积沙或 采用土工格室等其他材 料形成活动沙障，实现 自由调节规格和移动， 在沙障被流沙埋压后可 以提起，恢复固沙效 果，使传统的静态固沙 转化为动态固沙。开发 的有：有鳍无鳍沙袋沙 障、土工方格沙障。 有穗沙障风速流场图 有鳍沙袋沙障风洞模拟试验 有穗与无穗沙障阻沙能力对比 阻固式沙袋沙障防沙体系

30. 可调控治沙、以沙治沙 土工方格风洞模型沙障布置 20%土工方格沙障风速流场 不同规格沙障积沙厚度随风速的变化 不同规格土工方格沙障沙埋提出后风速降低与粗糙度变化

31. A-7m/s B-15m/s C-20m/s 可调控治沙、以沙治沙 ·利用固化剂加固就 地风积沙形成沙 埂，发挥初期固沙 和阻沙作用，配合 植物种植，最终形 成防沙体系，达到 防沙目的。 沙障防风固沙试验效果 不同风速条件下沙埂沙障模型风速流场图 ·通过上述思路和方法实现 “调控固沙、以沙治沙”的 防沙理念。 流沙与沙埂沙障的风沙流结构

32. 可调控治沙、以沙治沙 沙袋沙障 土工网格沙障 沙埂沙障 有鳍沙袋沙障

33. 3、主要成果和创新点 建立了我国沙漠地区公路自然区划指标体系和分区系统，完成了沙漠地区公路二级自然区划，解决了区分不同沙漠地区公路设计、施工和养护中的差异性问题。 创新4

34. 沙漠公路自然区划 区划结果：7个一级区 Ⅰ区呼伦贝尔沙地 Ⅱ区浑善达克沙地 Ⅲ区库布齐沙漠 Ⅰ区半湿润严寒沙地区； Ⅱ区半湿润温冷沙地区； Ⅲ区半干旱温热沙地区； 沙漠公路一级自然区划图 Ⅳ区干旱温热沙漠区； Ⅴ区极干旱寒冷沙漠区； Ⅵ区干旱温冷沙漠区； Ⅶ区极干旱炎热沙漠区。 Ⅶ区塔克拉玛干沙漠 Ⅵ区古尔班通古特沙漠 Ⅴ区柴达木沙漠 Ⅳ区巴丹吉林沙漠 Ⅳ区乌兰布和沙漠 Ⅳ区腾格里沙漠 Ⅲ区毛乌素沙地

35. 覆盖度＞45% 覆盖度15-30% 沙漠公路自然区划 二级区：25个植被覆盖度二级区； 21个沙丘高度二级区。 高度50-100m 高度10-50m 覆盖度<15% 高度＞100m 覆盖度30-45% 高度＜10m

36. 3、主要成果和创新点 揭示了含水量、压实度等指标对风积沙路用性能的影响规律，确定了风积沙路基的压实标准、检测方法和质量评定标准，使沙漠地区最广泛和最经济的沙漠沙得到了充分应用。 创新5

37. 风积沙路用性能及施工控制 不同沙漠分区沙基回弹模量推荐值 风积沙回弹模量 通过调查、实测和室内研 究，并经大量应用，推荐出 不同分区沙基回弹模量取值 范围。 南疆风积沙回弹模量与承载板直径、含水量关系曲线图 通过室内外不同含水量、压 实度条件下风积沙路基回弹模 量的试验，揭示了风积沙路基 含水量、压实度与回弹模量的 关系。

38. 彩色风积沙振动试验 风积沙路用性能及施工控制 通过研究提出了一整套沙漠高 等级公路施工的系统技术和质 量控制标准。 风积沙路基压实标准及 检测方法 1）提出风积沙最大干密度的确定方 法，明确了≤0.075颗粒含量大于23% 时采用标准击实法，小于23%时采用 振动台方法。 2）提出沙漠地区高速、一级公路路 基压实标准为94%、二级和其他公路 为93%。 风积沙不同压实方法压实曲线图

39. 3、主要成果和创新点 通过研究沙漠公路路面结构温度场及相应力学特征，建立了沙漠公路路面温度、变温速率以及温度梯度的计算模式，为沙漠地区公路路面结构设计和材料的选择提供了依据，并据此提出了沙漠地区的路面典型结构类型。 创新6

40. 沙漠公路路面温度 路面温度场测试分析 • 在内蒙G207线，采用自动温度仪，进行了路面现场温 度测试，通过分析，确定出工作环境温度指标；建立了路 面最高、最低温度、最大变温速率以及最大温度梯度的理 论预估公式；提出了温度场数学模型和计算方法，为沙漠 公路路面结构设计和材料选择提供了理论支持。 路表最大温度梯度理论预估公式可表示成： 夏季： 冬季：

41. 沙漠公路路面温度 路面结构的温度场变化曲线 夏季典型路面结构温度日变化曲线 冬季典型路面结构温度随深度变化曲线 路表温度随风速变化曲线 路表和基层顶日温差与面层厚度的关系 典型气候条件下夏季路面结构温度梯度日变化曲线 不同日温差条件下温度梯度随深度变化曲线 不同太阳辐射量条件下温度梯度随深度变化曲线 风速对路面温度梯度影响曲线 面层材料导热系数对温度梯度的影响曲线

42. 基于沙漠地区的公路自然区划、公路路线设计技术、路基路面设计施工及控制技术、路基综合防护技术和养护技术的研究成果，通过系统集成，提出了沙漠地区公路建设成套技术，解决了我国各种类型沙漠地区、不同等级公路的建设和养护技术问题。基于沙漠地区的公路自然区划、公路路线设计技术、路基路面设计施工及控制技术、路基综合防护技术和养护技术的研究成果，通过系统集成，提出了沙漠地区公路建设成套技术，解决了我国各种类型沙漠地区、不同等级公路的建设和养护技术问题。 创新7 3、主要成果和创新点

43. 3、主要成果和创新点 • 经鉴定，成果总体达到国际领先水平，获2007年国家科技进步二等奖,2006年中国公路学会科学技术特等奖，其中8个分项目分别获得省部级科技进步一、二、三等奖。

44. 验收鉴定会

45. 总课题获学会特等奖 专家现场考察 领奖 颁奖后交流

46. 国家科技进步奖评选结果 通过形式审查、网评、初评、会议答辩等，该项目获2007年度国家科技进步二等奖，2008年1月8日召开国家科技奖励大会授奖。

47. 国家科技进步奖评选结果

48. 1 项目背景 2 总体思路和主要内容 5 3 经济社会效益及作用 主要成果和创新点 4 6 成果应用情况 结束语 沙漠地区公路建设成套技术研究 汇 报 内 容

49. 4、成果应用情况 新疆、内蒙、陕西推广3000多 公里，其中高速公路380多公里 1、在沙漠公路建设中应用 • 陕西榆靖等多条高速公路 • 新疆塔克拉玛干沙漠腹地公路 • 新疆沙漠边缘利用风积沙筑路 • 内蒙半固定沙漠西部通道 阿拉尔-和田沙漠公路示范工程

50. 沙漠地区公路建设 成套技术推广应用范围 G216青大路 G207锡桑路 赤巴路段 乌鲁木齐 G218库-若路 锡乌公路 阿和公路 陕蒙界高速 呼和浩特 赤通高速 北京 G315若-且公路 且末-民丰 靖王高速 塔中-且末 长中线 榆靖高速 西安