一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙溝防護體系的製作方法

2024-02-23 22:53:15

專利名稱：一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙溝防護體系的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種風沙防治技術領域，具體地說是一種由三角形防沙堤和梯形防沙堤及截沙溝組合成的防護體系。
背景技術：
流動性沙漠區的工農業生產、交通和民用建築設施、文化遺址以及旅遊景區的保護等直接推動著防沙工程的發展。防沙堤作為阻沙導沙工程的一部分，一般位於防護體系的阻沙帶，其作用原理是增大對風沙流阻力，對風沙流進行阻滯消能，令風沙流減速和沙土顆粒沉積。

發明內容
為了更好地發揮防沙堤的防護效益，本發明設計和建立了一種由三角形防沙堤和梯形防沙堤及截沙溝組合成的防護體系，並開展了防沙效應的風洞實驗，探討了其防沙機理，從而為不同形狀防沙堤體系的結構優化設計及其應用提供理論與實踐依據。本發明的目的是通過以下措施來實現
一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙溝防護體系，其特徵在於三角形防沙堤傾角為40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤為傾角40°，高6_8m，上底寬4m，下底寬21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤長與被防護物體長相當，兩組防沙堤中心的間距為堤體高度的4倍，堤間設有截沙溝，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上風向。防沙堤與截沙溝配合使用，將挖採截沙溝的棄土和棄沙堆砌成防沙堤，截沙溝與防沙堤的間距為I. 5-2. 5m，此類方法適用於沙源較少的地表積沙或戈壁風沙流地區。此外修築防沙堤的材料還可以選取道路修築過程中的棄土和棄石，將三角形修築成高H=6-8m，寬W=16.6m，斷面為傾角40°的等腰三角形。梯形防沙堤修築成高H=6_8m，下底寬W1=Zlm,上底寬W2=4m，斷面為兩腰與下底呈40°夾角的等腰梯形。兩組防沙堤中心距離為28m，即堤體高度的4倍。本發明的優點和產生的有益效果是
I、發明設計的防沙堤防護效益的發揮主要靠的是迎風坡低速區對風沙流的滯留以及背風側有效防護距離範圍內的弱風區，合理布置防沙堤體系能夠更好地發揮防沙功效。防沙效應研究結果表明，防沙堤體系的間距為堤體高度的4倍時，能夠形成更大的有效防護距離，避免被防護物體受到侵害，從而為沙礫質戈壁風沙流的防治提供了成功的經驗。2、因地制宜、就地取材。在戈壁和流沙地區，本發明可利用挖採截沙溝的棄土和棄沙堆砌成防沙堤，還可以選取道路修築過程中的棄土和棄石砌築防沙堤，以最小的經濟成本換取保護被防護物體的最大效益，兩種形狀防沙堤與截沙溝配合使用，不僅能在上風向阻擋更多的風沙流，同時能夠在背風側形成更大的有效防護距離。


圖I本發明三角形、梯形防沙堤與截沙溝防護體系的配置示意圖。圖2 10m/s風速下單排防沙堤模型流場分布圖。圖3 lOm/s風速下兩組間距防沙堤體系流場結構圖。
具體實施例方式如圖所示一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤體系，其特徵在於三角形防沙堤I傾角為40°，高7m的等腰三角形；梯形防沙堤2為傾角40°，高7m，上底寬4m，下底寬21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤長與被防護物體長4相當，兩組防沙堤中心距離堤體高度的4倍，堤間設有截沙溝3，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上風向。 為了驗證本發明的有效性和可行性，本發明從風洞模擬實驗出發，我們研究了單個三角形防沙堤、梯形防沙堤產生的效果及二者組合產生的效果，並針對防沙堤體系的間距提出了兩組設計方案，驗證本發明較其他防護工程的優點。修築防沙堤的施工流程簡單；取材可以利用修築道路路基的棄土和沙石，或者就地挖掘堆砌而成，配合截沙溝同時使用，達到更佳的防護效益；防沙堤的維護工作容易；特別是在高寒乾旱地區生物防護措施難以實施，或者其它諸如阻沙柵欄、高立式大網格阻沙固沙障等工程措施易被強風破壞的情況下可修築防沙堤，其受自然環境的限制少，堤身牢固不易破壞，能夠達到較理想的防護效果。研究表明，布設合理的防沙堤能減弱風力並控制風沙活動，充分發揮沙流的輸導功能。但目前對防沙堤的研究尚未有形成完善的體系，對不同類型防沙堤效益的研究欠缺，本發明從防護體系結構的優化配置出發，以期實現更大的防護效益，為野外防沙堤的修築提供理論基礎。防沙堤防沙效益的風洞模擬實驗 I實驗內容與方法
根據防沙工程的需要，著重進行單個防沙堤與防沙堤體系組合的防沙作用模擬實驗。我們用木質三合板製作了高度為7cm、邊坡傾角為40°的等腰三角形和等腰梯形模型，其中梯形模型高度為7cm、上底為4cm、下底為21cm，選擇8、10和12m/s三組風速進行單個防沙堤防護效益的觀測。之後選擇60cm和30cm兩個間距布置防沙堤體系，並進行觀測
2單排防沙堤防護效益
實驗結果見圖2，對比同風速下兩種模型的流場圖2發現梯形模型迎風坡腳低速區的範圍大於三角形模型，梯形模型達到-IlH (-88cm)，三角形模型的坡腳低速區在-6H附近，這與兩類模型的橫截面積有關。梯形模型集流加速區出現的高度大於三角形模型，梯形模型頂部密集地分布著平行於堤頂的風速等值線，在14cm高度處形成加速區；而三角形模型出現在堤頂迎風側附近。梯形模型背風側形成的有效防護距離小於三角形模型，因為梯形頂部存在一段距離，氣流沿坡輻合到迎風坡頂的時候沒有立刻發生輻散分流，而是繼續沿頂部爬行，待氣流到頂部背風側邊緣時開始發生能量分散，由於能量在頂部爬行過程中的削弱，風速等值線迅速下滑；相反三角形模型在堤頂部已發生能量分區，風速等值線呈上揚趨勢，在距離堤體較遠的地方沉降。
結合上述試驗，從防沙堤產生的迎風坡低速區考慮，梯形防沙堤2較三角形防沙堤I形成的迎風坡腳低速區範圍更大，使更多沙粒在沙堤迎風坡腳處沉積；但是從防沙堤背風側形成的有效防護距離考慮，三角形防沙堤I優於梯形防沙堤2，能夠形成更大的有效防護距離。3不同間距防沙堤防護效益
鑑於三角形防沙堤I和梯形防沙堤2各自的防沙優勢，本發明將梯形防沙堤2布置在上風向，三角形防沙堤I布置其後，並設計了 60cm和30cm兩個間距進行觀測。30cm與60cm間距防沙堤體系形成的迎風坡腳低速區距離一樣，且風速等值線結構分布也相似，這是因為迎風坡腳低速區主要受前排梯形防沙堤2影響的緣故。風流繞過梯形防沙堤2有一個逐漸恢復的過程，60cm間距的體系給風流提供了足夠的恢復距離，以至於風流越過三角形防沙堤I形成的有效防護距離大為減小。通過流場圖3對比發現，同組風速下，30cm間距防沙堤體系形成的有效防護距離遠大於60cm間距的體系。·
綜上所述，兩種形狀防沙堤的配合使用，不僅能在上風向阻擋更多的風沙流，同時能夠在背風側形成更大的有效防護距離；同時選擇間距<堤身高度的4倍，可以避免越過梯形防沙堤2的風沙流恢復到原始風速；配合截沙溝3同時使用，不但能夠削弱風速，同時也能堆積沙粒，延長防沙堤的使用壽命。本發明的優點得到了風洞實驗的有效驗證，為西北極端乾旱條件下沙礫質戈壁風沙流的防治和我國重要文物古蹟及經濟設施的保護提供了成功的經驗。
權利要求
1. 一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙溝防護體系，其特徵在於:三角形防沙堤(I)傾角為40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤(2)為傾角40°，高6_8m，上底寬4m，下底寬21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤長與被防護物體長(4)相當，兩組防沙堤中心距離堤體高度的4倍，兩堤間設有截沙溝(3)，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上風向。
全文摘要
本發明涉及一種用於戈壁風沙防治的三角形、梯形防沙堤和截沙溝防護體系，其特徵在於三角形防沙堤傾角為40°，高6-8m的等腰三角形；梯形防沙堤為傾角40°，高6-8m，上底寬4m，下底寬21m的等腰梯形，梯形防沙堤和三角形防沙堤長與被防護物體長相當，兩組防沙堤中心距離為堤體高度的4倍，堤間設有截沙溝，梯形防沙堤布置在三角形防沙堤的上風向。在流動沙區邊緣和戈壁地區交通線路防護時，本發明利用挖掘截沙溝的沙石構築防沙堤的堤體，以最小的經濟成本換取保護被防護物體的最大效益，兩種形狀防沙堤與截沙溝配合使用，不僅能在上風向阻擋更多的風沙流，同時能夠在背風側形成更大的有效防護距離。
文檔編號E02D3/00GK102900028SQ20121013996
公開日2013年1月30日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者李建國, 屈建軍, 馮起, 韓慶傑, 李芳 申請人:中國科學院寒區旱區環境與工程研究所