1、西部交通建设科技项目合同号：2001 318 797 01沙漠地区公路选线及线形参数研究报告简本新疆交通科学研究院2004 年 12 月【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院摘 要本项目在国内外成果资料调研和现有不同类型沙漠公路调查的基础上、分析总结了我国沙漠公路在选线和线形设计方面的成功经验及存在的问题；通过大规模室内风洞实验，系统分析了各种不同形式公路路基条件下的气流运动规律和输沙性能。通过对我国主要沙漠 42 年长期气象资料和地形地貌情况分析，对不同类型沙漠公路现场车速调查，结合我国当今公路交通实际和发展趋势，从交通安全、环境保护、景观协调、节约资源降低造价等
2、几个方面定性和定量分析计算，提出了我国沙漠公路设计指导思想和不同类型沙漠公路选线原则及沙漠公路综合选线原则；确定了沙漠公路平、纵、横线形技术指标参数及设计要点；运用 3S测设技术，总结提出了适应沙漠地区的 3S 公路勘察设计方法；提出了适合沙漠公路景观评价的模糊评价方法和以与最优评价向量贴近程度为依据的关联灰度的综合效益评价方法。最后通过不同类型沙漠公路的野外典型路段效应观测，对相关成果进行了验证和进一步的修正完善，并在上述研究工作的基础上提出沙漠公路选线原则与线形设计综合技术指南。主题词：沙漠 公路 选线 线形关键词：沙漠公路 设计理念 选线原则 线形参数 3S 技术实际车速 风洞实验 风沙
3、观测 环境景观评价【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院AbstractBased on the up to date research results from both our country and abroad and having surveyed all types of national desert highways, this project analyzed and summarized the successful experience and existing problems on the route planning and route
4、design of desert highways in our country. Through large scale wind tunnel experiments, the air motion and sand transport disciplines for different types of highway embankment were systematically analyzed. Having analyzed the 42 years long term meteorology information and the landform and physiognomy
5、 of the large deserts in our country, and site-measured the vehicle speed of different desert highways, and also considering the actual situation and future trends of road transportation in our country, qualitatively analyzed and quantitatively measured from aspects of transport safety, environment
6、protection, landscape harmony, resource saving etc, we put forward the design guidelines of desert highways in our country, the route planning disciplines for different desert highways and the comprehensive route planning guidelines for desert highways; Determined the technical parameters and key de
7、sign points for the plane, longitude and cross route line of desert highways. Using the 3S survey technology, we accomplished the reconnaissance, survey, and design of the experiment highway in the support project and application of the medium term result of this project, and summarized and suggeste
8、d the 3S highway survey and design method for desert highways, and the method for evaluating the desert highway environment, landscape and the comprehensive economic profit. In the last, through site survey and measurement of different desert highway, verified and modified the related research resul
9、ts, and based on that, the route planning disciples and route design guide were suggested.【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院目 录0 引言 -10.1 项目概况 -10.2 总体目标 -10.3 研究内容和技术关键-10.4 研究方案和技术路线-21 沙漠公路路况现状调查结果-21.1 沙漠公路总体线形特征-31.2 路线线位方面的经验-31.3 路线线形方面的经验-31.4 景观认识 -42 沙漠公路几何线形风洞实验研究-42.1 实验的目的和内容-42.2 实验主要结论
10、-53 气象参数及野外效应观测研究 -63.1 气象参数 -63.2 起沙风速和输沙量-73.3 野外观测-73.4 观测主要结论 -74 沙漠地区公路设计新理念和选线原则-84.1 设计新理念和指导思想 -84.2 选线原则和要点-85 沙漠公路线形参数分析研究 -95.1 定性分析主要结论 -95.2 定量分析计算结果-106 3S 技术在沙漠公路勘察设计中的应用 -126.1 基本思想-126.2 3S 在沙漠公路测设中的应用-12【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院6.3 3S 技术在不同阶段的应用-137 沙漠公路景观、环境及综合效益评价方法-147.1
11、 沙漠公路景观的评价-147.2 沙漠公路大气、声、生态环境综合评价-147.3 沙漠公路综合效益评价 -158.研究成果和创新-158.1 研究成果-158.2 创新-169.效益及其推广应用前景 -16【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院0 引言0.1 项目概况随着公路技术的发展和西部大开发的实施，一方面新技术、新工艺、新材料及新设备不断涌现，使沙漠公路在设计理念、指导思想方面有了新的认识和提高；另一方面沙漠公路修筑里程越来越长，等级越来越高，遇到的条件也越来越复杂，在选线原则和综合设计及线形指标掌握、3S 技术、景观环境综合评价等方面出现了许多前所未有的问题
12、。现有成果和标准规范已不能满足沙漠公路建设发展的需要，有必要开展系统研究，提出沙漠公路选线原则和线形设计综合技术指南。0.2 总体目标通过研究，提出各种沙漠地区的选线原则、线形参数指标和综合效益评价方法以及“ 3S”新技术在沙漠地区的公路勘察设计程序方法，使我国在沙漠公路选线技术上有所突破有所创新。0.3 研究内容和技术关键(1)通过调查研究，提出沙漠公路的选线原则；(2)运用3S等新技术，提出沙漠公路勘测程序方法及技术要求；(3)提出沙漠地区公路平纵横技术指标及环境景观综合经济效益评价方法；(4)提出沙漠公路选线与线形设计的技术要求与设计要点。技术关键是公路平、纵、横技术指标参数和选线原则。
13、0.4 研究方案和技术路线采用公路交通、气象、沙漠等多学科多行业相结合，科研院所、高校、管理、设计等单位合作的方式联合实施，发挥各自优势，通过实施有关野外调查和资料收集、室内风洞试验、野外效应观测、依托试验工程、理论分析、经验总结等方案步骤，从而实现研究计划和目的。技术路线见图 0-1。【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院收集、调查科研大学管理设计风洞试验车速测定勘察设计公路交通气象沙漠资料整理 数据处理 图件制作 分析研究选线原则 线形参数 3S应用方法 环境景观评价沙漠公路选线和线形参数指南图0-1 研究技术路线图1 沙漠公路路况现状调查结果通过对五省区19条
14、沙漠公路和个别铁路现场调查和相关资料收集，总结得到以下结果。1.1 沙漠公路总体线形特征从建成的沙漠公路来看，总体上平面直线长，平曲线短；纵断面上变坡点多，竖曲线频繁，平纵线形指标不均匀。1.2 路线线位方面的经验调查表明沙漠公路走向同主风向交角越接近90度，越容易产生积沙（图1-1） ；选线时路线和主风向应尽量保持小角度，利用有利地形布线。路线通过沙丘迎风坡脚或平坦开阔地比较安全，通过沙垄顶部和垭口处，是产生沙害最严重的部位，对于选线和防沙应重点注意。1.3 路线线形方面的经验 图 1-1 路线风向大交角段沙害严重【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院长直线、大半
15、径平纵曲线路段积沙现象少（图1-2） ；小半径平曲线易产生近地表气流波动，出现积沙。沙漠地区路线纵断面，宜顺应宏观自然地形布设，尽量避免剧烈起伏和过长纵坡两个极端。公路横断面应具有良好的气流附体运动条件。一般缓边坡低路堤和敞开式缓边坡路堑符合这一条件。1.4 景观认识沙漠景观元素单调，除地貌和少量植被而外，河流、人文、色彩等十分贫乏。公路自身长直线多，平曲线少，地貌地形难以协调配合。线形设计中应将周围环境、综合防沙体系等与公路景观设计巧妙结合起来，产生缓慢变化的节奏感。尽量减少对自然风景和原地面的破坏，减少因扰动产生的人为风沙危害。2 沙漠公路几何线形风洞实验研究2.1实验目的和内容室内风洞（
16、图2-1）试验, 主要对不同线形的路基模型，开图 1-2 轮台塔中民丰段地势平坦，线形平坦舒缓图 2-1 风洞全景【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院展无沙情况下的风速流场的梯度风速测定，通过不同平、纵、横线形的风洞试验，找出不同形式路基对风场变化的影响，从而找出沙害和路线几何线形之间的关系。实验模拟线形包括直线、平曲线、竖曲线三种路线形式，每种形式又分为路基、路堑，再分为不同边坡、风向夹角、高度、风速等 。共计83种形式。2.2 实验主要结论(1)直线路段直线路堤（图2-2）和路堑，随边坡度变缓、路基降低、与主风交角变小，气流变化减缓，利于防沙。当边坡缓于1：6
17、时，风沙流基本不受路基高度等影响，可顺利通过公路。边坡缓于1:3,风向夹角30，积沙量猛增，因此路线与主风向小于30是最佳线路选择。 2)凸面迎风平曲线的背风路肩部位风速降速较剧烈，凹面迎风的平曲线整个路面风速较低，容易积沙。3)随着边坡的放缓，路堤和路堑的各部位气流都有所改善，分离现象变轻，对公路的风蚀和沙埋危害相应减小。4)通过对路线纵向三个断面进行流场观测表明：路线大挖方顶部和底部高填方路堤沙害最严重，中部浅挖方相对较轻（见图图 3-1 古尔班通古特沙漠阜彩沙漠公路沿线野外风沙观测【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院3-2） 。4 沙漠地区公路设计新理念和选
18、线原则4.1 设计新理念和指导思想研究提出沙漠公路设计应体现以人为本安全第一；环境保护可持续发展；顺应宏观地形与自然和谐相处等5项新的设计理念。提出了沙漠公路设计应贯彻“以人为本安全至上、尊重自然保护环境、技术合理资源节约”的指导思想。4.2 选线原则和要点通过调研、路况调查、风洞试验、车速调查、风沙效应观测和分析，结合沙漠公路设计思想，从交通安全、环境景观、技术经济、方便快捷、防沙保通等几个方面的需求，提出了安全舒适和经济快捷相结合；环境保护和可持续发展；技术指标与地形条件相互协调；直穿与合理绕避相结合；路线设计与防沙工程相结合等5条沙漠公路总体选线原则。在此基础上，针对不同特点提出了流动，
19、固定，半固定沙漠地区的选线原则和各种风沙地貌及地形区的选线要点。5 沙漠公路线形参数分析研究5.1 定性分析主要结论迎 风 坡 脚 迎 风 路 肩 路 中 心背 风 路 肩 背 风 坡 脚 K37+440（ 纵 坡 顶 ）K37+520（ 中 部 ）K37+760（ 纵 坡 底 ）0.001.002.003.004.005.006.007.008.00平均风速（m/s）沿 纵 坡 方 向 各 断 面 风 速 变 化 情 况K37+440（ 纵 坡 顶 ）K37+520（ 中 部 ）K37+760（ 纵 坡 底 ）图 3-2 沿纵坡方向三个断面的风场变化情况【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研
20、究报告简本新疆交通科学研究院1)沙漠公路平纵面线形应保持均衡连续，协调配合，最佳线形为较长直线、大半径平纵曲线、小纵坡、低路基、中低路堑、缓边坡。2)沙漠公路线形应因地制宜运用指标，根据道路等级和交通量，灵活掌握设计标准，设计出经济、合理的路线方案，使道路的平均运行速度达到最佳值。3)沙漠公路线位是一种不可浪费的资源，应综合规划布局，线形指标应本着适度超前，一次到位的原则。4)沙漠公路行车干扰少，车速快，从交通安全出发，路线平纵线形和超高的设计应结合实际，采用实际可能运行车速进行线形控制，对不受限路段尽可能采用较高的指标，以80km/h的速度为最低要求。5)在地形条件不复杂的平坦沙地，只要能适
21、应地形、地物，可以布设长直线，但应与前后线形协调，保持均衡连续，且一般以不超过10km长度为宜；高大沙山不宜选用长直线和过大半径平曲线，一般以标准规定的极限最小半径的3-5倍为宜。6)纵坡对车速影响较大，从高大沙山地形情况分析，汽车行驶速度和工程建设经济的最佳结合点为6.7%左右（图5-1） ，综合分析后认为高大复合型沙山地区沙漠公路极限最大纵坡不宜超过7，一般沙漠地区公路最大纵坡不宜超过5。5.2 定量分析计算结果从防沙和工程经济等不同角度，结合车辆实际可能运行速度对主要的平纵横指标进行了论证、计算，提出下列沙漠公路路线主要指标参数推荐值，见表5-15-7（其他省略） 。表 5-1 圆曲线最
22、小半径图 5-1 土 方 量 和 速 度 的 关 系0.020.040.060.080.0100.0120.05% 6% 7% 8%坡 度百分比%土 方 量 %减 速 量 %趋 势乘 幂 (土 方量 %)【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院设计速度 (km/h) 120 100 80 60 40 30 20最小半径 (m) 1000 900 700 600 500 500 500不受限路段不设超高最小半径(m) 5500 4000 4000 3500 2500 2500 2500最小半径(m) 1000 700 400 200 100 65 30受限路段不设超高最
23、小半径(m) 5500 4000 2500 1500 600 350 150表 5-2 最大纵坡设计速度 (km/h) 120 100 80 60 40 30 20不受限路段最大纵坡 (%) 3 3 5 5 6 6 7受限路段最大纵坡 (%) 3 4 5 6 7 8 8表 5-3 最大限制坡长 (m)120 100 80 60 40 30 20设计速度(km/h)受限段不受限段受限段不受限段受限段不受限段受限段不受限段受限段不受限段受限段不受限段受限段不受限段3 900 800 1000 9001100900 1200 10004 700 500 800 600 900 700 1000 80
24、01100100011001000 1200 10005 600 400 600 400 600 600 900 600 900 700 1000 8006 500 600 400 700 500 700 500 800 6007 500 500 600 400纵坡坡度%8 300 300 400表 5-4 竖曲线极限半径和最小长度表 5-5 最小坡长设计速度(km/h) 120 100 80 60 40 30 20不受限路段最小坡长(%) 300 250 250 250 250 250 250受限路段最小坡长(%) 300 250 200 150 120 100 60设计速度(km/h)12
25、0 100 80 60 40 30 20地形受限路段不受限段受限路段不受限段受限路段不受限段受限路段不受限段受限路段不受限段受限路段不受限段受限路段不受限段凸曲线 m 1100017000 6500 10000 3000 10000 1400 4500 1400 4500 1400 4500 1400 4500凹曲线 m 4000 6000 3000 4500 2000 4500 1000 3000 1000 3000 1000 3000 1000 3000最 小 长 度 m 100 100 85 85 70 70 50 70 50 70 50 70 50 70【沙漠地区公路选线及线形参数研究
26、】 研究报告简本新疆交通科学研究院表 5-6 路堤横断面边坡坡度值路基边坡 1：m路基高度(cm)全断面防护或草丛路段草丛半固定沙地裸露的平坦沙地活动沙丘及沙垅H0.5m 1：3 1：3 1：3 1：30.5mh2m 1：3 1：3 缓于 1：5 缓于 1：6H2 1：3 1：4 缓于 1：7 缓于 1：8表 5-7 路堑横断面边坡坡度值路堑边坡 1：m路堑深度度(cm)全断面防护或草丛路段草丛半固定沙地裸露的平坦沙地活动沙丘及沙垅H0.5m 1：4 1：4 1：4 1：50.5mh2m 1：4 1：4 缓于 1：6 缓于 1：7H2 1：3 1：5 缓于 1：8 缓于 1：86 3S 技术在
27、沙漠公路勘察设计中的应用6.1 基本思想利用 GPS 技术实时快速地测定勘测目标的三维坐标，为遥感图像提供空间位置信息；利用 RS 遥感技术实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或语义信息及最新的遥感图像信息；利用GIS 对多源时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，形成新的集成系统平台，生成沙漠公路设计区真实地貌景观，帮助工程技术人员全面认识沙漠地区自然环境，便于开展沙漠公路勘察设计工作（图 6-1） 。6.2 3S 在沙漠公路测设中的应用利用 RS 卫星遥感图像对沙漠公路所经区域的地形、地貌以及交通网系等进行概要判读，提供沿线土壤和植被、地下水、筑路材料分布等资料，进行沙漠公路路线最佳方
28、案的选定。【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院图 6-1 国道 315 线若羌且末段沙漠试验路“3S”技术的应用确定 GIS 系统的软、硬件平台，形成开发环境，确定系统数据接口，收集系统所需基础资料数据，建立 GIS 系统数据库。利用卫星影像图，建立沙漠公路数字地面高程模型 DEM，对公路沿线进行空间分析。利用 GPS 技术，在可研和初设阶段，为 RS 提供高精度的地面控制点坐标，方便遥感影像的几何校正和影像配准。在施工图测设阶段，代替常规测量仪器进行导线、中线，地形等作业组的工作。6.3 3S 技术在不同阶段的应用可行性研究阶段的应用主要包括沙漠公路地质调查（卫
29、星影像照片解译） 、专题图件绘制、路线方案选择三个方面。该阶段中 RS 与 GIS 的应用是重点。初步设计阶段的应用主要是利用 GPS 技术建立控制网及利用GIS 技术建立三维地面模型并进行详细分析，RS 技术应用则主要在可研成果的基础上，开展方案走廊带的遥感数据分析。施工图阶段应用的重点为利用 GPSRTK 技术进行沙漠公路实地定线，并进行公路中线、中桩高程、横断面、地形图的实地测量。7 沙漠公路景观、环境及综合效益评价方法7.1 沙漠公路景观的评价RS卫星遥感信息处理GIS地理信息处理分析GPS卫星静态定位GPS-RTK动态放样【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研
30、究院沙漠公路景观设计中的线位选择、线形布设、交通标志标线、防沙体系自身景观的处理以及与沙漠自然景观有机的结合是重点。课题研究从观察者的视觉心理为出发点确定沙漠公路景观的评价方法。在课题中比较分析了现有评价中的常用的数学方法，经过对沙漠公路景观评价的特点进行分析后决定采用模糊数学的方法来评价沙漠公路景观。7.2 沙漠公路大气、声、生态环境综合评价根据各单项环境评价分析结果，确定沙漠公路环境影响评价体系中大气环境、声环境、生态环境下一层次中的评价因子。建立沙漠公路环境评价的多层次评价模型。最后，邀请专家打分，用层次分析法确定各个层次中因子的权重，计算评判矩阵，得出评价结果。7.3 沙漠公路综合效益
31、评价使用多级关联灰度的评价方法 进行综合效益评价。根据沙漠公路景观、环境、经济综合效益评价因子和它们之间的层次隶属关系可以建立多级评价模型。用层次分析法确定关联灰度分析评价中的因子权重。计算评判矩阵，得出评价结果。8.研究成果和创新8.1 研究成果1) 提出了沙漠地区公路路线设计新理念、指导思想及具体选线原则。2) 根据沙漠地区公路车辆运行调查分析，提出采用实际可能运行速度进行线形设计，并通过技术经济分析，确定了沙漠公路平纵横线形推荐指标参数。3)通过在沙漠地区公路勘察设计中全面使用 3S 综合技术，提出了沙漠公路各勘察设计阶段可具体操作的工作程序、内容、技术要求。4)提出了适合沙漠公路景观评
32、价的模糊评价方法和以与最优评价向量贴近程度为依据的关联灰度的综合效益评价方法。5）提出了我国沙漠公路选线与线形设计的要点，编制了沙漠公路选线与线形设计综合技术指南。8.2 创新本项目研究成果在沙漠地区公路设计理念、选线原则、线形设计、3S 技术运用、环境景观与综合效益评价等方面具有创新性。【沙漠地区公路选线及线形参数研究】 研究报告简本新疆交通科学研究院9.效益及其推广应用前景本项目研究可在加快西部公路建设，节约建设、运营和养护费用，减少交通事故损失，利于景观环境的改善和生态环境的保护等方面带来可观的社会、经济和环境效益。仅依托工程试验路，比绕行戈壁缩短 78km，节约投资 6584 万元。随 着 西 部 大 开 发 的 深 入 ， 全 国 尚 有 大 量 沙 漠 公 路 需 要 建 设 ， 本课题的各项研究成果，将会对我国西部大开发中沙漠公路大规模的修筑和改造提供实用的储备技术和重要的指导作用，如果能充分使用本课题成果，将会带来巨大的社会、经济和环境效益，具有很高的实用价值和推广价值，在目前和今后将广泛应用于我国沙漠地区以及和平坦沙地地形类似的戈壁、草原地区的公路建设中。
