公路风吹沙害形成机理及其预测研究

世界上风吹沙（又称风沙流）分布很广，出现频繁。它不仅会引起视程障碍，还会引起严重的积沙灾害，已是长期困扰风沙地区公路运输的一个难题，严重制约着当地和周边地区社会经济的可持续发展。本项目拟采用野外路段试验和室内风洞实验，结合理论建模分析和数值仿真技术，探讨近地表风沙流与风速廓线的相互影响，阐释复合床面蚀积量与风沙流结构的互馈关系，深入认识风沙流的内在形成机理和运动规律，并针对风吹沙积沙深度定量化这一难点问题，全面分析地形地势、公路路基断面、路侧微细地貌结构、路侧植被、交通工程设施等要素对公路沙害的影响关系，构建风吹沙堆积、吹蚀算法等关键技术，提出积沙深度的定量化模型，量化公路风沙灾害的范围和程度，为风沙流地区的公路设计、防沙设施的选择、布置以及后续的风吹沙形成机理的研究提供新思路、新方法。

世界上风吹沙分布很广，风沙运动出现频繁。它不仅会引起视程障碍，还会引起严重的风沙灾害，是一个全球性的环境问题，也是长期困扰沙漠地区公路建设、运输、养护的一个难题，严重制约着当地和周边地区社会经济的可持续发展。本项目采用野外路段试验和室内风洞实验，结合理论建模分析和数值仿真技术，探讨了近地表风沙流与风速廓线的相互影响，采用尖劈、挡板、粗糙元组合的湍流发生装置在风洞中模拟了大气边界层，测量了模拟流场的平均风速剖面，湍流度剖面和脉动风速功率谱等风场特性参数，测量结果表明平均风速可以用对数律和指数律表征，湍流度随高度呈幂指数变化，脉动风速概率密度函数接近正态分布。阐释了复合床面蚀积量与风沙流结构的互馈关系，用半解析方法计算了不同坡度、曲率下公路（地形）对输沙特性的影响，随路基高度增加，边坡坡度增大，路基迎风坡顶和背风面坡顶处风速增大，且迎风面坡顶处更为显著，沿迎风面从坡底到坡顶，局部起沙率增大，相应的单宽输沙率和输沙浓度变大，在路基迎风面坡底和背风面坡底处风速减小，特别是在背风面产生湍流回流区，沙粒遇阻堆积增强；而曲率对风沙流结构的影响呈非线性关系。深入认识了风沙流的内在形成机理和运动规律，并针对风吹沙积沙深度定量化这一难点问题，全面分析地形地势、公路路基横断面、路侧地貌结构、交通工程设施等要素对公路沙害的影响关系，公路迎风面的吹蚀和背风面的堆积，主要取决于来流风速、路基形状，同时地面粗糙度、沙粒粒径也是重要的影响因素，在此基础上，构建了风吹沙堆积、吹蚀算法等关键技术，提出积沙深度的定量化模型，量化公路风沙灾害的范围和程度，为风沙流地区的公路设计、防沙设施的选择、布置以及后续的风吹沙形成机理的研究提供新思路、新方法。