西部交通建设科技项目交通科技管理中心.docx

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西部交通建设科技项目交通科技管理中心

国道315线病害治理与生态环境保护研究

报告简本

1、立项依据（详见总报告）

国道315线是横贯新疆南疆南部地区，连接南疆主要县市的交通大干线，是新疆交通网的大动脉；亦是未来亚欧大通道中的重要组成部分，其中依吞布拉克～且末段又是国家西部八大通道之一，其改建意义重大。

在国道315线改造前期，科研先行，该项目立题旨在解决国道315线依吞布拉克（茫崖）～且末段公路突出的病害问题和改建公路穿越国家级自然保护区的生态环境保护的问题，研究国道315线依吞布拉克～且末段工程难点的治理技术措施与实施方案，提出国道315线依吞布拉克～且末段工程实施中生态环境的评价与保护举措，为国道315线的改建提供设计、施工及养护的依据和原则。

2、主要研究内容（详见总报告）

2.1总体目标

提出国道315线依吞布拉克～且末段公路病害的类型、程度和成因，划分治理重点，在此基础上进一步提出解决该段工程病害难点的治理技术措施与实施方案，并提出不同工程生态区不同工程阶段的生态环境保护和影响减缓规划及对策方案。

2.2主要研究内容

①调查与观测国道315线依吞布拉克～且末段工程难点、病害状况、程度以及成因。

②通过理论分析、试验研究等，研究解决国道315线依吞布拉克～且末段工程病害难点的治理技术措施与实施方案。

③研究国道315线依吞布拉克-且末段工程实施中生态环境风险评价与保护举措。

④依托工程（工程实践）。

3、主要研究成果

3.1国道315线依吞布拉克～且末段公路病害状况、程度及成因调查研究（详见分报告之一）

3.1.1国道315线依吞布拉克～且末段水毁病害调查及分析

3.1.1.1河流的形貌与物质结构

国道315线河段主要分为顺直型和冲积漫流型，根据组成的物质不同，可分为4种类型：

砂质河滩、砂砾河滩、砾质河滩、卵石河滩。

3.1.1.2水毁成因

国道315线依吞布拉克～若羌段水毁成因主要有四方面①特殊的地形地貌条图片1冲积漫流河流

件为水毁的发生提供了良好条件；②独特的天气系统和地形系统，造成局部地区

的突发性降雨，极易形成灾害型天气；③脆弱的生态环境，导致公路沿线水土保持能力极低，一旦降水就迅速图片2顺直型河流

转为洪水；④全球气候转暖，降水量的增加，以及极端气候事件发生的频率增加，增大了水毁发生机率。

3.1.1.3破坏形态及分布范围

国道315线水毁病害的破坏形态主要有冲蚀啃边、淘底塌滑、冲刷截断。

K1347～K1488水毁灾害较严重。

有个别段落是全线水毁最为严重的段落，作为本课题重点研究及处置的段落。

3.1.2国道315线依吞布拉克～且末段盐渍土病害调查及分析

3.1.2.1盐渍土类型

国道315线依吞布拉克～且末段盐渍土主要分布在山间谷地、沼泽、山前洪积平原下部、扇缘洼地以及绿洲边缘，面积很广。

全线盐渍土类型根据地下水的赋存条件主要划分为以下三类：

残余盐土、洪积盐土以及现代盐渍土。

3.1.2.2分布特征

若～且段主要以风积沙荒漠地平原、洪积粉土平原及绿洲和绿洲边缘地形为主，其盐渍土盐性则较强，最大含盐量接近50%，其盐类表聚性较弱，纵向层次含盐量变化不大。

3.1.2.3化学分布特征

依～若段主要以硫酸盐为主，若～且段以硫酸盐、氯化物混和盐（以氯化物盐类居多，其他为硫酸盐—氯化物或氯化物—硫酸盐盐渍土）为主，盐分离子以CL-、SO42-、K+、Na+为主，Ca2+、Mg2+为辅，基本不含CO32-、HCO3-离子；随着含盐量的增加，CL-、SO42-K+、Na+急剧上升，Ca2+、Mg2+增加速度缓慢。

3.1.3国道315线依吞布拉克～且末段风积沙病害调查及分析

国道315线依吞布拉克～且末段位于塔克拉玛干沙漠的东南缘，沿线的大沙垄、新月形沙丘和沙丘链及波形沙地、平沙地，主要以半固定沙丘的形式分布，在风的作用下，流沙堆积或进入到公路上而形成交通阻塞，造成严重的病害。

项目区风力大、频率高，年风沙日均占全年时间的50%之多，沙害的发生时期较长。

风积沙病害形成的因素综合分认为，风积沙病害形成的因素有：

风力作用强度、地形地貌因素、沙源丰富程度、公路线性断面、防护体系设置五方面。

根据流沙对公路造成的后果，公路的沙害可归纳为沙埋和沙蚀两种。

3.2国道315线依吞布拉克～且末段区域气候特征及其对公路水毁的影响研究（详见分报告之二）

通过对近50年来中国西部国道315线依吞布拉克～且末段区域温度变化、湿度变化、降水量、蒸发量等气候参数的收集，变化趋势分析，对中国西部国道315线依吞布拉克～且末段不同气候区各历时暴雨设计值进行对比分析，以概率模式揭示了不同气候区公路段24小时最大降水量值、最大洪峰流量设计值分布规律，为该公路水毁防治工程及未来公路养护等提供科学依据。

3.3国道315线依吞布拉克～若羌段水文勘察与洪水研究（详见分报告之三）

3.3.1洪水成因及暴雨分析计算

根据国道315线依吞布拉克～且末公路沿线近5个水文气象观测站近50年最大洪峰流量、24小时最大降水量资料，应用统计学导出的P-Ⅲ规律模式，计算出了公路沿线暴雨洪水不同概率设计值和年最大洪峰流量不同概率设计值。

国道315线依吞布拉克～且末公路沿线不同气候区各历时暴雨具有历时短，雨量大的特点，区域暴雨型洪水是最主要的洪水类型，在公路水毁工程和公路桥涵设计中引起高度重视。

3.3.2历史洪水勘察与分析计算

采用历史洪水洪峰流量计算的三种方法：

曼宁公式法（方法一）、计入水头变化的比降面积法（方法二）、不计水头变化、糙率试算的比降面积法（方法三），由于方法一、方法二参数选用任意性明显大于方法三，本次研究主要推荐采用不计河段水头变化、糙率试算法（方法三）计算结果作为采用成果。

3.3.3设计洪峰流量计算

设计洪峰流量计算方法：

①频率曲线法；②调蓄经验单位线法；③推理公式法；④地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法；⑤洪峰流量模数法；⑥地区综合经验公式法。

通过各种方法计算成果的对比分析和合理性检查，80%左右的节点采用地区洪峰流量模比系数综合频率曲线法推求的设计洪峰流量较为合理。

3.4国道315线依吞布拉克～且末段水毁病害治理研究模型试验研究（详见分报告之四）

3.4.1水毁模型试验研究

3.4.1.1路基水毁机理试验

⑴复合坡起动流速试验；

⑵冲沟路基冲刷试验；

⑶戈壁滩路基冲刷试验。

3.4.1.2水毁防护方案试验

⑴冲沟冲刷防护方案试验

⑵戈壁滩路基冲刷防护方案试验

⑶浆砌片石防护冲刷对比试验

图3防护冲刷试验图4格宾防护试验

图5试验数据采集图4土工格笼防护试验

防护方案的效果有较大的差异：

格宾（格室）箱体结构、格栅笼结构比土工布砂枕、平铺格栅效果要好。

格笼防护属柔性防护，可适应河床的冲刷变形，因而其防护效果较好。

3.4.1.3路基水毁及防护计算公式

（1）路基局部冲刷深度的计算公式——冲沟冲刷深度的计算公式：

以流量替换流速为基础，进行相应的回归分析，得出以下计算公式

（2）路基局部冲刷深度的计算公式—戈壁滩冲刷深度的计算公式：

水深h，泥沙中值粒径d，水流冲击角θ，河槽宽度B，流速V

（3）冲刷宽度计算公式

从冲刷断面的几何关系推理的冲刷宽度的计算公式：

3.5国道315线依吞布拉克～且末段盐渍土工程特性及盐胀性试验研究（详见分报告之五）

在研究区域盐渍土病害发生的重点段落取样，配制粉粘粒含量依次为10%，20%，30%，40%，50%的五种土样（以0.05mm为粉粘粒的界限，且五种土样的易溶盐含量（特别是硫酸根）基本一致，进行工程特性及盐胀性试验，其中包括在不同含水量、不同密实度、不同级配的条件下的击实特性、抗剪特性、沉降特性、渗透特性、毛细水上升高度、冻胀特性、盐胀特性等，分析并总结随粉粘粒含量的变化，盐渍土的工程性质的变化规律，对盐渍土病害的处置具有一定的指导意义。

3.6国道315线依吞布拉克～且末段环境特征与生态环境保护措施的研究（详见分报告之六）

3.6.1工程生态区划研究

工程生态区划原则有地理环境异同性原则、生态功能与过程原则、工程前瞻性原则、生态脆弱与敏感性原则。

工程生态区划分为①路域生态单元8个景观生态单元；②路域生态敏感地段野骆驼自然保护区路段5个敏感区段和沙漠及车尔臣河沿岸路段2个敏感区段。

3.6.2景观生态环境风险评价研究

根据植被类型及生态稳定性量化指标，综合评判的结果是该路域所有植物群落或组合按稳定性，包括自然恢复能力被分成6个等级。

土地利用因子综合国内专家思想，根据国道315线的生态情况，最终将土地利用稳定性指标分成10个级别。

土壤因子经过综合判定，路域内分布的所有土壤类型，稳定性指标被分为10个级别。

灾害因子主要指水害、沙害和盐害。

综合分析，根据灾害项目危害程度被评判为5个等级，危害程度从1到5递增。

借助层次分析法（AHP）的评价思路构建公路生态环境风险评价体系（ERA），各区段生态脆弱性指数（Σxiwi）和灾害系数（Σyjwj）的叠加得到各区段生态环境风险评价指数（ERA）。

利用影响因子在研究区段的影响范围（空间）确定各因子权重，即该因子控制（占据）的空间（面积或长度）与研究区段空间（总面积或总长度）之比。

该方法确定的影响因子权重随研究区空间尺度和影响范围的不同而调整，更具客观性。

3.6.3评价结果

采用等间隔分级法，级差定为0.50，最终将8个景观生态区段分为4个风险级别。

制定出公路工程生态环境保护在可研及设计阶段、施工阶段、运营阶段主要保护措施。

3.7国道315线依吞布拉克～且末段试验工程设计、施工技术研究总结（详见分报告之七）

在水毁依托工程中，将不同的路基防护形式，进行了交叉组合，在试验路段中采取了10种防护形式和排水防护系统的综合设计，使用了格栅护坦、格宾坡墙等新型材料的防护结构；采用格宾坡墙+格宾护坦（见图2）、格宾导流坝+格宾护坦等结构组合形式，对水毁的治理起到了综合治理作用。

主要目的是验证相应的防治设计计算理论和新型防护结构工程实用性能，以此为基础，确定国道315线依吞布拉克～且末段水毁病害防治的设计原则。

在沙害地区，成功地应用了西部课题“沙漠地区风积沙路用性能研究”课题的部分成果，使用加固技术和土工格室材料，就地利用风积沙处理路基、路面基层，取得了较好的结果；在试验路段上采用多种路基路面结构型式，沙漠段包括土工格室加固风积沙及固化剂加固风积沙做路面底基层和普通级配砾石及水泥稳定砂砾基层等型式；盐渍土段包括

风积沙路基成型、土工格室加固风积沙做底基层、加固弱（非）盐渍土做基层、底基层、级配砾石基层等路面结构型式。

目的在于①考虑在不同结构层厚度条件下，路面强度的变化规律对路用性能的影响关系；②在结构层厚度相同而材料不同的情况下，路面强度的变化规律对路用性能的影响关系；③在保证路面强度的前提下，考虑使用新材料、新技术，减少远运材料，节省工程造价。

在施工过程中，对选用材料的各项性能进行了检测，对各结构层面的施工质量进行了控制，最后对路面的强度模量进行了检测，以达到研究的目的。

在盐渍土地区使用化学加固盐渍土技术修筑路面底基层或基层，利用土工格室加固风积沙修筑路面底基层处理盐渍土，从而大量减少运输砂砾石等筑路材料，节省工程造价。

盐渍土工程治理试验段：

该试验段布设在国道315线若羌～且末段公路改建工程第二合同段K1619+000～K1633+000，全长约14km。

在此试验路段上有多种路基路面结构型式，其中有风积沙路基、土工格室加固风积沙做底基层、化学加固中弱（非）盐渍土基层、底基层与水泥稳定砂砾基层、级配砾石基层等。

主要目的是探索使用风积沙填筑路基和盐渍土加固技术对路用性能的影响关系以及与通常的筑路材料对比，在保证路面强度的前提下，使用新材料、新技术，减少远运材料，节省工程造价的可行性。

在此路段上进行了土工格室加固风积沙、化学加固盐渍土、级配砾石等常用筑路材料的对比试验段的施工，进行了筑路材料和路面强度检测、后期效应观测等多项工作。

生态环境保护研究也依托以上两项工程。

以研究成果为基础，与工程设计相配合，完成了国道315线依吞布拉克～若羌段环境影响报告书及行动计划、国道315线若羌～且末段环境影响报告书及行动计划，获得有关建设单位和环保部门的批复。

3.8新疆南疆地区公路水毁防治设计施工指南

为使课题研究成果得到充分应用，使研究提出的新技术、新材料和新结构的设计与施工做到正确使用和推广，使国道315线公路建设做到技术先进、经济合理、安全畅通，特编制设计施工指南，指南主要针对国道315线依吞布拉克～若羌～且末段的地理环境、水文、地质特点和公路施工建设及维护条件，为该段道路的水毁防治工程的设计和施工而编制。

它适用于315线依吞布拉克～若羌～且末公路位于红柳沟路段的路基防护和位于戈壁滩路段的路基防护，横跨戈壁滩冲沟的桥台、桥墩、导流构筑物、路堤的防护以及新疆南疆地区或西部类似地区的公路建设设计施工时参考。

3.9开发研制了集查图、表、分析计算于一体的“调蓄经验单位线”设计洪水计算软件

“调蓄经验单位线”设计洪水计算软件，集查图、表、分析计算于一体，实现了设计洪水分析计算程序化。

4、主要创新点（详见总报告）

①采用了多断面约束条件下的比降面积法推求历史洪水洪峰流量计算的新方法，研制了昆仑山～阿尔金山北坡区部分流域设计洪峰流量与集水面积关系地区综合经验公式和洪峰流量模比系数地区综合频率曲线；

②开发研制的“调蓄经验单位线”设计洪水计算软件，集查图、表、分析计算于一体，实现了设计洪水分析计算程序化，填补了干旱、半干旱区设计洪水自动化计算的空白。

为研究设计人员进行类似计算提供了便捷有效的设计工具，具有一定的学术价值和推广应用价值。

③揭示了国道315线依吞布拉克～且末段易于水毁的机理；采用量纲、回归分析，提出了适宜于该区域路基局部冲刷深度和宽度计算公式。

④在路基防护中，首次使用了格宾护坦、格栅护坦、格宾坡墙等新型材料的防护结构；采用浆砌护坡+格珊护坦、格宾坡墙+格宾护坦、格宾导流坝+格宾护坦等结构组合形式的设计，对水毁的治理具有很强的针对性和实用性。

⑤创造性地提出干旱区道路工程景观生态风险评价的概念、评价方法与指标体系，有较强的理论突破；而且充分考虑遥感信息资料和工程设计数据的综合应用，评价结果符合实际，且快速方便，有较大的实用性。

⑥首次提出干旱区公路路域工程生态环境区划原则与方法，结合遥感信息，划分了依吞布拉克-且末段公路路域景观生态功能区。

并结合依托工程编制环境行动计划，为干旱区道路工程施工和运营期环境管理和监察提供了初步范式。

5、效益分析及推广应用前景（详见总报告）

本项目在研究过程中取得的经济效益主要体现在公路合理选线，建设和养护费用减少；使用新材料、新结构，建设费用减少。

社会效益主要体现在，首先可以为边远地区各族人民提供方便、安全、舒适的交通条件对巩固国防和加强各族人民的团结，稳定地区人心，吸引人才，减少人才流失等方面都具有重要的现实意义。

其次有利于发展并带动当地旅游事业，能够强有力地支援当地矿产资源的勘探开发，推动当地经济的发展。

环境效益主要体现在有助于公路建设环境的改善和生态环境的保护及恢复，有利于路线与地形地貌的协调以及环境景观的开发和建设。

正确开展公路路域景观、环境敏感区段及综合功能区划与分析，为干旱区道路工程施工和运营期环境管理和监察提供了初步范式，对国道315线公路实施可持续发展的战略，起到参考和保障作用。

利用本项目成果可更加有效的治理公路沿线病害，科学的修筑公路保护环境景观，维持生态平衡，变害为利，提高安全运营质量，延长公路使用寿命，降低建设和养护成本，将会产生重大的社会和经济效益。