昌圖鎮(zhèn)侵蝕溝溝道工程設(shè)計及柳跌水布設(shè)探討

石 寧

（遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003）

1 概述

昌圖鎮(zhèn)項目區(qū)位于遼寧昌圖縣境內(nèi)，昌圖鎮(zhèn)為長白山系西部的第二條余脈，系古生代海西寧造山運動，使長白、興安嶺褶皺帶皺面隆起，受此影響而產(chǎn)生大面積的花崗巖侵入。 地形崎嶇復(fù)雜，山巒連綿起伏， 除花崗巖組成的十幾座有名的山峰外，一般呈渾圓形丘陵狀態(tài)。 項目區(qū)屬東北黑土區(qū)，低山丘陵地貌，林地居多，其次為耕較多，且耕地多為坡耕地。

近年來，昌圖縣先后實施了水土保持項目，對治理水土流失總結(jié)出了一些成功經(jīng)驗。 如水土保持措施中品子形排列的栽植榛子園（株距3m×3m），株距是根據(jù)農(nóng)民不斷的試驗得出來的結(jié)果， 保證了苗木的成活率； 在一些自然災(zāi)害形成的侵蝕溝修建設(shè)谷坊有效地攔截泥土，起到了保土作用，在山上修建作業(yè)路便于農(nóng)民運輸糧食和果實等作物。

2 侵蝕溝現(xiàn)狀

項目區(qū)內(nèi)現(xiàn)有侵蝕溝55 條， 侵蝕溝總長19873.4m，項目區(qū)的侵蝕溝道一般可分為匯水區(qū)、形成區(qū)、發(fā)展區(qū)和沉淀區(qū)4部分。 匯水區(qū)為侵蝕溝道溝頭上游形區(qū)域，匯水區(qū)一般因地形形成，由一股或幾股水流組成，為侵蝕溝道形成提供條件。形成區(qū)為溝頭部分，該區(qū)域坡耕地坡度大，多方來水匯入，在溝頭部分形成沖刷產(chǎn)生跌水，形成溝頭。溝頭會隨著匯入降水的情況向不同方向發(fā)展，形成支溝。侵蝕溝道中水土流失最嚴重的部位在侵蝕溝的中部。 該位置溝道下切形成陡峭溝岸，容易產(chǎn)生坍塌，坍塌產(chǎn)生后在溝底形成松散的堆積層，該堆積層抗侵蝕能力差，一旦溝底產(chǎn)生徑流，將直接被沖走，產(chǎn)生侵蝕。 沉淀區(qū)在坡耕地下部，坡耕地下部一般坡度變緩，因水流速下降，將攜帶的泥沙沉淀下來，在耕地中形成白色的沙石沉淀層。在坡耕地邊緣因為有邊坡或岸坎，在沉淀區(qū)外容易產(chǎn)生新的侵蝕溝道， 根據(jù)坡耕地坡度情況，大部分侵蝕溝可能沒有沉淀區(qū)，大量泥沙直接沖入溝道。

項目區(qū)有6條侵蝕溝，均為小型坡耕地侵蝕溝，因坡度大，侵蝕溝斷面小，無法實現(xiàn)單純的侵蝕溝治理，本次實施方案治理侵蝕溝49條，侵蝕溝總長19177.8m，占地面積18.29hm2，根據(jù)侵蝕溝現(xiàn)場，對于汛期侵蝕溝內(nèi)的大洪水，需要采取工程措施減緩侵蝕，并保障植物措施頭兩年的正常生長，采取措施防止初期植被被洪水沖走，項目區(qū)內(nèi)主要以發(fā)展觀光旅游業(yè)為主要經(jīng)濟發(fā)展方向，因此本項目在治理將以植物措施為主，工程措施為輔，在保證侵蝕溝穩(wěn)定、工程能安全度汛的基礎(chǔ)上盡可能地增加植被數(shù)量，并在明顯位置種植有一定觀賞價值的苗木品種。

3 措施布置

侵蝕溝在治理上通常采用柳跌水、 石籠溝頭防護兩種方式［1，2］，實現(xiàn)與上游坡面連接的自然承接，采用石護腳加石籠護坦或石籠谷坊加消力池兩種方式固定工程尾部溝道。

根據(jù)工程布置原則， 對可采用的各種工程類型進行比選， 可比選的工程類型主要為下游溝道內(nèi)的溝道灘岸防護工程，只采用石籠、土質(zhì)自然邊坡、漿砌石、混泥土、植物護坡等工程措施，在這些可選工程中，漿砌石、混泥土為硬覆蓋措施，雖然保護功能強，但其投資高，不能融入周邊環(huán)境，與項目區(qū)發(fā)展不協(xié)調(diào)。土質(zhì)自然邊坡、植物護坡兩類工程雖然投資低，可與項目區(qū)發(fā)展相協(xié)調(diào)，但其抗沖能力，很難起到控制溝道侵蝕溝的功能。 單獨的石籠工程投資適中，石籠空隙可生長雜草，可與環(huán)境融為一體，但單獨的石籠工程可觀賞性差，不與項目區(qū)發(fā)展相協(xié)調(diào)。因此， 項目最后確定用石籠護腳和邊坡造林相結(jié)合的方法進行治理。造林樹種選擇有一定觀賞價值、可大量供應(yīng)的紫穗槐。

對侵蝕溝進行削坡整形， 削坡減載的溝坡，對邊坡較穩(wěn)定部分可以重塑或保持不變［3］；對耕地小侵蝕溝渠，促進機械化耕作，保持耕地原有特性，采取措施用秸稈填平溝渠， 將柳跌水布置在水流大、水頭落差較大的侵蝕溝頭；對于溝頭匯水量非常大的采用石籠溝頭保護，溝底比降較大時，采用柳編護溝布設(shè)，集雨面積小，且溝深較小的侵蝕溝中；在溝底坡度小于5%的侵蝕溝內(nèi)鋪設(shè)柳樁編籬谷坊［4］。部分集雨面積較大的溝道，在植物措施未發(fā)揮效益之前，為了保證植物措施的保存率，可用石籠谷坊與柳樁編籬谷坊搭配布局； 路堤邊坡的水條件很差，為了確保造林的成活率，坑種植采用紫穗槐用于保護，其他露溝部位，應(yīng)在不妨礙泄洪的情況下，采取措施為在路堤斜坡和底部進行密植插柳。 通過對溝凹堤的連續(xù)沖刷、嚴重沖刷，使溝凹堤不再繼續(xù)向外擴張［5，6］，在溝道凹岸處布設(shè)石籠順壩并配套石籠護坦措施。

4 單項工程設(shè)計

本次設(shè)計共有49條侵蝕溝，總長19177.8m，根據(jù)每條侵蝕溝產(chǎn)生、發(fā)展及分布特點，分別采取削坡整形、柳跌水、石籠溝頭防護、柳樁編籬谷坊、石籠谷坊、柳編護溝、秸稈填溝、石籠護坡護底及護地堤（石籠護腳）、石籠順壩及護坦等不同的措施治理。

4.1 溝道削坡整形

典型設(shè)計選擇溝長109m， 上口及下口平均寬分別為5.10和2m， 深度為1.45m 的QSG-10 侵蝕溝。QSG-10 侵蝕溝采用柳樹保護措施處理。邊坡切割方式為直線切割，將切好的坡土直接鋪于溝底，為侵蝕溝造林創(chuàng)造條件，切割坡度角為35°。

4.1.1 削坡單側(cè)寬度計算

計算公式為：

式中 L1為削坡單側(cè)寬度 （m）；L2為原溝道上口寬（m）；L3為原溝道下口寬（m）；H為溝深（m）；β為削坡角，取35°。

經(jīng)計算可知，QSG-10沖蝕溝的平均削坡寬度為L1=0.55m。

4.1.2 削坡工程量計算

式中 V為削坡土方（m3）；H為溝道深度（m）；L為溝道長（m）；L1為削坡寬度（m）；L2為原溝道上口寬（m）；L3為原溝底寬（m）。

經(jīng)計算可知，QSG-10侵蝕溝削坡工程體積為131m3。

經(jīng)削坡處理后其上口及下口平均寬分別為6.20和2.12m，深度為1.35 m 的QSG-10侵蝕溝。

4.2 填溝工程

4.2.1 典型設(shè)計典型設(shè)計選擇溝長260m， 上口和溝底平均寬分別為3.98和1.40m，深度為0.90m 的QSG-2侵蝕溝。

4.2.2 秸稈填溝措施設(shè)計

首先，侵蝕溝削坡在坡角接近90°，秸稈填充的最小溝槽深度應(yīng)大于1.2m，對于深度較小的侵蝕溝，為了正常運行，切坡時，需挖溝至所需深度，土方臨時堆放在溝邊，將一排木樁插入溝底，間隔約3m。 項目區(qū)共有11條侵蝕溝布置秸稈填溝措施， 其中主干溝道6條，支溝5條。 共需填方總量11419m3，其中土方4564m3， 秸稈捆6855m3（需要秸稈捆個數(shù)為57125個），恢復(fù)耕地面積約0.82hm2，如表1。

表1 秸稈填溝措施工程量

4.3 溝頭防護

工程采用的溝頭防護形式主要有兩種，有針對性地采用石籠溝頭保護和柳跌水布設(shè)［7，8］，前者主要布設(shè)在侵蝕溝溝頭，且溝頭匯水量較大，而后者同樣布設(shè)在侵蝕溝溝頭，條件是跌差較大的溝頭［9，10］。

4.3.1 石籠溝頭防護

10年一遇6h最大暴雨。

（1）第一類石籠溝頭防護典型設(shè)計。 選擇的典型溝頭為QSG-43沖蝕溝，削坡切割成形，溝頭段高差為3.97m，溝頭上口下口平均寬度分別為15.5和4.5 m。

①最大來水量。該地區(qū)10年6h年最大降雨量為103.95mm，K10%=1.75，K5%=2.16，CS=2.03 （CS=3.5CV），CP=1.52。

最大徑流量計算公式如下：

式中 Qm為最大徑流量（m3/s）；F為匯水面積（km2），取0.33km2；Cp為最大徑流量參數(shù)，取1.52。

根據(jù)上述公式計算的最大洪峰流量為0.59m3/s，設(shè)計斷面尺寸能滿足最大洪峰泄洪要求。

②消力池長度（L）計算。 采用式（4）計算：

式中 L為消力池長度 （m）；H0為溢水口水深（0.5m）；H′為跌差（3.97m）。

經(jīng)計算，L=4.22m，消力池長度為5m。

（2）第二類石籠溝頭防護典型設(shè)計。 選取的典型溝頭為QSG-28侵蝕溝。 坡切整形后，溝口斷面地高差為3.79m， 溝口平均寬度為17.7m，溝口平均寬度為9.1m。 從溝頭向下游布置， 共50m長， 石籠已延伸至溝兩側(cè)邊沿0.5m處，頂壓處理。

①最大來水量。 本區(qū)10年一遇年最大6h降雨量103.95mm，K10%=1.75，K5%=2.16，CS=2.03CS=3.5CV），CP=1.52。 最大徑流量計算公式如下：

式中 Qm為最大徑流量（m3/s）；F為匯水面積，取0.5km2；Cp為最大徑流量參數(shù)，取1.52；

根據(jù)上述公式所計算的最大洪峰流量為0.770m3/s， 該斷面設(shè)計尺寸能夠滿足最大洪峰泄洪要求。

②工程量。 本工程共布設(shè)石籠溝頭防護2座，第一類石籠溝頭防護1座，第二類石籠溝頭防護1座。工程量如表2。

表2 石籠溝頭防護工程量匯總

4.3.2 柳跌水

本次設(shè)計選擇QSG-19號侵蝕溝做典型設(shè)計，匯水面積0.35km2。

（1）設(shè)計標準：10年一遇6h最大降雨。

式中 L為跌水消力池長度（m）；H0為跌水溢水口水深，取0.5m；H′為跌差，取1.0m；D為消力池深（m）。

經(jīng)計算，L=2.1，取3m；D=0.5m，取0.5m。

（4）結(jié)構(gòu)形式。 采用柳編結(jié)構(gòu)，由進水口、消力池、出水口等組成。

（5）柳跌水布設(shè)。本次設(shè)計有10條侵蝕溝布設(shè)柳跌水10座，柳跌水長度共200m，如表3。

表3 柳跌水布設(shè)及工程量

續(xù)表3

5 結(jié)語

侵蝕溝治理是該區(qū)域治理的首要任務(wù)， 綜合治理項目區(qū)侵蝕溝主要是采取工程措施和植物措施兩者有機結(jié)合，確保侵蝕溝不再侵占和破壞耕地，最大限度地實現(xiàn)土地的可持續(xù)利用， 減少來自侵蝕溝的淤泥侵蝕，埋壓農(nóng)田、植被，淤積江河，毀壞水利設(shè)施和道路等影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之危害，節(jié)約水土，提高土地生產(chǎn)力，促進項目區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，增加植被覆蓋率，切實改善當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。