技术领域
[0001] 本发明涉及一种植物纤维发泡水泥基风沙防护体系及风沙防护方法，属于荒漠区生态环境治理技术领域。
相关背景技术
[0002] 目前普遍采用的工程防沙措施有阻沙和固沙两大类，按照材料与结构差异又可细分为很多种。例如材质方面有PE、麦草、芦苇、秸秆、石材、盐土块、粘土和金属等，结构方面多呈网状、无孔板、冲孔板、柱状、刷状、百叶状等疏透型设计。阻沙障主要按照高立式、门帘式、棋盘式等方式垂直于地面布设，固沙障则由各种规格的方格、三角、圆圈、鱼鳞结构组成。经过多年研究，各沙障的规格参数、适应范围、防护效果等关键指标，已经比较完善，但在长期的工程实践中我们发现，传统阻沙障、固沙方格、沉沙沟措施面临以下不足。
[0003] 首先，阻沙障一般垂直于主风向间隔一定距离多排设置，一般沙障高度为1.5‑2米，防护距离是障高的20倍左右，所以沙障间距为2050米不等。实际应用中，在沙障两侧均会产生积沙带，由于积沙持续暴露在气流当中，部分积沙会发生二次起动，向下风向继续输移并造成沙害。因此传统阻沙障具有积沙量少，积沙带无法固定的不足。
[0004] 其次，固沙措施一般无法提升，当固沙方格内积满流沙后，沙粒以过境风沙流的形式向下风向输移，将对防护对象造成沙埋危害。因此，一般认为固沙方格积满流沙后，其固沙作用微弱。而覆网措施，都是紧贴地表铺设，起到抑制原位沙尘起动，固定就地起沙的作用，对远端输运来的流沙没有固定作用。
[0005] 另外，一般沉沙沟的顶面呈开放式，暴露在气流中，因此沟内沉积的流沙易发生二次起动，向下风向输移并造成危害。
[0006] 因此，为解决上述防护措施在实际应用中遇到的不足，我们研发了一种植物纤维发泡水泥基风沙防护体系，适用于高强度风沙流地区，可长期依靠自然风力，拦阻固定绝大部分过境流沙，减轻风沙危害。
具体实施方式
[0052] 鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0053] 本发明一方面公开了一种植物纤维发泡水泥基风沙防护体系，包括沿选定方向依次间隔设置的第一防护结构、第二防护结构、第三防护结构和第四防护结构，此处所说的选定方向为风沙的流动方向，(即图1中箭头指的主风向16)。
[0054] 所述第一防护结构用于阻挡流沙并将相邻的两个立式阻沙墙11之间的沙面固定住，流沙被阻挡在立式阻沙墙11的两侧形成积沙面15。
[0055] 所述第二防护结构用于将地表与气流隔开，可有效降低沙面风速、捕捉固定流沙。
[0056] 本发明中的第一防护结构、第二防护结构、第三防护结构和第四防护结构需要按照选定方向进行设置，原因是，阻沙墙属于阻沙措施，阻沙量最大，一般设置在工程的前缘；覆网和沉沙沟均为固沙措施，一般设置在阻沙措施之后，更靠近防护对象一侧，该覆网措施可以随沙面高程增加而自动提升，因此防护周期长，固沙量巨大；当少量风沙突破以上两种防护措施，逼近防护对象时，用沉沙沟捕获固定这些残余流沙，并避免了沙尘的二次释放，最终起到彻底阻固风沙的防护目的。
[0057] 所述第一防护结构会拦阻固定大量流沙，还兼具固定流沙的作用；第二防护结构网面可随自然风力自提，因此具有长寿命和固定大面积深厚流沙层的能力；第三防护结构可彻底拦阻和固定剩余流沙。因此作为一个整体该体系可彻底固定风沙流中的沙粒，不会产生剩余流沙或二次起沙现象。
[0058] 在上述基础上，所述第一防护结构1、第二防护结构2、第三防护结构3和第四防护结构之间的间距为530m，本实施案例中所述第一防护结构1和第二防护结构2之间的间距设置成15m，第二防护结构和第三防护结构及第三防护结构和第四防护结构之间的间距设置成10m。
[0059] 在一些实施例中，所述第一防护结构包括至少一个双立式阻沙结构，所述双立式阻沙结构可以设置一个或两个或更多个；所述双立式阻沙结构包括两个沿选定方向依次间隔设置在地面上的立式阻沙墙，两个所述立式阻沙墙之间的间距为2‑5m，之间设置有移动固沙球；所述移动固沙球在相邻的两个立式阻沙墙之间自动滚动；所述立式阻沙墙11的墙体高度为1.5‑3m，厚度为10‑40cm，所述立式阻沙墙上设有多个通孔，所述通孔的孔径为5‑20cm，墙体疏透度为20‑40％。
[0060] 由于移动固沙球需要不被流沙埋没并能够在沙面上自由滚动，因此需要移动固沙球的质量较轻，本实施案例中所述移动固沙球采用植物纤维发泡水泥材质制作而成。移动固沙球由于质量较轻，可以在风力作用下在两个立式阻沙墙11之间自由滚动，不至于被沙面埋没，可以降低沙面风速，同时经过移动固沙球12的滚压、阻挡和覆盖，两个立式阻沙墙11之间的流沙很难起动，实现了立式阻沙墙11之间沙面的完全固定，起到抑制起沙的作用，一旦流沙进入立式阻沙墙11之间，就不可能继续向下风向移动，从而避免对防护对象5产生危害。所述移动固沙球的直径为20‑50cm，移动固沙球12的直径可根据实际需要进行设置，具体的可以是20cm、30cm、40cm或50cm。
[0061] 所述的防护对象可以是需要风沙防护的任何物体，例如可以是光伏面板或火车轨道等。
[0062] 为了固定立式阻沙墙11，可以在立式阻沙墙11的侧边可拆卸设置固定件，所述的立式阻沙墙11可以通过立柱固定，具体的，所述立柱的两端设置卡槽，将立式阻沙墙11卡在两端的卡槽内，所述立柱13的高度为2‑4m，厚度为20‑40cm，埋深为0.5‑1m，埋深为埋入到沙面内的深度。所述立式阻沙墙11也可以通过固定板固定，通过螺钉和螺母将立式阻沙墙11固定在固定板上。
[0063] 在一些实施例中，所述第二防护结构包括至少一覆网组件2，所述覆网组件2覆盖在地表地面，至少用于将地表与气流隔开。所述覆网组件2包括若干个顶升球21、覆盖在顶升球21上表面的覆网22和连接覆网22与顶升球21的连接绳213，在风力作用和在连接绳213的牵引下所述顶升球21能够在一定区域内自由滚动，此处的一定区域内是指以覆网与连接绳的固定处为中心，以连接绳的长度为半径围成的圆内。通过顶升球21支撑所述覆网22始终与沙面保持固定距离，所述覆网22能将地表和气流隔开，可有效降低沙面风速、捕捉固定流沙。
[0064] 本实施案例中所述顶升球21由植物纤维发泡水泥制作而成，由于顶升球密度低，可浮于水面，在风力作用和连接绳213牵拉下，可在一定区域内自由滚动，不至于被流沙所埋没，同时顶升球21支撑住覆网22，并使覆网22保持在距离地表一定高度的平面上；依靠风沙作用过程的自然之力，覆网22会在顶升球21的支撑作用下，通过设置在覆网22四角的滑动环24自动沿立杆23逐渐上升，从而使覆网22始终与沙面保持固定距离，并维持其平面形态，使覆网22之下的沙面得到持续、长久的固定。该覆网22能够持久固定大面积的深厚流沙层，适宜在沙源特别丰富的强输沙环境中使用。所述顶升球21的直径为20‑50cm，所述顶升球21的直径可以是20cm、30cm、40cm或50cm，相邻的所述顶升球21之间的间距为30‑150cm。
[0065] 在上述基础上，所述顶升球21上设置有固定环212，所述连接绳213的两端分别与固定环212和覆网22固定连接。
[0066] 所述覆网22沿垂直于主风向16设置，其宽度为5‑50m，其长度根据防护对象5而定；所述覆网22为HDPE材质尼龙网，所述覆网22的孔隙度为20‑40％。
[0067] 在上述基础上，所述覆网组件2还包括设置在覆网22上的滑动环24和立杆23，所述滑动环24固定连接在覆网22上，且所述滑动环24套设在立杆23上，所述立杆固定在地面上。所述立杆23优选为镀锌钢管，所述立杆23的高度为1.5‑3.5m、直径为2‑5cm，所述立杆露出沙面的高度为0.53m。
[0068] 在一些实施例中，所述第二防护结构包括多个覆网组件，在所述选定方向上，所述覆网组件与空白带间隔设置，所述覆网组件的宽度为5‑50m，相邻两个覆网组件之间的间距为5‑25m，此处所说的空白带为两个覆网组件之间的空白地面。
[0069] 在一些实施例中，所述第三防护结构包括至少一沉沙沟3，所述沉沙沟3至少用于捕获风沙流中的沙粒。
[0070] 在一些实施例中，所述沉沙沟3的截面为梯形，所述沉沙沟3包括由侧板31、底板32和顶板33围成的沉沙沟本体，其中所述侧板31、底板32和顶板33均由植物纤维发泡水泥材料一体压膜制成。所述侧板31、顶板33和底板32的板面厚度为5‑10cm；所述顶板33的宽度为2‑4m，底板32的宽度为1‑3m；沉沙沟本体的深度为1‑3m。所述顶板上设置有进沙口，进沙口朝向上风向倾斜设置，流沙沿进沙口进入到沉沙沟3内，沉积在沙沟内。
[0071] 具体的，所述顶板33的一侧与侧板31通过合页34连接，所述顶板33的另一侧上设置有把手35，用于在后续清沙维护工作中，方便将顶板33打开，然后使用大功率吸尘车对沉沙沟本体进行机械清沙。
[0072] 布设安装时，首先需要开梯形沟，然后在梯形沟内分别铺设底板32、侧板31和顶板33组成沉沙沟本体。
[0073] 在一些实施例中，所述第四防护结构包括固沙造林覆盖板4，所述固沙造林覆盖板4包括至少一个第一覆盖板41和至少一个第二覆盖板42，所述第一覆盖板41的每个边沿设置有多个第一凹槽411；所述第二覆盖板42的每个边沿设置有多个第二凹槽421及至少一个凸出榫头422，所述第二覆盖板42上的凸出榫头422与第一覆盖板41上的第一凹槽411位置对应且形状一致或相仿，所述第二覆盖板42和第一覆盖板41通过第二覆盖板42上的凸出榫头422和第一覆盖板41上的第一凹槽411拼接。所述第一覆盖板41上的第一凹槽411还与第二覆盖板42上的第二凹槽421拼接形成小孔，用于扦插枝条，且播种或植苗。覆盖板以拼接方式设置，待植株长大，根系深入沙层深处，可拆除后运输到其它需要造林的沙区，实现多次循环利用。加入草纤维的轻量化发泡水泥板以拼接方式铺设，运输、施工便捷。孔内插设枝条形成竖立的方格型固沙结构，可固定流沙，也可为植物幼苗挡风遮阴，促进其成活和生长。
[0074] 具体的，所述第一覆盖板41上的第一凹槽411为半圆形或半椭圆形；所述第二覆盖板42上的第二凹槽421为半圆形或半椭圆形，所述第二覆盖板42上的凸出榫头422为半圆形或半椭圆形；所述第一凹槽411和凸出榫头422的孔径为2‑5cm；所述第一覆盖板41和第二覆盖板42为方形或长方形；所述第一覆盖板41和第二覆盖板42的边长为0.5‑1.5m所述第一覆盖板41和第二覆盖板42的厚度为2‑5cm。
[0075] 使用磨具，将发泡水泥混合草纤维材料，浇筑成为边沿带半圆形或半椭圆形第一凹槽411，以及凸出榫头422结构的第一覆盖板41和第二覆盖板42，所述第一覆盖板41和第二覆盖板42均呈方形或长方形，边长0.51.5m，板块边沿豁口为半圆形或半椭圆形，孔径25cm，板块厚度2‑5cm。第一覆盖板41的每个边沿带有半圆形或半椭圆形第一凹槽411，第二覆盖板42的每个边沿不仅带有半圆形或半椭圆形第二凹槽421，而且每个边的中间部位，还带有一个半圆形或半椭圆形的凸出榫头422，所述第一覆盖板41和第二覆盖板42可榫卯拼接成不同形状和大小的固沙造林覆盖板4，满足不同地块和地形的固沙造林需求。
[0076] 所述固沙造林覆盖板4适用于沙区面状或条带状造林和风沙防护，例如铁路、公路、光伏阵列区及外围等。
[0077] 首先，将沙面整平，在沙面拼接铺设该覆盖板；然后将灌草种子撒在覆盖板表面的孔内或在孔内使用植苗器人工种植灌木苗，并在孔内插设带叶的杨树枝条、棉花秸秆等易获取的当地植物茎干材料，使其形成竖立的方格型固沙结构，一方面固定流沙，另一方面可为植物幼苗挡风遮阴，促进植物的成活、生长；最后在孔内和孔周围进行人工浇水或降雨，水会流入孔内，增加局部沙层湿度，并长期保湿，促进苗木成活及种子萌发。待植株长大，可拆除后运输到其它需要造林的沙区，实现多次循环利用。
[0078] 该固沙造林覆盖板4的另一种实施方式：
[0079] 所述固沙造林覆盖板4包括带孔棚膜，即用带孔棚膜铺设在沙面，孔内撒播旱生灌草种子或栽植灌木苗，并插设植物茎干，孔周围设有塑料带状加强封口，增强孔沿抗拉性能，减小铺设时的破损率。
[0080] 带孔棚膜为长带状，其宽度2‑10m，长度50‑200m。棚膜上设有按正方形排列的孔，正方形边长0.5‑1.5m，孔间距为5‑30cm，孔径2‑4cm。在长带状棚膜边沿和孔边沿，均使用厚塑料包边处理，增加边沿强度和抗撕裂性能。
[0081] 具体实施方式：首先，在沙面铺设带孔棚膜，将棚膜的四个边沿压实在沙层深处，固定棚膜边沿；然后将种子撒在棚膜表面的孔内或在孔内植苗，并在孔内插设带叶的杨树枝条、棉花秸秆等易获取的当地植物带叶枝条，使其形成竖立的方格型固沙结构，一方面固定流沙，另一方面可为植物幼苗挡风遮阴，促进植物的成活、生长；最后在孔内和孔周围浇水，水会流入孔内，增加局部沙层湿度，促进苗木成活及种子萌发。
[0082] 实施例1：
[0083] 一种植物纤维发泡水泥基风沙防护体系，如图1所示，包括按照选定方向依次间隔设置的第一防护结构1、第二防护结构2、第三防护结构3和第四防护结构4。所述四种防护结构均设置在防护对象5的上风向，并顺风向依次设置。
[0084] 如图2、图3所示，所述第一防护结构1包括间隔设置的两个立式阻沙墙11，所述立式阻沙墙11的墙体高度为3m，厚度为30cm，所述立式阻沙墙上设有多个通孔，所述通孔直径为10cm。所述立式阻沙墙11的两端设置有立柱13，所述立柱13与立式阻沙墙11的相对面上设置有卡槽，所述立式阻沙墙11的两端卡在两侧卡槽内，所述立柱13的高度为4m，厚度为40cm，埋深为1m。两个立式阻沙墙11之间设置有若干个移动固沙球12，所述移动固沙球12为实心的，其直径为30cm。所述立式阻沙墙11、移动固沙球12和立柱13均由植物纤维发泡水泥材质制作而成。
[0085] 植物纤维发泡水泥材质的制作方法：包括：
[0086] S1、制备植物纤维；
[0087] S2、制备发泡水泥；
[0088] S3、将植物纤维和发泡水泥混合均匀，注入压膜机中压膜；
[0089] 其中，S1中的植物纤维由天然植物材料鞣制而成，具体的，植物纤维由麦草、稻草、木纤维等天然植物材料鞣制而成；
[0090] S2中的发泡水泥由发泡剂、水泥按照一定比例掺混而成。
[0091] S3中植物纤维和发泡水泥以一定比例混合均匀，注入压膜机内，便可制成上述各类植物纤维发泡水泥材料的构件。
[0092] 这种材料密度低、材质轻、可浮于水面，由于加入了植物纤维，其强度也得到大幅度提升，具有经济环保、低成本、易施工等优点。
[0093] 如图4、图5所示，所述第二防护结构1为所述覆网组件2，包括若干个顶升球21、覆盖在顶升球21上表面的覆网22和连接覆网22与顶升球21的连接绳213，所述覆网22沿垂直于主风向16设置，其宽度为30m，所述覆网22为HDPE材质尼龙网，所述覆网22的孔隙度为40％。所述顶升球21为实心的，顶升球21由植物纤维发泡水泥制作而成；所述顶升球21的直径为30cm，相邻的所述顶升球21之间的间距为100cm。所述顶升球21上设置有固定环212，所述连接绳213的两端分别与固定环212和覆网22固定连接，所述覆网22边角处设置有滑动环
24和立杆23，所述滑动环24固定连接在覆网22的边角处，所述立杆23的一端埋入地面14，另一端向上延伸，滑动环24套设在立杆23上。所述立杆23的为镀锌钢管，所述立杆23的高度为
3.5m、直径为5cm，所述立杆23的埋深为0.5m、出漏高度为3m。
[0094] 如图6所示，所述第三防护结构包括一个沉沙沟，所述沉沙沟3包括由侧板31、底板32和顶板33围成的沉沙沟本体，所述沉沙沟本体的截面为梯形，其中所述侧板31、底板32和顶板33均由植物纤维发泡水泥材料一体压膜制成。所述顶板33上设置有多个进沙口，各个所述顶板倾斜设置，所述顶板33的一侧与侧板31通过合页34连接，所述顶板33的另一侧上设置有把手35，所述侧板31、顶板33和底板32的板面厚度为10cm；所述顶板33的宽度为4m，底板32的宽度为3m；沉沙沟本体的深度为3m；所述挡板的厚度为5cm；所述进沙口的厚度为
20cm。
[0095] 如图7、图8所示，所述第四防护结构为所述固沙造林覆盖板4，包括至少一个第一覆盖板和至少一个第二覆盖板，所述第一覆盖板的每个边沿设置有多个凹槽；所述第二覆盖板的每个边沿设置有多个凹槽及至少一个凸出榫头，所述第二覆盖板上的凸出榫头与第一覆盖板上的凹槽位置对应且形状一致或相仿，所述第二覆盖板和第一覆盖板通过第二覆盖板上的凸出榫头和第一覆盖板上的凹槽拼接，所述第一覆盖板上的凹槽还与第二覆盖板上的凹槽拼接形成小孔，用于扦插枝条，且播种或植苗。
[0096] 实施例2：
[0097] 一种风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙流动的方向依次间隔设置一个双立式阻沙墙、一个覆网组件和一个沉沙沟；
[0098] 具体的，将靠近覆网组件的立式阻沙墙与覆网组件之间的距离设置为15m，将覆网组件和沉沙沟之间的距离设置为10m；
[0099] 将移动固沙球放置在两个立式阻沙墙之间，移动固沙球在两个立式阻沙墙之间自由滚动；
[0100] 将顶升球通过连接绳固定在覆网上，将立杆插入到地面上，立杆露出地面3m，将覆网上的滑动环套设在立杆上，顶升球支撑住覆网，覆网与地面之间有一段距离；
[0101] 在防护对象的上风向且在覆网组件的下风向开一个梯形沉沙沟，在沉沙沟的上方安装顶板，在顶板上开进沙口，进沙口向上风向倾斜，倾斜角度为45°。
[0102] 实施例3：
[0103] 本实施例与实施例二的区别在于：在防沙沟的上风向设置两个覆网组件，覆网组件与空白带间隔设置，覆网组件的宽度设置为30m，两个覆网组件之间的间距设置为20m。
[0104] 实施例4：
[0105] 本实施例与实施例二的区别在于：所述覆网组件的上风向设置两个双立式阻沙墙，移动固沙球放置在相邻的两个立式阻沙墙之间。
[0106] 对比例1：
[0107] 本对比例与实施二的区别在于：该风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙的流动方向依次间隔设置一个覆网组件、两个立式阻沙墙、一个沉沙沟和固沙造林覆盖板。
[0108] 对比例2：
[0109] 本对比例与实施例二的区别在于：该风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙的流动方向依次间隔设置一个沉沙沟、一个覆网组件、两个立式阻沙墙和固沙造林覆盖板。
[0110] 对比例3：
[0111] 本对比例与实施例二的区别在于：一种风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙流动的方向依次间隔设置两个立式阻沙墙和一个沉沙沟。
[0112] 对比例4：
[0113] 本对比例与实施例二的区别在于：一种风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙流动的方向依次间隔设置两个立式阻沙墙和一个覆网组件。
[0114] 对比例5：
[0115] 本对比例与实施例二的区别在于：一种风沙防护方法，包括在防护对象的上风向按照风沙流动的方向依次间隔设置一个立式阻沙墙、一个覆网组件和一个沉沙沟，另外，该对比例中不设置移动固沙球。
[0116] 对比例6：
[0117] 本对比例与实施例二的区别在于：覆网上不连接顶升球，将覆网固定在地面上。
[0118] 本发明与对比例1‑6相比的结论为：
[0119] 本发明中双立式阻沙墙、覆网组件和沉沙沟依次沿顺风向设置，其阻沙固沙量具有差异，该双立式阻沙墙阻沙量较一般阻沙墙大，但仍会有大量流沙通过阻沙墙；覆网因为可随风积沙厚度的增加实现顶升，因此固沙量巨大，实现大部分流沙的固定；最后残余流沙由沉沙沟捕捉固定。因此，各部分的设置有先后顺序之分，阻沙固沙效能具有差异，所构成的体系可实现强输沙环境下，绝大部分风沙流的拦阻和固定，彻底解决风沙掩埋防护对象的问题。
[0120] 本发明中的第一防护结构、第二防护结构、第三防护结构和第四防护结构需要按照选定方向进行设置，原因是，阻沙墙属于阻沙措施，阻沙量最大，按照先阻后固原则，一般设置在工程的前缘；覆网和沉沙沟均为固沙措施，一般设置在阻沙措施之后，更靠近防护对象一侧，该覆网措施可以随沙面高程增加而自动提升，因此防护周期长，固沙量巨大；当少量风沙突破以上两种防护措施，逼近防护对象时，用沉沙沟捕获固定这些残余流沙，并避免了沙尘的二次释放，最终起到彻底阻固风沙的防护目的。
[0121] 对比例1和对比例2中改变第一防护结构、第二防护结构、第三防护结构和第四防护结构三者的设置次序，其防护效果要打折扣，首先固沙措施在前缘的话，其高度有限，不能起到很好的阻风作用，风沙流会长驱直入，特别是对沉沙沟，可能很快会积满流沙而失效，因此沉沙沟一般作为最后一道防线使用，反之阻沙墙在前，会有效减弱风速，使风沙流的携沙能力下降，这样后面的固沙措施可以发挥更优的作用。
[0122] 对比例3和对比例4中，任意两个防护结构搭配组合形成体系，会导致突破防护体系的部分流沙危害到防护对象，不能起到彻底阻断和固定流沙的作用。
[0123] 对比例5中去掉移动固沙球，不能降低沙面的风速，没有移动固沙球的滚压、阻挡和覆盖，两个立式阻沙墙之间的流沙会随风再次起动，威胁到防护对象，不能达到固定沙面、抑制起沙的效果。
[0124] 对比例6中去掉顶升球，覆网将失去抬升功能，覆网紧贴地表仅能起到预防就地起沙的作用，不能拦截固定风沙流，流沙将长驱直入危害防护对象。
[0125] 应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
