水土保持工程防护设计及技术功能提升

李明壮

（海南海口570206）

根据海南省2019 年度水土流失动态监测成果显示，全年水土流失面积达1787 平方公里，完成治理面积321.7 平方公里，水土保持工作任重道远。修建水土保持工程是治理水土流失的一种主要方法，护坡作为水土保持工程的重要组成部分，防护设计是否合理，护坡施工质量如何，将会对水土保持工程的功能发挥关键作用。在高度重视防护设计的基础上，因地制宜、与时俱进的创新设计方案，才能提升水土保持工程的应用功能。

1 水土保持工程的防护设计

1.1 直型坡石坎截坡开阶蓄渗型防护设计

1.1.1 试验设计图

石坎截坡开阶蓄渗技术的设计依据是“临界坡长”原理，设计模型如图1 所示。设计方案为：首先在临界坡长位置横向开阶截坡，作用是拦截坡面径流，让雨水无法从坡顶顺畅的流到坡底，将部分泥土拦截在开阶截坡位置。开阶截坡并非水平，而是从坡面开始，倾斜3-5°斜向下开挖。利用斜面让坡面径流中夹杂的泥沙可以堆积，进一步提高拦截效果。开阶高度控制在50cm 左右，可以根据水土保持工程的具体情况（如坡面倾斜角度、坡面植被覆盖率等）灵活调整，但是注意不要露出下伏基岩。

图1 石坎截坡开阶蓄渗技术模式平断面示意图

1.1.2 临界坡长的确定

确定临界坡长时，应综合考虑水利工程的坡面斜度、植被覆盖情况、土质等。例如，某水土保持工程的坡面斜度为16°，坡面植被以灌木和草本植物为主，覆盖率为60%左右，土质为砖红壤，设计临界坡长为4.5m。以坡顶为起始点，沿坡面向下，每隔4.5m 开阶截坡，然后再间隔4.5m 至下一处开阶截坡，直到坡底。

1.1.3 模型参数的确定

蓄渗库容是反向坡面设计中必须要关注的重要指标，它受到了上方坡面汇水面积、土壤渗水速率、降雨量大小等诸多因素的影响。通常情况下，坡面径流的雨水，因为受到植物截留、自然下渗、蒸发等作用，会有一定程度上的损失。为了方便计算，假定植物截留、自然蒸发的水量较少且忽略不计，此时扣除了植物截留、自然蒸发之后的净雨量即为降水量，于是得到了地表的水量平衡方程：

上式中，Rs（t）为将开始降雨至t 时间的地表流量，T（t）为t时刻的降雨量，F（t）为雨水渗透量。rs（τ）为τ 时刻的坡面流量，i（τ）为τ 时刻的降雨强度，f（τ）为雨水渗透率。由此可知，坡面流量受到某个时间段内降雨量和坡面土壤渗透能力的影响。

利用多年平均径流深计算坡面实际流量和反坡出水量，公式如下：

上式中，V 代表反坡储水量，单位为m3；R 代表多年平均径流深，单位为mm；S1 为开阶上坡投影面积，单位为m2；S2 为反坡投影面颊，单位为m2；F 为反坡土壤渗透量，单位为m3。

参考式（2），不同坡度的斜坡，会影响其临界坡长，进而对反坡储水量、反坡坡度等产生影响，如表1 所示。

表1 不同临界坡长的反坡坡度与坡长

从上表中可以看出，随着坡度的增加，临界坡长的设计长度逐渐缩短，进而导致反坡储水量与反坡坡长也相应的减少。

1.2 波型坡田间拦档壤中排水型的防护设计

1.2.1 设计原理。在明确了坡面出现沟蚀的临界坡长后，通过截短坡长、降低流速、及时排水等综合措施，将土壤中的径流及时排出，从而防止沟蚀的产生，达到水土保持的效果。

1.2.2 布设流程。首先要明确，此类防护设计适用于坡度在25°以下的坡面，否则防护效果将会大打折扣。还有就是将壤中排水通道排出的壤中径流收集起来，后期可以用于灌溉。假设某坡面的长度为29.3 米，临界坡长为8.5m，在临界坡长处修建木枋碎石拦挡，多孔碎石既可以起到过滤作用，将夹杂在坡面径流中的泥沙拦截下来，同时又延缓了坡面径流的流速，使得坡面雨水可以向下渗透或是通过排水通道安全排出，从而避免对下方坡面继续造成冲击影响，有效降低了坡面沟蚀的生成。设计图如图2。

图2 工程拦挡壤中排水技术设计图

2 水土保持防护技术的功能创新优化

2.1 直型坡石坎截坡开阶蓄渗型防护技术优化

2.1.1 超渗径流造成的水土流失。调查发现，海南地区水土流失的常见原因是超渗径流，上文介绍的石坎截坡开阶蓄渗型防护设计，在试点应用中效果良好，但是也遇到了一些问题，例如随着使用年限的增加，反坡渗透率下降，反坡积水情况严重等。因此，针对该防护技术提出了一种土壤钻孔扩容增渗的优化技术。在开阶截坡的反坡上，使用钻机进行开孔，在孔内填入砂石，一方面能够提高反坡渗透能力，即便是遇到强降雨，也能够将反坡蓄积的坡面径流及时的向下渗透，起到了很好的拦截效果；另一方面，多孔的土壤结构还可以让植物根系更好的呼吸，减少了因为雨水过多导致坡面植被出现烂根进而死亡的情况。

2.1.2 下垫面复杂情况的水土流失。不同地区的土壤类型、植被覆盖以及下垫面情况存在较大的差异。因此在运用石坎截坡开阶蓄渗型防护设计时，也应当坚持因地制宜的原则，在深入调查和充分了解下垫面特征值的情况下，设计多种防护方案，确保取得更为理想的水土保持效果。不同下垫面坡耕地特征值如表2 所示。

表2 不同下垫面坡耕地特征值

2.2 波型坡田间拦挡壤中排水型防护技术优化

波型坡田间拦挡壤中排水型防护在建成使用的前几年取得了较为显著的效果，但是随着时间的推移，泥沙淤积的情况日益严重，并且由于清理难度较大，挡土、排水效益也呈现出下滑趋势。针对这一问题，提出了浆砌石淀排优化技术方案。

2.2.1 技术的设计环节。调查分析表明，波形坡面的侵蚀主要是坡谷处坡面径流突然增大，对谷底产生较强的冲击力，进而增加了坡面径流中泥沙含量。因此，可以在坡谷处修建拦挡工程，既可以起到减缓坡面径流流速的效果，同时又能够保护谷底的坡面不受冲击，使坡面径流中泥沙含量显著降低。最后通过排水通道只流出清水，而少量的泥沙被堆积在石坎的下方。既可以提高防护效果，后期还能很方便的清理淤积的泥沙。

2.2.2 监测结果。选取某个使用波型坡田间拦挡壤中排水型防护的坡面，从中间一分为二，一侧维持原状，作为对照小区；另一侧进行技术优化，作为试验小区，选择两次降雨天气下坡面径流情况，如表3 所示。

表3 浆砌石淀排小区次径流、侵蚀情况

在上表中的两个时间点中，6 月26 日降雨量为24.7mm，平均降雨强度为35.4mm/h；6 月29 日降雨量为51.7mm，平均降雨强度为12.5mm/h。结合上表中的其他数据可以发现，使用普通波型坡田间拦挡壤中排水型防护的对照小区，在26 日降雨强大较大的情况下，净流量和产沙量较大。而经过技术优化后的试验区，同等条件下径流量和产沙量均为0，说明有较为明显的改良效果。除此之外，由于整个观测小区均采用坡织物下垫面，加上坡面植被覆盖率较高，因此29 日的总降水量虽然较26 日有所上升，但是因为降雨强度小，两个小区均径流量和产沙量。说明波型坡田间拦挡壤中排水型防护在普通降水情况下可以取得理想的防护效果。

3 结论

（1）直坡型田间拦挡壤中排水技术和波状坡型田间工程拦挡壤中排水技术均可以取得理想的防护功效；（2）结合坡面径流特点实施工程“截、渗或截、渗、排”的思路，提出了直坡型石坎截坡开阶蓄渗技术；（3）针对“滤”不稳定，维护困难的问题，提出了对坡面径流泥沙实施“拦、淀、排”的思路，提出了波状坡型浆砌石淀排拦挡壤中排水技术。