济源市项目区水土流失及水土保持工程措施

2021-03-25李英红

河南水利与南水北调 2021年1期

李英红

(济源市水土保持监测站，河南济源 459000)

0 引言

水利工程由于自身的特殊性及复杂性，在施工过程中会存在着占用、扰动土地以及植被的情况，会不同程度造成水土流失，也会对周边生态环境造成影响，还会对水利工程的抗洪能力和土壤保水能力造成巨大影响，因此在水利工程设计和施工过程中都要融入水土保持理念，积极采取水土保持措施，有效防治水土流失，让水利工程建设与生态环境保护和谐发展。

2 项目区概况

济源市2019年国家水土保持重点工程计划安排治理坡头镇大沟河和白道河两条小流域下游的部分区域。项目区土地总面积2 499.96 hm2，现有水土流失面积1 933.51 hm2，年均土壤侵蚀模数1 800 t/km2·a，年土壤侵蚀总量3.48 万 t，现有水土流失面积占总面积的 77.34%。

3 项目区水土流失特点及成因

济源市土壤侵蚀类型为水力侵蚀，风蚀轻微，以面蚀和浅沟蚀为主，重力侵蚀如滑坡、崩塌也有发生。水土流失特点主要有：一是量大面广，水土流失面积占土地总面积的77.34%；二是以水蚀为主，大部分山坡存在水蚀，同时沟道存在沟蚀；三是突发性强，在遭遇强暴雨时，水土流失加剧。

造成水土流失的主要原因有：①自然因素：项目区地势起伏较大，由北向南呈阶梯降低，海拔高差200～610 m，山势陡峻，土薄石厚，耕层浅，肥力低，水土最易流失。该区地表岩性为石灰岩，地面破碎，土壤团粒结构松散，降雨多集中在6—9月份，多以暴雨形式发生，导致侵蚀剧烈。②人为因素：由于该地区地理位置偏僻，群众为满足生活需要，乱弃土石废渣等生产活动，是造成该区土壤侵蚀的主要因素。

按照《土壤侵蚀分类分级标准》《水土保持综合治理技术规范》等技术标准对其进行水土流失分级，可分为四级：Ⅰ级，属微度侵蚀，侵蚀模数<200 t/km2·a，面积566.45 hm2(不计入水土流失面积)；Ⅱ级，属轻度侵蚀，侵蚀模数200～2 500 t/ km2·a，面积1 651.53 hm2，占总流失面积的66.06%；Ⅲ级，中度侵蚀，侵蚀模数在2 500～5 000 t/km2·a，面积185.07 hm2，占总流失面积的7.40%；Ⅳ级，属强度侵蚀，侵蚀模数5 000～8 000 t/km2·a，面积96.91 hm2，占总流失面积的3.88%。

4 项目水土保持工程措施设计

4.1 蓄水池设计

4.1.1 1～2#蓄水池

4.1.1.1 排水沟设计

根据《水土保持工程设计规范》坡面截排水工程5 a一遇10 min短历时设计暴雨。按下式进行计算：

Qm=16.67φqF

(1)

式(1)中：Qm—设计洪峰流量，m3/s；F—流域面积，km2；q—设计重现期和降雨历时内平均降雨强度(mm/min)；φ—径流系数，取 0.60；q根据工程所在地区，查中国5 a一遇 10 min 降雨强度q5,10等值线图确定为 2 mm/min。计算结果见表1。

表1 排水沟水文计算成果表

排水沟按5 a一遇洪水设计，根据以上水文计算成果，排水沟设计断面尺寸及排水沟过流特性详见表2。

表2 排水沟设计断面要素计算结果表

经计算选择1#、2#排水沟底下底宽为0.50 m，上口宽1.50 m，深0.50 m，边坡1∶1；满足5 a一遇降水排水要求。

4.1.1.2 永久沉沙设计

永久沉沙池设在排水沟出口，永久沉沙池采用矩形体，池体采用C20混凝土衬砌，衬砌厚0.25 m。当沉沙池沉积砂石时，需及时清除。

永久沉沙池的深度计算公式：

(2)

式(2)中：hp—沉沙池的深度，m；z—沉沙池上游与下游的水面差，m；q—单宽沉沙流量，m3/s；v—淤积流速，m/s；io—沉沙池底纵坡；ip—沉沙池长度，m；hy—淤积前的设计淤积高度。

沉沙池的宽度计算公式：

(3)

式(3)中：B—沉沙池的宽度，m；Q—沉沙池的工作流量，m3/s；V1—沉沙池平均流速，m/s。

沉沙池的长度计算公式：

(4)

式(4)中：K—安全系数，取1.50；V—沉沙池首端流速，m/s；W—泥沙计算粒径的沉降速度，m/s。

经计算，永久沉沙池断面尺寸一般为：沉沙池池宽2.50 m，池长2.75 m，池深1.00 m。

4.1.1.3 蓄水池容积

根据水土保持国家标准《水土保持综合治理技术规范》2008，小型蓄排水引水工程中规定，容积计算公式：

V=(1/3-1/5)W′

W′=αFH24/1 000

(5)

式(5)中：V—蓄水池容积，m3；α—径流系数，集雨面以山坡、道路为主取 0.40；F—集雨面面积，m2；H24—24 h最大平均降雨量，查河南省水文图集H24=90 mm。

当集雨面以山坡、道路为主时，蓄水池容积计算见表3。

表3 1～2#蓄水池容积计算表

4.1.1.4 蓄水池设计

根据以上计算结果，1～2#蓄水池容积为300 m3，形式为长方形封闭式。蓄水池内壁平面净尺寸为13.90 m×6.90 m，深3.50 m，侧墙厚0.25 m，底板厚420.25 m，顶板厚0.18 cm，采用C25钢筋混凝土结构，防渗标号为W4，防冻指标F150。

4.1.2 3#蓄水池

4.1.2.1 新建大口井设计

①大口井出水量计算采用以下公式：

(6)

式(6)中：Q—井的出水量(m3/d)；S—为出水量为Q时，井的水位降落值(m)；K—渗透系数(m/d)；R—影响半径(m)；h—井中水位高度(m)； T—含水层底板到井底的距离(m)；r—井的半径(m)。

单井控制面积计算公式：

A=QTtη(1-η1)/m

(7)

式(7)中：A—单井控制面积，hm2；Q—单井出水量，m3/h；t—设计水泵每天工作时间 h，20 h；T—设计灌水周期 d，10 d；η—灌溉水利用系数，0.81；η1—干扰抽水的水量削减系数，(取 0.15)；m—设计净灌水定额 m3/ hm2，600 m3/ hm2。

经计算，大口井出水量及单井控制灌溉面积计算统计见表4。

表4 大口井出水量统计表

②大口井井筒壁厚设计

大口井采用大开槽法施工，壁厚按下式计算：

δ= 0.10D2+C3

(8)

式(8)中：δ—壁厚，m；D2—井筒直径，m；C3—系数，砌石为0.18；经计算，壁厚为0.78 m，取0.80 m。

4.1.2.2 管网设计

①灌溉设计流量

根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天的工作时间计算灌溉设计流量，见下式：

Q设=0.67mA/(ηTt)

(9)

式(9)中：Q设—管道系统的灌溉设计流量，m3/h；η—灌溉水利用系数，取0.81；T—灌水周期，20 d；t—日灌水时间，取20 h；A—为灌溉面积，取8 hm2；m—灌水定额，取 60 mm。

经计算：Q设=14.82 m3/h；灌溉设计流量小于单井出水量，满足设计要求。

②管网水力计算

意象，就是客观物象经过作者独特的情感活动而创造出来的一种艺术形象。作者对外界的事物心有所感，便将之寄托给一个所选定的具象，使之融入作者自己的某种感情色彩，并制造出一个特定的艺术天地。千百年来，意象逐渐汇聚成了中国古代诗歌一道亮丽的风景。

管径的确定采用经济流速法来计算。按下式计算：

(10)

式(10)中：d—管道经济管径,mm；Q—水泵设计流量,m3/s；v—管道经济流速，取 1.10 m/s。

经计算得，干管计算管径为80.16 mm，根据当地实际情况，本设计选择钢管，管径为DN80。

管道水头损失按最不利的离水源最远的清水池进口作为验算，管道沿程水头损失，按下式计算：

(11)

式(11)中：hw—沿程水头损失,m；f—管材摩阻系数；L—管长,m，以最不利点长度计算；Q—流量，m3/h；D—管道内径,mm；m—流量指数；b—管径指数。

③灌溉输水系统设计扬程与水泵选型

水泵设计扬程设计扬程按下列公式计算：

Hp=h1+h2+h3+h4

(12)

式(12)中：Hp—设计扬程，m；h1—动水位至最不利点高差，m；h2—沿程水头损失，m；h3—局部水头损失，m；h4—自由水头，m。

4.1.3 蓄水池设计

本次新建 3#蓄水池容积为 300 m3。

结构型式：蓄水池采用定型图纸，形式为长方形封闭式。蓄水池内壁平面净尺寸为13.90 m×6.90 m，深3.50 m，侧墙厚0.25 m，底板厚0.25 m，顶板厚0.18 cm，济源市2019年国家水土保持重点工程46采用C25钢筋混凝土结构，防渗标号为W4，防冻指标F150。

4.2 浆砌石护坡设计

为保证河道两侧耕地边坡免受来水冲刷，在有耕地的部位采用浆砌石护坡，按照耕地边坡的具体情况，尽量沿原有坡度修建护坡。浆砌石护坡基础采用M7.5浆砌石砌筑，厚度50 cm，宽50 cm，每20 m设置1道伸缩缝，缝宽2 cm，采用闭孔低发泡沫板填充；排水孔选用Φ75 mm PVC管，间距2 m，排水孔布设在距地面1 m处位置，单排布设。护坡采用贴坡防护，选用M7.5浆砌石护砌，厚度30 cm。共布设浆砌石护坡1 575 m，其中清涧村浆砌石护坡1 315 m，栗树沟村浆砌石护坡260 m。

4.3 生产路设计

为方便群众生产，满足耕作需求，同时方便对经果林等的后期维护工作，修建田间道路。按照当地具体情况，尽量在原有道路基础上修建，要求道路通车到田块，路面宽3.00 m。

陡坡段坡度≤15%(8.50°)，转弯半径≥12 m，连续坡长不超过30 m。根据地块坡度不同，道路与田块相交方式不同，小于8°的坡面，道路可与田块正交，路田布设方式呈“非”字形；当8°<坡面<12°，道路应按连续的“S”形布设，转弯半径>15 m；大于12°的坡面，道路与田块斜交或呈“之”字形；C20混凝土铺筑，厚度18 cm，每5 m布设1道缩缝，200 m布设一道胀缝；基础采用10%石灰土置换原有基础，具体见生产路横断面设计图。生产道路布设于清涧村经济林、水保林栽植位置。共修建生产路2 020 m。