康平縣引遼濟(jì)湖工程水土保持措施設(shè)計(jì)

蔡學(xué)博

（康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心，遼寧 康平 110500）

1 工程概況

康平縣地處遼寧省北部。遼河是康平與昌圖兩縣的界河。臥龍湖位于康平縣城西1 km 處，湖域面積127 km2，是我國東北地區(qū)大型淡水湖泊。受人類活動(dòng)以及氣候環(huán)境變化影響，臥龍湖的外部環(huán)境被嚴(yán)重破壞。為確保臥龍湖不再干涸，實(shí)施了引遼濟(jì)湖工程，改善水質(zhì)狀況，恢復(fù)湖周邊的生態(tài)環(huán)境?？灯娇h地處低山丘陵區(qū)，工程區(qū)是康平縣水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。為了防止施工過程中產(chǎn)生水土流失、洪澇災(zāi)害和生態(tài)退化等生態(tài)環(huán)境影響，以小流域?yàn)閱卧_展水土流失綜合防治工作，采取一系列水土保持措施，為保護(hù)輸水通道的暢通、減少泥沙淤積、提高區(qū)域防洪和防御自然災(zāi)害的能力奠定基礎(chǔ)[1]。

2 工程區(qū)水土流失現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，水力侵蝕和風(fēng)蝕為工程區(qū)主要侵蝕類型，凍融侵蝕所占比例較小。受人為影響作用明顯的坡耕地、荒地以及植被較差的溝道等流失較為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)土壤平均侵蝕模數(shù)為1 350 t/（km2·a），平均每年產(chǎn)生水土流失 2.82 萬 t。受強(qiáng)降雨等自然因素影響，植被覆蓋度低、土層薄的區(qū)域極易受洪水沖刷形成侵蝕溝，有時(shí)還會(huì)造成小范圍滑坡。工程位于山區(qū)，土層較薄，基性巖和風(fēng)化物為主要組成物質(zhì)，在強(qiáng)降雨作用下土層表面易發(fā)生侵蝕現(xiàn)象[2]。

由于人口增加，人類活動(dòng)加劇，加之少數(shù)人破壞行為，林草植被面積減少，原來疏林地、灌木林地轉(zhuǎn)化成農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其表層比較脆弱，大大減弱了固土和涵養(yǎng)水源功能，加劇了水土流失現(xiàn)象，土地沙化、鹽堿化等愈加嚴(yán)重，土地肥力衰退，對(duì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力產(chǎn)生阻力，影響工程周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

3 工程水土保持措施設(shè)計(jì)

3.1 水土保持分區(qū)

工程區(qū)總土地面積為2 090.00 hm2，目前水土流失面積為383.52 hm2，占總面積的18.35%。水力侵蝕、風(fēng)蝕為土壤主要侵蝕類型，水土流失面積全部為輕度侵蝕。從水土流失類型、特點(diǎn)、地貌特征及土地利用方式上看，為中低山丘陵區(qū)，其地貌類型為石質(zhì)低山、土石丘陵。

3.2 總體布置

借鑒其他小流域工程水土流失治理設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過分析地形地貌、土地利用狀況以及結(jié)合生產(chǎn)力發(fā)展水平，將植被恢復(fù)和侵蝕溝的治理作為工程重點(diǎn)，進(jìn)行水土流失綜合治理[3]。工程區(qū)內(nèi)需治理侵蝕溝及支毛溝區(qū)1條。溝蝕已成為當(dāng)?shù)厮亮魇：ψ畲蟮囊环N形式，其治理總原則如下：發(fā)展侵蝕溝以治理為主，治理與開發(fā)并重，溝底修筑谷坊綜合防治；半穩(wěn)定溝以預(yù)防為主，防治與開發(fā)利用結(jié)合。工程措施主要通過區(qū)域內(nèi)的侵蝕溝、小溝道治理，減少由于水土流失而進(jìn)入水體中各污染物數(shù)量，從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境和涵養(yǎng)水源，具體措施有谷坊、溝頭防護(hù)、跌水、導(dǎo)流墻、漿砌石擋土墻等。

3.3 溝壑治理工程

3.3.1 谷坊工程設(shè)計(jì)

谷坊是橫筑于溝壑和溪流中的一種建筑物，主要作用是減緩溝壑比降，固定河床，攔蓄泥沙。其布設(shè)在溝底比降較大、溝底下切劇烈發(fā)展的溝段，可以鞏固并抬高溝床，制止溝底下切，同時(shí)穩(wěn)定溝坡，制止溝岸擴(kuò)張。

為了攔截更多的泥沙，谷坊位置宜選擇在較窄且平緩的溝道。為了使溝岸溝底比較牢固，建議不要選在風(fēng)化石上。建設(shè)過程中一定要留溢水口，以避免暴雨天氣下因漫頂沖毀谷坊。

本次需治理侵蝕溝位于高大棚村，溝道侵蝕劇烈，溝底已下切到基巖，溝岸還有繼續(xù)擴(kuò)張的趨勢(shì)，不斷蠶蝕溝兩岸的農(nóng)田和土地，下泄水流帶走大量泥沙，嚴(yán)重淤積下游河道。侵蝕溝現(xiàn)狀詳見表1，谷坊斷面尺寸詳見表2。

表1 侵蝕溝現(xiàn)狀情況

表2 漿砌石谷坊斷面尺寸

谷坊間距采用下式計(jì)算：

式中：L為谷坊間距（m）；H為谷坊底到溢水口底高度（m）；i為原溝床比降（%）；i'為谷坊淤滿后的比降，取0.5%。經(jīng)計(jì)算，各谷坊間距詳見表3。

表3 谷坊間距

漿砌石谷坊溢洪口應(yīng)設(shè)置在壩頂，工程洪峰流量按下式計(jì)算：

式中：Q為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；b為溢洪口底寬（m），取2.0 m；h為溢洪口水深（m），取0.5 m；M為流量系數(shù)，取1.55。經(jīng)計(jì)算，各溝道溢流口計(jì)算成果詳見表4。

表4 溢流口計(jì)算成果

3.3.2 溝頭防護(hù)工程設(shè)計(jì)

為防止水的溯源侵蝕，在溝道的源頭設(shè)計(jì)溝頭防護(hù)，溝道兩邊削坡修建溝頭，入口長2.9 m，兩側(cè)攔水墻長度為3 m，底板采用0.5 m 厚的漿砌石，上鋪0.1 m 厚的鋼筋混凝土，下用0.2 m 厚的砂石墊層。斜坡寬4 m，消力池長5 m，消力坎高度0.4 m，出口處布設(shè)固濱籠海漫。

3.3.3 跌水工程設(shè)計(jì)

工程區(qū)內(nèi)2 處支溝現(xiàn)狀坡度較陡，水流沖刷嚴(yán)重，兩岸岸坡逐年坍塌，蠶食耕地，嚴(yán)重威脅侵蝕溝道兩岸的耕地。經(jīng)現(xiàn)場勘測，擬在這兩處修建跌水2座。在上游側(cè)修建溝頭，入口長2.9 m，兩側(cè)攔水墻長3 m，底板采用0.5 m 厚的漿砌石，上鋪0.1 m 厚的鋼筋混凝土。坡中部修建2 處重力式漿砌石擋墻，頂寬0.5 m，墻高3.0 m，底寬1.4 m，背坡1∶0.7，消力池長度4.5 m，消力坎高度0.4 m，出口處布設(shè)固濱籠海漫。跌水工程設(shè)計(jì)的計(jì)算公式包括以下公式，其中跌落水舌長度計(jì)算公式為：

水舌后水深計(jì)算公式為：

收縮水深計(jì)算公式為：

躍后水深計(jì)算公式為：

水躍長度計(jì)算公式為：

池深計(jì)算公式為：

池長計(jì)算公式為：

式中：D＝q2/（g·P3）；P為跌差（m）；q為單寬流量（m3/s）。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)排水流量要求。

3.3.4 小型蓄排引水工程設(shè)計(jì)

為防止侵蝕溝兩側(cè)岸坡遇到降雨形成新的沖溝，在溝道岸坡頂端修建110 m 的導(dǎo)流墻，將雨水引入就近的溝頭防護(hù)內(nèi)，防止對(duì)溝道兩側(cè)坡面的沖刷。導(dǎo)流墻采用漿砌石U 形槽結(jié)構(gòu)，墻厚0.5 m，地面以上高0.5 m，基礎(chǔ)深1 m。設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算公式如下：

式中：Qm為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；k為徑流系數(shù)，取0.3；i為平均1 h 降雨強(qiáng)度（mm/h），10 a 一遇最大1 h降水量49.75 mm；F為集水面積（km2）。

排水溝斷面尺寸通過明渠均勻流計(jì)算公式確定：

式中：C為謝才系數(shù)為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R為水力半徑（m），R=A/x；i為溝底比降；n為粗糙系數(shù)，取0.025。

經(jīng)計(jì)算，工程所在區(qū)域的設(shè)計(jì)洪峰流量Qm＝1.66 m3/s，設(shè)計(jì)過水流量Q＝2.18 m3/s＞1.66 m3/s，斷面型式滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 其他工程設(shè)計(jì)

目前有一處支毛溝的邊坡較陡，遇降雨逐年坍塌，導(dǎo)致坡上耕地面積逐年減少，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。計(jì)劃對(duì)局部陡坡段山體進(jìn)行防護(hù)，共計(jì)550 m，采用貼坡式擋土墻，地上高度2.0 m，基礎(chǔ)埋深1.5 m，頂寬0.5 m，底寬1.1 m，面坡坡比1∶1，背坡坡比為1∶0.7。每隔10 m設(shè)置1道分縫，墻體至地面以上0.5 m設(shè)置1 排直徑80 mm 排水管，排水管間距3.0 m。排水管外包土工布。砌筑塊石采用MU30，砂漿采用M10，墻頂為水泥砂漿壓頂。

（1）依據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379-2017）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算。其計(jì)算公式為：

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載（kN）；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，滑移力為24.036 kN，抗滑力為45.971 kN，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc=1.913＞1.300，滿足規(guī)范要求。

（2）抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算:

式中：K0為擋土墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為對(duì)擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩（kN·m）；∑MH為對(duì)擋土墻基底前趾的傾覆力矩（kN·m）。

經(jīng)計(jì)算，傾覆力矩為29.284 kN·m，抗傾覆力矩為 92.206 kN·m，抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)K0=3.149＞1.500，滿足規(guī)范要求。

（3）基底應(yīng)力按下式計(jì)算:

式中：Pmax、Pmin分別為擋土墻基底應(yīng)力的最大和最小壓應(yīng)力（kPa）；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；A為擋土墻基底面的面積（m2）；∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對(duì)于水平平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和（kN·m）；W為擋土墻基底面對(duì)于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩（m3）。

經(jīng)計(jì)算，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力比值81.944/59.505=1.377＜2.5，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

引遼濟(jì)湖工程是一項(xiàng)民生工程。從溝壑治理、溝頭防護(hù)、小型蓄排引水等方面開展工程水土保持措施設(shè)計(jì)，對(duì)進(jìn)一步控制項(xiàng)目區(qū)所在地及周邊地區(qū)的水土流失、促進(jìn)生態(tài)環(huán)境改善具有重要作用。工程的實(shí)施可使項(xiàng)目區(qū)資源得到可持續(xù)利用保護(hù)，有效減少了土壤沖刷量，增加了土地肥力，恢復(fù)了地表植被，也為工程所在地及周邊地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)盡快恢復(fù)創(chuàng)造了條件，同時(shí)提高了土地生產(chǎn)力，帶動(dòng)了工程區(qū)周邊經(jīng)濟(jì)發(fā)展。