塬面保护工程设计中应注意的几个问题

2018-01-30赵永军陈建录李长保

中国水土保持 2018年5期

赵永军，陈建录，李长保

(1.水利部水土保持监测中心，北京 100055； 2.陕西省水利厅农业综合开发办公室，陕西西安710004；3.陕西省水土保持局，陕西西安 710004)

黄土高塬沟壑区塬面平缓，为主要的粮食生产区和居住区，但长期的水土流失导致塬面缩小，更严重的是沟道不断延伸切割塬面，使完整的塬面变得支离破碎，优良的土地资源逐步丧失，因此塬面治理和保护十分必要和迫切。

1 设计原则

为了提高投资效益，塬面保护工程应根据塬面不同区域和侵蚀特点，采取不同的防护策略：在塬面排水集中区可考虑布设涝池和适当的排水工程控制沟头侵蚀；在塬边线修建蓄水型沟边埂，结合蓄水池、水窖等对小流量散排雨水进行控制，减少塬边侵蚀；对塬边线周边的坡耕地实施坡改梯，建设经济林和水保林，控制塬坡侵蚀。黄土高原塬面侵蚀最为严重的是雨水集中排放后造成的冲刷，常致沟头延伸，沟谷深切，沟岸扩张，塬面变小。近年来，随着城镇化建设的推进，村镇住户相对集中，村内硬化面积加大，造成降雨汇流快、排放更加集中，塬面侵蚀更加强烈，由于塬面上的村庄比较多，面积也比较大，因此村庄排水造成的冲刷是治理的重点。

塬面保护规划设计应遵循以下原则：

(1)因地制宜。工程措施和植物措施相结合，以侵蚀沟头为重点，对集中排水、冲刷严重的区域采取工程措施，切断沟头延伸，控制塬面切割；以塬边线为边界，对分散排水、侵蚀较轻的区域，采取植物措施，减少塬边冲刷，恢复塬边坡生态。

(2)先蓄后排。按照海绵城市建设理念，提高水资源利用率。雨水应优先考虑蓄集和利用，不能蓄集利用的再考虑排放。优先考虑修建涝池、蓄水池等，将雨水蓄集起来用于灌溉、养畜、生态建设等，亦可考虑修建入渗沟、入渗井等增加地下水补给，还可考虑排往果园、农田用于提高土壤墒情，增加抗旱能力。

(3)大蓄小排。黄土高原土壤抗冲刷能力弱，稍大的流量就可造成严重的冲刷，受地形条件限制，将水流从塬面送至河道困难重重，目前采取的工程措施均不能把雨水径流送入大河道，多在小沟道内，为了减少沟道冲刷，排放流量应有适当的控制，流量越小越好，流速越低越好，应将大流量雨水径流经涝池、蓄水池等蓄集后再小流量排出。

(4)经济合理。塬面保护区域范围较大，需用投资量也大，如何利用有限的投资取得最佳的治理效果，使更多的群众受益是规划设计需要重点考虑的。塬面保护设计要确定合适的标准、最优的方案，是采用“大涝池全蓄”“中涝池调蓄+排放”还是“全排放”，要进行方案优选，采用“明渠”“竖井”“涵管”等排放措施时也要进行优选，涝池防护措施要进行优化，需防渗的防渗，不需防渗的以保稳定为主，涝池建设应尽量自然、生态。

(5)创新技术。塬面保护工程设计中要注重新技术、新材料、新工艺的应用，在防渗施工中可考虑防渗膜，排水管可考虑塑料管、双壁波纹管等；竖井可考虑沉管、沉井等；平洞可采用顶管等，方便施工、工期短、安全省工；管道排水在坡度、长度合适区域可推广采用“倾斜定向钻+PE管”，节省投资。

2 措施布设与设计

塬面保护工程分为塬面排水工程和塬坡治理工程两种类型。塬面排水工程包括引水渠、沉沙池、涝池、排水渠、消力池，以及竖井、涵洞、排洪渠等。塬坡治理工程主要有沟边埂、沟头防护(跌水)、坡改梯、经济林、水保林、种草、生产道路、蓄水池(窖)等。

2.1 塬面排水工程设计

塬面排水工程设计要严格遵守水利工程设计规范，首先是确定塬面防护区域，准确计算来水量，按设计标准算好水文账，在方案比选的基础上合理确定工程方案。塬面排水工程均属小型工程，一般设计标准低，超标洪水可不予考虑。在条件允许的区域可将周边农田或低洼区作为备用排水区，蓄滞超标洪水；对无条件集中排放的，尽量考虑自然分散排放超标洪水，不可集中排放，以免产生更严重的冲刷。

2.1.1 集水区域的划定

集水区应准确划定，能分散排放的可不考虑集中排放；输水距离长的需要另行考虑；有多个涝池的，合理划定各自的防护区。集水区域不准确，可能造成大涝池空储备，或小涝池低防护。

2.1.2 暴雨计算

根据相关规范，准确计算降水总量和最大流量，应采用多种方法进行比较。需根据村庄分布、排水系统比降、排水标准等来估算总量、流量及降水历时等，进行较为详细的汇流计算。

2.1.3 有涝池的排水工程设计

村庄、沟头周边有建设涝池条件的，优先考虑建设涝池。全拦蓄型可根据设计标准下防护区域内产流总量决定涝池蓄水容积；调节型涝池容量包括常蓄水量和调节容量，调节容量需要根据入涝池引水渠系流量、出涝池排水沟道下泄允许流量、汇流时间进行综合计算确定。村庄内排水按1～2 a重现期规划设计排水渠系，合理确定排水渠断面和渠道坡度，要充分利用村庄合理集水、滞洪，控制入池流量，延长汇流时间，一般按3～6 h排完积水考虑。出涝池流量越小越好，流量越小才可能减小对沟道的冲刷，不至于因新修排水工程集中排水而产生新的、严重的冲刷，同时可减小排水渠管的尺寸，有效减少投资。涝池形状因地形而异，涝池深度3～5 m，景观常蓄水位应控制在1 m以下。

涝池入水系统包括引水渠、沉沙池、涵管、集流槽(管)、消力池等，塬边涝池要注意入水口高程控制，防止超标洪水进入造成破坏。涝池排水系统包括出水口、出水涵管，后接渠道或管道，调蓄型涝池出水口下沿应与常蓄水位一致，以有效利用调蓄容积。后续渠道根据流量、地形等确定合理的排水方式，缓坡可采用现浇混凝土明渠，陡坡尽可能采用管道，陡崖可考虑“竖井+涵洞”方案，并做好方案比选，选取投资小、可靠性高、便于施工的方案。

涝池防渗应综合考虑，如果是蓄水利用型，那么应进行全面防渗；有景观蓄水要求时，可分两部分，常蓄水部分需进行防渗，调蓄部分可不防渗；涝池距沟沿较近时，选址应避开滑坡体等不良地质环境，同时应考虑工程安全距离和防渗要求。

2.1.4 无涝池的排水工程设计

无涝池的排水工程设计重点考虑两种情况：一是远离村庄的农田保护区的塬面防护，要提高沟头防护工程标准，分段就地拦蓄，来水量大的可以考虑土质蓄水池，实施塬面坡改梯等工程，拦蓄雨水；二是居民点集中区域、道路、广场等汇水面大的，在确无涝池建设条件的情况下，对分散排水不现实，集中排水已成定势，侵蚀严重的沟头，可考虑“集水池+直排”。集水池体积小，为安全考虑可采用混凝土现浇，集水池出水口可考虑漏斗形，以改善流态、增加泄水量；排水可采用管道或渠道，对地形受限、无开挖条件的可采用PE类管材，施工可用倾斜定向钻，对有开挖条件的可采用PE管或混凝土管，坡度缓的可采用混凝土明渠。直排一般应用在排水流量大、距离短的地点。

2.2 塬坡治理工程

(1)沟边埂。沟边埂是沿塬边布设的挡水埂，以蓄水式为主，配合蓄水池窖和沟头防护(跌水)等，控制塬边侵蚀。应分段计算汇水区域，合理划分防护区段，可分片设多道、多段，做到层层拦蓄。

(2)坡面治理。对塬边缓坡段坡耕地应考虑实施坡改梯、发展经济林等，改善地形地貌，对荒地采取水平阶整地，营造水土保持防护林，增加植被，提升防护能力。

(3)沟头整理。对部分浅侵蚀沟道进行整理，上部修建沟边埂，沟底挖填平整成梯田，恢复土地利用。沟道较长时应分段分层，汇流区较大时，还需考虑排水管，每块田面外沿护埂高出田面1 m左右，以增加蓄水能力。对零乱冲沟、崩塌危崖可采用削坡回填和边坡防护措施。

3 注意事项

(1)材料选用。黄土高原塬面侵蚀集中区，石料采买不便，石质差，运距长、运量大、耗人工多，加之浆砌石渠道刚性强，防渗、抗冻性能差，施工难度大，投入劳力多，不建议采用。而采用混凝土则相对较好，混凝土整体性强，防渗、抗冻、抗冲等性能均较好，渠道现浇壁厚10～20 cm即可满足要求。预制混凝土渠道、管道体量小，工程量小，质量可靠，安装方便,可广泛采用，U形排水渠、圆形预制管等均可在平缓段考虑采用。PE类管材热熔焊接，不渗漏，柔性好，内壁光滑，抗冲能力可达钢管的4倍，倾斜铺设时控制流速在6 m/s以内，管径不超500 mm为宜；坡度较缓时，可开挖铺设；坡度大及陡坎处无法开挖时，可考虑倾斜定向钻铺设(施工中一定要核查PE管材质量)。竖井可采用预制井圈沉井施工方案，较长涵洞可采用顶管施工方案。

(2)沉沙池可采用砖砌或混凝土现浇，穿路涵洞建议采用混凝土预制管，以方便施工，缩短工期，减小施工影响。集流槽可采用台阶状现浇混凝土，并与下池台阶人行步道结合设计，也可采用预制混凝土管、PE管等。

(3) 涝池较大、泥沙较多时，应考虑修建下池车道，以便于清淤，同时对引水渠道分段增加沉沙池，加大涝池入口沉沙池容积，以减少涝池泥沙淤积，延长工程使用年限。

(4)全蓄性涝池在设计时要充分考虑水的综合利用，可考虑利用低位泄水管或泵站将水排入果园、梯田、低洼区，或用于解决庭院经济用水需求，以提高水资源利用率。

(5)涝池设计要考虑安全防护措施，应布设护栏。护栏应尽量与环境相一致，以绿篱和砖墙为主，形成自然生态景观。在水保措施主体设计中，护栏、周边广场等绿化、美化景观措施应以简约为宜。

(6)沟边埂应与排水工程、蓄水涝池联合布设，有条件的地方适当考虑植物护埂等措施。

(7)可在加快入渗、增补地下水、提高土壤深层墒情方面进行科学探索，宜在果园、梯田内建设入渗沟、入渗池、入渗管等，提高雨水就地利用率，减少下泄量。

(8)加快推进雨污分流，尝试推广家庭分户污水处理和垃圾分类处理。

(9)生产道路设计应充分考虑排水，在有坡度的地段可不考虑排水沟，但应注意布设路面截流措施，及时截断路面径流，以小流量排出路面，而不要用排水沟集中汇流排放，以免产生集中冲刷。