某小流域综合治理工程设计分析

2015-12-21李侠

水利规划与设计 2015年12期

关键词：谷坊流域措施

李侠

（辽宁省丹东市宽甸县水利局，辽宁丹东118200）

某小流域综合治理工程设计分析

李侠

（辽宁省丹东市宽甸县水利局，辽宁丹东118200）

小城子小流域位于辽宁省宽甸县北部的牛毛坞镇小城子村，严重的水土流失制约着流域内经济社会的可持续发展。通过采取切实可行的工程措施、林草措施和封禁治理措施对该小流域进行治理，能够控制水土流失，绿化荒山荒坡，提高土地利用率，改善生态环境，为农业生产创造条件，将产生巨大的生态效益、经济效益和社会效益，为经济社会可持续发展奠定坚实基础。

水土保持；小流域；治理措施；布设；研究

1 基本概况

小城子小流域位于辽宁省丹东市宽甸县北部的牛毛坞镇小城子村。距离宽甸县城50km，流域总面积60.93km2。小城子小流域葫芦沟工程区内沟壑纵横，水土流失程度逐年加剧，现有水土流失面积2.82km2，占工程区总面积的36.82%。其中，轻度侵蚀1.92km2，中度侵蚀0.9km2，分别占水土流失总面积的68%、32%。平均侵蚀模数2150t/（km2·a）。侵蚀类型主要以水蚀为主，重力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀相伴发生。工程区年平均土壤流失量为1.8万t。严重的水土流失制约着流域经济社会的可持续发展［1］。

工程综合治理水土流失面积200hm2，其中封禁治理149hm2，水土保持林51hm2，疏溪固堤1.32km，谷坊30座，作业路2000m，宣传牌1块。通过工程建设，改善了项目区内的生态环境，促进了现代农业向生态农业过渡［2］。

根据工程总体布置原则，结合工程区土地利用现状、自然条件和经济发展方向，因地制宜，因害设防，工程和生物措施相结合，在坡面经济林区采取补植等改造措施，强化水土保持基础设施和提高植被覆盖度，提高土地利用率；在覆盖度较低的荒草地、灌杂地栽植水保林，绿化荒山荒坡，美化环境，涵养水源；对10a生以下的幼林、疏林地实行封禁治理，充分发挥大自然的自我修复能力，实现生物的多样性保护；对侵蚀沟采取闸沟等工程措施，减轻侵蚀沟的扩张，减少耕地的切割，控制水土流失［1］。在沟道下游的小河道采取工程和植物措施，维系河道及周边生态系统，改善水质，提高河道行洪能力；在经济林区建设作业路，为农业生产创造条件［3］。

2 综合治理设计分析

2.1 工程措施设计分析

2.1.1 谷坊工程措施设计分析

根据工程规模、类型而定，10年一遇3～6h最大暴雨或采用当地最易产生严重水土流失历时、高强度暴雨。利用山区石料丰富特点，选择节约工料、适合含沙量大的山洪沟道特点的干砌石谷坊与铁丝石笼谷坊［4］。

（1）谷坊高度。应根据所采用的建筑材料来决定谷坊的高度，以能承受水和泥沙的压力而不致破坏为原则。根据1∶50000地形图，首先在该图上勾绘沟道的分水岭，再求得沟道的集雨面积F。由该地形图勾画的各河段的流域面积求出主沟道长度L。以水平距离为横坐标，高程为纵坐标，绘出河道纵断图，以无资料手册方法（辽宁省水文资源勘测局1998年8月出版的《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》）求出沟道平均比降i=45.6‰。通过计算得小流域集水面积十年一遇的洪峰流量：

式中：Qp—设计洪峰流量，m3/s；φp—设计洪峰径流系数；ip—设计面暴雨强度，mm/h；F—集水面积，km2。

根据式（2）计算流量：

式中：Q—洪峰流量，m3/s；N—沟道表面糙率，在0.025～0.030之间；R—水利半径，为R=A/χ，A为过水面积（m2），χ为湿周，即管道或渠道断面被水浸湿的长度；i—沟道比降，%。

试算后得到，当H=2.0m时，Q=55.8m3/s，所以，沟确定谷坊高度为2.0m。

根据式（3）计算谷坊的间距和数量：

式中：H—谷坊的有效高度，m；i—原沟床比降，%；i0—谷坊淤满后的比降，i0=0.02。

计算谷坊的间距和数量，通过1/10000地形图量出：i=0.0456，H=2.0m，计算后得到L=78m，即谷坊的间距为78m。

对于过水的石谷坊仅检查在地基或砌体最危险的水平断面处的滑动。滑动安全系数K在2.0～2.5范围内取值。利用公式（4）和（5）进行谷坊的稳定计算：

式中：V—在危险断面处水平断面以上的体积，m3；γ—单位砌体容重，干砌石采用2.4t/m3；P—流体单宽垂直压力的总和，取P=w/2；f—摩擦系数，取0.65；w—液体单宽水平压力的总和，t；H2—最危险水平断面以上的建筑物高度，m；γc—水流质容重，一般取1.3t/m3。

谷坊溢流口采取梯形，尺寸可按照宽顶堰公式计算：

式中：Qm—宽顶堰的设计洪峰流量，m3/s；b—溢流口底宽，m；h—溢流口水深，m；M—流量系数，一般取1.55。

根据式（6）计算，当b=3m，h=0.3m，M= 1.55的时候Q=2.08m3/s。本工程设计的谷坊为石谷坊，透水效果明显，对水流阻碍小，所以Q= 2.08m3/s，满足泄洪要求。本工程确定谷坊溢流口尺寸底宽3.0m，高度0.3m。

（2）谷坊结构。干砌石谷坊、铁丝石笼谷坊顶宽1.0m，迎水坡坡比为1∶0.2，背水坡1∶0.8。谷坊的高度取1.2m，基础埋深0.3m或清基至岩石层。干砌石谷坊顶用混凝土压盖10cm，谷坊高度二分之一处混凝土夹层厚10cm。

（3）谷坊的布置。谷坊工程布置原则是“顶底相照”，选择沟道直段布设，避免弯处布设，有跌坎的沟道，在跌坎上方布设，在沟道断面变化时，选择较窄处布设。

（4）谷坊砌筑位置选择。谷坊砌筑要在沟底和岸坡，地形、地质状况良好，无孔洞和破碎底层，没有不易清除的乱石和杂物；避开跌水和拐弯处；在有支流汇合的情形下，应在汇合点的下游修建谷坊。

2.1.2 疏溪固堤工程设计分析

为了保证该工程区内有一个良好的生态环境，保证农民生产和生活的安全，根据工程区河道的自然特点，因害设防，工程和植物措施相结合，促使河床稳定，河水规矩流畅。本项目共建设铁丝笼防洪堤466m，浆砌石防洪堤70m，疏通河道850m［5］。

（1）洪峰流量计算。本设计采用十年一遇洪水，堤防等级为5级。因无实测水文资料，故采用《辽宁省水文手册》，按无资料地区进行水文计算。以葫芦沟河0+50段为例计算成果如下：

平均比降：i=15.5‰；河长：L=5.2km；积雨面积：F=17.58km2；汇流历时：τ=1.24h；计算查表：1、6、24h和3d的设计面雨量：P3d= 210mm，Cv3d=0.6，Cs=3.5Cv；P24h=160mm，Cv24h=0.6，Cs=3.5Cv；P6h=95mm，Cv6h=0.55，Cs=3.5Cv；P1h=40mm，Cv1h=0.52，Cs=3.5Cv。

上述各符号含义：P3d—3d设计面雨量，mm；P24h—24h设计面雨量，mm；P6h—6h设计面雨量，mm；P1h—1h设计面雨量，mm；Cv3d—3d设计面雨量变差系数；Cv24h—24h设计面雨量变差系数；Cv6h—6h设计面雨量变差系数；Cv1h—1h设计面雨量变差系数；Cs—设计面雨量偏差系数。

采用不同频率计算的成果见表1。

表1 不同频率洪峰流量成果

式中：C—谢才系数（一般用曼宁公式计算，C=Rˆ（1/6）/n；n为粗糙系数，不同的材料不同，可以查设计手册）；i—渠道底坡比降；其他符号意义同前。

由式（7）计算当河宽40m，水深0.9m时，10年一遇Q=230.65m3/s。见表2。

表2 十年一遇洪峰流量

（2）堤防高度确定。按照《堤防工程设计规范》GB50286-98规定，5级堤防，安全加高值取0.3m，波浪爬高和风壅高度不计。本设计堤顶高程为设计洪水位加上0.3m，确定防洪堤高度为1.2m。

按水流平行于坡岸产生的冲刷，依据下式进行冲刷计算。

式中：hB—局部冲刷坑深度，m；hp—冲刷处的水深，以近似设计水位最大深度代替，m；VCP—平均流速，VCP=4.59m/s；V允—允许不冲流速，V允= 1.6m/s；n—岸坡系数，n=0.25。

计算得出hB=0.30m。

依据下式计算按水流斜冲岸坡而产生的冲刷。

式中：Δhp—斜冲深度，m；α—水流流向岸坡夹角，α=30°；m—护岸迎水坡边坡系数，m=0.3；d—坡脚处土壤计算粒径，d=0.5cm；g=9.81m/水流局部冲刷流速，（50.47-7.2）=5.33m/s；ω—即过水面积A，m2；ωp—水流流速不均匀时的阻碍面积，ωp与α有关，经查表和计算可得，m2。

计算得出Δhp=0.7m。

根据以上冲刷深度计算结果可以看出，在水流平顺护岸时，冲刷深度最大为0.3m，在水流斜冲护岸时，基础应在冲刷深度至少0.7m以下，但本工程采用浆砌石基础，即使有局部冲刷，也不致使基础毁坏。本地冻层深在1.3m，所以采用1.3m深。

工程布置及结构设计。①堤线布置。在保证河道行洪断面的前提下堤线布设尽量不占耕地及民宅，同时考虑长远规划及发展。②结构设计。防洪堤采取浆砌石结构，每15m设1道沥青木板伸缩缝，木板厚度为2.0cm。③稳定计算。防洪堤稳定计算主要参数：抗滑安全系数1.5，抗倾安全系数1.3，摩擦系数0.45，承载力40～60t/m2。当堤内有水时稳定计算结果：K抗倾=1.58＞1.5K抗滑=4.74满足设计要求。④葫芦沟河防洪工程处于1级阶地与河漫滩交界的地带。两侧以第四纪阶地地层为主，由上至下地层主要为填土、砂土和卵石，河谷及漫滩地层以砂土和砂砾石为主。堤基坐落在岩层之上，坝后回填透水性较好的砂砾石。

2.1.3 作业路工程设计分析

为了方便施工和农业生产及有利于林间管理，同时与现代农业发展接轨，在工程区建设作业路工程。路面宽度3.0m。本工程作业路设计上尽量利用原有道路基础。根据实际地形，由人工或机械修整平面后上垫10cm厚砂砾基层，平整压实后垫磨耗层2cm，共建设作业路2.0km。

2.2 林草措施设计分析

2.2.1 植物护岸工程设计分析

根据工程区河道的自然特点，因害设防，发育河流以植物护岸为主。本项目疏溪固堤工程在采取工程措施的同时还要根据实际布设植物护岸工程。植物护岸工程护岸林选择适生的乡土核桃楸、水曲柳等树种。具体设计按照以下要求布设实施。

（1）实施地块：河道两侧。

（2）立地条件：防洪堤背水坡及缺少植物措施的河岸。

（3）造林图示：核桃楸护岸林。示意图如图1所示。

图1 护岸林标准设计

（4）整地规格：造林春季人工穴状整地，坑规格为长×宽×深=0.3m×0.3m×0.3m。

（5）造林季节及方法：春季人工施肥、灌水、植苗造林。

核桃楸：双行或多行，株行距为0.5m×0.5m。

水曲柳：双行或多行，株行距为0.5m×0.5m。

（6）抚育措施：穴状除草、松土，抚育年次：第1年1次；第2年1次。

（7）每亩苗木用量：详细计算情况见表3。

表3 每亩种苗用量

（8）幼林抚育。新造幼林要实行封育，禁止放牧及其他不利幼林生长和破坏整地工程的活动。成活率30%～70%的进行补植。

（9）工程区共栽植护岸林1.0hm2，其中核桃楸0.5hm2。

2.2.2 老果园改造设计分析

在板栗园树下空间栽植红松，红松的栽植不耽误板栗的生长，同时红松的栽植可提高植被覆盖度，待红松8a结塔后可将老板栗树伐掉，松树园替代了板栗园，红松属于林果兼用林，这种治理方法可增加农民的经济，又可保持水土维护生态，提高土地利用率［7］。工程主要是鱼鳞坑整地，整地规格为短径0.4m，深0.4m，长径0.8m，株行距为2.5m×3m，造林密度为1320株/hm2。

2.3 封禁治理措施设计分析

对工程区郁闭度在0.3以下的疏林地、灌木杂丛、10a生以下的幼林地以及3类蚕场，采取封禁治理措施，充分发挥大自然的自我修复能力，达到培育森林后备资源和实现生物多样性保护的目的。封禁治理采取的辅助措施为安排专人常年管护，定期补植，加强抚育管理。严禁放牧、割柴、取土、开荒等破坏植被的活动，使林地尽快达到有效覆盖度，防止水土流失［6］。

2.3.1 封禁方法

结合各项治理措施，杜绝人为破坏，防治水土流失，促进林草植被的自我修复，对遭到破坏后根系基础较好或残存有天然树种的原有林地，划界封禁起来，停止放牧、取薪柴、开荒，禁绝山火，利用天然树种、根株和根部萌芽及地下茎蔓延就可使森林得到恢复和发育。植被再生力强的地块可以半年封半年放，植被再生力差的地块只允许定期割草，禁止放牧。

2.3.2 封禁措施

对郁闭度＜0.3的疏林地和未成林造林地实施封禁治理。封禁治理应结合补植、平茬复壮、修枝疏伐等抚育措施。同时为保证封得住、有效果、不反复，要明晰产权，制定优惠政策，建立封禁等法规与政策，做到有明确的封育制度和相应的乡规民约，并家喻户晓［4］。

2.3.3 封禁措施设计

（1）封禁组织管理设计。建立健全严格的封禁管理制度。封禁（封育）期间对林间隙地要及时补植造林，并适时做好抚育间伐。禁止封禁期间在修复区进行砍乔木等生产经营活动。封禁区的防火和森林病虫害防治工作，要按照《中华人民共和国森林法》和有关规定执行。

（2）封禁技术设计。对护林员要确定管理制度，落实管护岗位责任制。在封禁区内定期巡查，严禁人畜进入破坏林草植被，在交通道路、村屯馆舍、牧场周边等与封禁区接壤地带设置隔离围栏、宣传牌，以便流域群众了解和监督。