以科技创新引领打造沙漠腹地生态高速公路

　　一、技术背景

　　党的十八大以来，习近平总书记十分重视防沙治沙工作，指出荒漠化防治是关系人类永续发展的伟大事业，要发扬艰苦奋斗的精神，要努力把沙漠变为绿洲。2020年8月31日，中共中央政治局会议审议通过的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》提出，要“统筹推进山水林田湖草沙综合治理、系统治理、源头治理”，至此把“沙”纳入到了山水林田湖草系统治理当中。

　　沙漠公路建设长期以来均按照“以阻为主，固阻结合”的方式保护公路运营安全，这种防沙治沙方法工程造价高、运营维护费用大，并且对沙漠生态地貌有极大的影响。此外，交通廊道对沙漠的切割会阻挡沙漠流动，最终导致沙漠生态退化。

　　乌玛高速青铜峡至中卫段地处我国干旱风沙区，是宁夏建设的首条沙漠高速公路项目。与我区其他交通强国试点工程相比，该项目最明显的特征是约有18公里穿越了腾格里沙漠腹地。长期气象资料观测显示，该区域气候干旱、降水稀少、蒸发强烈、风大沙多，属极端恶劣自然环境，年均降水量179.6mm，蒸发量1829.6mm，是降水量的10.2倍，天然植被的覆盖度不到1%;年平均风速2.9 m/s，沙尘暴频发，年风沙天数多达200天，最大风力11级。沙漠腹地地势呈西北高东南低态势，海拔高差在300m左右，地形起伏较大，遍布格状沙丘、新月形沙丘及沙丘链，沙丘高度最高可达30m左右，风沙危害严重。严酷的自然条件、脆弱的生态环境，导致风沙问题直接影响公路生态建设、工程防护和行车安全。这既对项目建设提出了严峻的挑战，也为依托沙漠腹地特殊地质条件探索高速公路建管养运新技术创造了有利条件。此外，乌玛高速公路有近18公里穿越腾格里沙漠腹地且靠近沙坡头沙漠自然保护区。公路南侧有2 个依托沙漠资源建设的国家5A级景区，保护沙漠原生态资源、完善宁夏高速“三环四纵六横”公路网对宁夏及中卫市旅游事业发展有重要意义。 研究内容 针对我国首条沙漠腹地高速公路建设过程中存在的气候环境恶劣、地质条件复杂、风沙运动频繁等自然条件对沙漠公路设计、建设、运营提出的困难与挑战，宁夏公路管理中心牵头联合有关单位依托国家“十三五”重点工程-乌玛高速公路沙漠路段的实施,围绕沙漠腹地高速公路廊道风沙运移机理及防沙体系构建技术研究，沙漠腹地典型环境道路设计与施工关键技术研究，数字信息化在沙漠高速公路建设中的应用技术研究及沙漠腹地高速公路防沙体系和路基路面设计施工关键技术应用示范等方面开展攻关技术研究。通过理论分析、室内试验和工程示范验证及反馈优化,形成成套的沙漠腹地高速公路建设关键技术,为我国沙漠公路建设提供技术支撑和实践经验。。 主要成果 1、提出“四带一体”

　　四带一体(迎风侧)：砾石防火带(到路肩距离30米)、生态景观林带(125米)、高立式大网格沙障带(25米)、前沿阻沙栅栏带(75米)，共225米。

　　四带一体(背风侧)：砾石防火带(到路肩距离30米)、生态景观林带(75米)、高立式大网格沙障带(12米)、前沿阻沙栅栏带(38米)，共125米。

　　2、形成6项新技术

　　包括沙漠腹地高速公路输沙导流防沙技术、沙漠腹地高速公路综合设计技术、沙漠公路路基施工技术、节水保湿型水泥稳定碎石基层内养护技术、风积沙台背回填技术以及数据融合可视化分析技术。

　　(1)沙漠腹地高速公路输沙导流防沙技术

　　目前，针对沙漠公路风沙防护工程防护方法、生物防护方法、多元融合防沙方法存在工程造价高、后期管养费用大的问题，项目基于沙粒非堆积搬运现象的”蚀积平衡”输沙理论，提出因势利导的“输沙导流防沙体系”。该技术通过设计输沙沟，依靠输沙沟内气流环流产生的升力使沙粒运动，继而采用沙沟源头段导风设施改变风力运动方向，加快输沙沟内空气纵向流动速度，提供沟内有向前输运的动力，进而沙粒以非堆积搬运方式顺利疏导。

　　(2)沙漠腹地高速公路综合设计技术

　　(3)沙漠公路路基施工技术

　　针对沙漠地区优质筑路材料匮乏、水资源稀缺等问题，本项目秉承因地制宜就地取材的绿色经济性原则，采用沙漠中丰富的风积沙资源替代传统路基填料铺筑沙漠高速公路路基，并基于风积沙理化特性、压实特征研究，提出了风积沙干法压实控制方法，形成了风积沙路基干压法施工成套关键技术，显著提高施工质量，最大限度地降低沙漠公路路基建设对水资源的需求，且具有中间工序少、适合连续摊铺作业等优点。

　　(4)节水保湿型水泥稳定碎石基层内养护技术

　　沙漠腹地气候干旱、降雨稀少、蒸发量高，在该环境下，水泥稳定碎石基层因养护水迅速蒸发造成的水化反应不充分，进而导致其强度低、早期收缩开裂等问题;加之沙漠地区水资源匮乏，沙漠高速公路水泥稳定碎石基层的养生用水问题尤为突出，严重影响了水泥稳定碎石基层的性能。针对该问题，项目采用了“节水保湿型水泥稳定碎石基层内养护技术”，该技术通过在混合料拌合过程中，加入一种具有吸放水性能的内养护材料(SAP)作为混合料组分与其他成分一起搅拌浇筑。SAP材料可以预先吸收水分或者吸收拌合物中的自由水，从而在混合料内部起到“蓄水池”的作用，随着浇筑完成混合料内部胶凝材料水化的不断进行，混合料内部的相对湿度逐渐降低毛细孔产生负压，使内养护材料产生释水动力，将预先吸收的水分释放出来，补充了混合料内部因水化反应造成的水分消耗，有效地缓解了混合料内部硬化水泥浆体的自收缩、干燥收缩以及其他收缩，减小了混合料的开裂，进一步促进了水泥、矿物掺合料的二次水化，有效提高了混合料的密实度、强度和耐久性能。

　　(5)风积沙台背回填技术

　　目前，公路台背回填工程普遍存在因台背填料与构造物的沉降差异导致的“桥头跳车”问题，该类工程以成为公路建设中需重点控制的工作。为了减小回填部分的工后沉降，台背回填材料通常采用工程性质良好的填料，如砂砾土、碎石土等透水性好，强度高，稳定性较好的材料，但沙漠地区砂砾土资源稀缺、供料困难，为降低工程成本，增加施工效率，进一步提高风积沙在沙漠高速公路中的资源应用率。本项目本着就地取材的原则，提出了风积沙台背回填技术，并分别在乌玛高速公路A9标K165+475、K166+066、K166+200)三道钢筋混凝土箱涵处建设风积沙台背回填工程示范，进一步避免了由于不同材料类型造成的不均匀沉降风险。

　　(6)数据融合可视化分析技术

　　针对沙漠腹地复杂的自然环境对沙漠公路高质量建设、安全运营、养护决策等提出的挑战，本项目以气象环境监测技术、无人机倾斜摄影技术、数值仿真模拟技术、数字信息化管理技术等多学科多技术深度融合为驱动，形成了数据融合可视化分析技术。 研发四种新材料，包括生物矿化固沙材料、风积沙改性液态粉煤灰、风积沙注浆材料以及风积沙胶凝材料 (1)生物矿化固沙材料

　　基于生物矿化技术理念，通过大量室内试验与工程试验段研究，开发出生物矿化固沙材料。该材料由脲酶溶液与胶凝液等多种组分按相应比例调配而成，其通过在脲酶的作用下分解尿素获取能量生成铵根离子和碳酸根离子，并在碱性溶液环境下与游离的钙离子相结合产生具有胶结性能的碳酸钙，能够胶结固化风积沙颗粒，在土的表面形成具有保水固沙作用的壳状保护层(即固化层)，防止表面砂尘颗粒被风力扬起，从而达到防尘固沙的目的。同时，该材料创新型地从资源丰富的土豆中提取植物脲酶，解决了传统刀豆、西瓜子脲酶成本高昂的问题，经济性与适用性良好。

　　(2)风积沙改性液态粉煤灰

　　针对乌玛高速公路天然气管道台背作业面狭小，不适合机械压实，进而导致台背不均匀沉降等风险，以及传统液态粉煤灰工程造价高、力学性能不良等缺陷，基于风积沙材料密度小、颗粒松散、级配均匀、磨圆度高等性能优势，提出采用风积沙制备自重轻、密实性好、流动性高及压缩性小的风积沙改性液态粉煤灰轻质台背回填材料，改善了构造物台背不均匀沉降的技术难题。

　　(3)风积沙灌浆材料

　　项目以经济适应性为出发点，采用风积沙替代传统细砂与成本高昂的玻璃微珠制备性能稳定的灌入式沥青路面用风积沙灌浆料，其造价较传统灌浆料低1000元/吨，经济效益显著。

　　(4)风积沙胶凝材料

　　针对交通运输行业对绿色低碳材料的发展需求，基于风积沙与水泥基复合材料的作用机理，提出了风积沙混凝土的靶向设计与原材协同调控技术，开发出风积沙胶凝材料，并应用于沙漠公路路缘石建设。

　　3、产生2个新理论

　　分别是沙漠腹地极端环境下沥青路用材料多尺度力学行为理论、风沙运动规律及沙丘迁移行为的量化评价理论。

　　4、产生3项地方标准

　　(1)宁夏回族自治区地方标准《风积沙路基填筑(干压法)施工技术规范》(DB 64/T 1972-2024)于2024年5月实施;

　　(2)宁夏回族自治区地方标准《风积沙路基填筑(干压法)施工技术规范》，2022年4月立项。

　　(3)宁夏回族自治区地方标准《沙漠公路勘测设计指南》

　　5、筛选2项最优宁夏沙漠地区沥青路面优先选择结构

　　在试验段开展宁夏沙漠地区四种不同路面结构试验，通过路面技术状况评定和通车后观测，推荐2中路面结构层位最优结构。

　　第一种：上面层4cm AC-13C，中面层6cm AC-20C，下面层8cm ATB-25;基层为2.5cm 应力吸收层，36cm水泥稳定碎石，18cm水泥稳定碎石。

　　第二种：上面层4cm AC-13C，中面层6cm AC-20C，下面层10cm LSM-25;基层为36cm水泥稳定碎石，16cm水泥稳定碎石。 主要成效 (一)探索风积沙资源化利用取得重大突破。宁夏地处祖国西北边陲，东、西、北三面被毛乌素、腾格里、乌兰布和三大沙漠、沙地包围，风积沙资源丰富但长期来以来利用率不高。我集团遵循“资源循环利用”绿色发展理念，立足沙漠地区筑路材料匮乏的实际情况，依托自治区重点研发计划项目《近黄河区沙漠腹地高速公路建设关键技术研究》组织开展了风积沙改性液态粉煤灰应用技术、风积沙台背回填技术、风积沙混凝土制备技术、风积沙压实工艺等科技攻关，通过大量的试验研究，摸清了风积沙物理特性、化学特性、力学特性以及压实特性，运用风积沙直接利用或物化改性等手段，实现了风积沙在公路工程建设中的多用使用，达到了风积沙资源最大化利用目标。通过不懈努力，全线18公里沙漠段均采用了风积沙进行路基填筑，共计利用风积沙填筑路基400万立方米，同体积节约传统筑路材料400万立方米，根据预算采用砾类土填筑单价为54元/立方米，采用风积沙填筑单价为22元/立方米，节约投资12800万元，取得了良好的社会和经济效益。

　　(二)探索沙漠公路修筑技术取得重大突破。作为宁夏首条沙漠高速，可资借鉴的相关施工技术和经验严重不足。我集团克服困难，积极探索沙漠公路修筑技术。在路基施工方面，为合理利用沙漠腹地宝贵的水资源，项目建设过程中通过对水沉法、洒水法、干压法三种不同的风积沙施工方法进行对比分析及效果评价，总结形成了风积沙路基填筑的最佳施工工艺和压实机械组合、质量检测方法等。研究发现，总体来看干压法中间衔接工序少，工作效率高，可大面积指导施工，且能显著降低成本。通过采用干压法对风积沙路基进行填筑压实，全线共节约水资源60万吨，按照预算单价10元/吨，节约投资约600万元，对于保护干旱风沙区极其宝贵的水资源做出了积极的贡献。依托项目申报的《风积沙路基填筑(干压法)技术规范”地方标准》获得自治区市场监管厅立项，填补了宁夏风积沙沙漠路基施工技术的空白。在路面施工方面，针对沙漠路段极端气候环境，开展了大温差环境新型沥青路面结构组合设计方案研究，提出三种新型路面结构组合设计方案，具体优劣情况需通过通车运行后的长期跟踪观察进行分析。开展了沙漠高速公路沥青路面施工技术研究，从沥青质量等原材料控制、矿料级配、沥青混合料配合比优化以及路用性能动态管理和施工质量保证措施等方面进行研究。结合沙漠公路大温差环境对半刚性基层的影响，展开了沙漠公路基层裂缝防治研究，制定了三种处治方案，目前经过现场调查暂未发现路面裂缝，其耐久性和防治效果需在通车运行后长期进行观察。

　　(三)探索绿色“生态廊道”防护技术取得重大突破。沙漠高速建成通车之后，如何有效建立防沙固沙体系，避免和减少风积沙上路，消除车辆侧滑、刹车距离增加等行车安全隐患成为迫切需要研究解决的问题。传统的防沙固沙技术以工程防护为主，与本项目绿色低碳的理念相悖，为此我们创新性地提出工程防护为先导、植物防护为核心的指导思想，按照“阻沙先行、固沙为主、固阻结合”的公路防沙固沙的新思路，最终成功构建生物措施替代工程措施的绿色“生态廊道”综合防护体系。为实现这一目标，我们引进中国科学研究院西北生态环境资源研究院在区交通厅立项开展《乌海至玛沁公路青铜峡至中卫段工程项目干旱风沙区高等级公路‘生态廊道’建设标准及效益评估》科研课题研究。通过公路廊道内“小环境”气象综合观测、沙漠公路路基风沙流检测及仿真模拟、防护体系风洞模拟实验等获得了基础数据体系和风沙流运动规律。2020年4月在乌玛高速K171+800-K172+520段建立了沙漠路段植物防护试验段，通过试验研究发现无灌溉条件下成活率达80%以上的优选物种——柠条、沙拐枣、杨柴、花棒等，为建立雨养型植物防护体系提供了有力支撑。以此为基础，提出基于无灌溉技术“四带一体”防护体系，用雨养型植物防护带替代了防风固沙林带、生态景观林带、常绿灌木林带，在公路两侧构建防护体系宽度共约300m，其中迎风侧防护宽度200m，背风侧防护宽度100m。经统计，生物防护体系由“灌溉型”变更为“雨养型”，节约了建设养护投资1.29亿元，实现了经济效益和环境效益的最大化。

　　(四)探索沙漠公路管养技术取得积极成果。公路发展“三分靠建，七分靠养”。高度重视公路管养，积极探索适应干旱地区特别是沙漠地区的公路管养技术。我们首先通过定期观察认真开展沙漠公路病害调查分析，结果显示由于周边流动沙丘未做有效防护措施，在一些匝道转弯处和涵洞内已出现明显积沙，防护体系最外围的阻沙栅栏底部开始出现掏蚀或堆积，部分沙丘出现活化，尤其在沙丘顶部，已发生严重风蚀。通过调查，初步了解了病害种类和成因，为后期整治奠定了基础。其次，我们开展了积沙路面抗滑性能研究，建立了抗滑性能随积沙量增加的衰减模型;开展了沙漠公路沙埋规律研究，分析了路基高度、边坡坡率、路堑对环境风速流场的影响规律。这些研究为提高行车安全、加强道路养护提供了重要支撑。最后，针对国内现有沙漠公路清沙车缺陷，我们研究出适用于沙漠高速公路沙埋病害及时处治的清沙车，其由摊沙装置(铲沙装置)、吸沙装置以及储存装置等组成，可将构造深度内的积沙进行彻底清理。

　　(五)探索无人机在高精度三维数字地形模型中的应用取得积极成果。随着新一轮科技革命和产业变革的深入推进，数字化、智能化技术在交通发展中的应用向纵深发展。依托乌玛高速开展了《数字化技术在沙漠高速公路全寿命周期中的应用研究》，聚焦试点任务——无人机在高精度三维数字地形模型中的应用取得了积极成果。依托设计文件地形图资料形成了设计阶段的三维数字地形，之后根据中科院沙漠研究所地面站激光雷达扫描点云数据，形成一套沙漠公路模型前期三维数字模型。在此基础上，通过无人机对沙漠路基试验模型、乌玛主线沙漠段进行40余架次数据采集，形成19套三维数字地形，数据量达到约600G。最后，运用固定翼大飞机对沙漠路段10km地形进行航测，建立沙漠全线数字模型。根据定期的飞行数据对沙漠的变化、风沙流动方向等开展数字模拟，分析沙漠公路及沙漠环境的时空演变，对绿色走廊防护体系有效性进行观测分析，获得授权实用新型专利2项，申请软件著作权4项。

　　(六)探索公路交通安全设施优化取得初步成果。我们从沙漠高速公路合理安全净区、驾驶员速度及距离感知、疲劳试验、沙漠环境中交通安全设施视认研究等角度对沙漠高速公路交通安全设施合理设置方法进行了研究，综合分析了沙漠公路事故特征、护栏阻沙形态等。研究发现沙漠环境对驾驶员的心理变化影响较大，速度感知较弱、减速距离会相应加长，护栏的设置对于风沙运动起了较大的阻碍作用，标志标线的视认性有所降低。与此相适应，在该项目的综合交通安全设计中，采用了宽容性设计，留出了较大的路侧净区空间，提高了行车的被动安全性。考虑到司乘人员容易为了欣赏沿途的美景在路基边坡停车游玩等实际情况，设计中采取了适当增加限速标志、行车安全提醒标志、采用容易识别的标志颜色的措施，并在标线中增加减速标线的设置，选用风阻小的护栏型式并尽可能减少设置护栏的路段。。

　　五、小结

　　针对我国首条沙漠腹地高速公路建设过程中存在的关键技术难题，依托国家“十三五”重点工程-乌玛高速公路沙漠路段的实施，围绕沙漠腹地高速公路廊道风沙运移机理及防沙体系构建技术研究，沙漠腹地典型环境道路设计与施工关键技术研究，数字信息化在沙漠高速公路建设中的应用技术研究及沙漠腹地高速公路防沙体系和路基路面设计施工关键技术应用示范等方面开展攻关技术研究。并通过理论分析、室内试验和工程示范验证及反馈优化，形成成套的沙漠腹地高速公路建设关键技术，为我国沙漠公路建设提供技术支撑和实践经验。

　　通车后的乌玛高速青铜峡至中卫段(沙漠段)