铁岭县蔡牛镇沟头防护工程布设及生态袋谷坊设计

呼振颖

(沈阳利鑫土木工程有限责任公司， 辽宁 沈阳 110179)

1 概述

项目区位于长白山系的哈达岭低山丘区，境内山峦起伏，相对高差不大，在200～300 m之间，坡度一般在5°～25°之间。项目区内侵蚀沟分布众多，大多为V型沟，主要以80～300 m土质沟为主。项目区位于铁岭地区，其中熊官屯镇及平顶堡镇属低山丘陵地貌，蔡牛镇地形特点为平原微丘地貌。项目区为低山丘陵区，土壤类型为棕壤，土质较好。流域内土层在0.20～1.5 m之间，土壤有机质含量在3%～4%左右，土壤理化特性pH值5.0～8.0，适合农、林、果、副业生产，土壤养分状况基本是贫磷、少氮，缺乏有机质，土壤肥力不足。

项目区植被类型以温带针阔混交林为主，属于华北植物区系，树种主要以油松、落叶松、榆树为主，经济林树种主要有榛子、苹果、李子、山杏等。项目区林草覆盖率46.18%。

2 沟道治理工程

2.1 沟头防护

设计侵蚀沟全部位于坡耕地中，目前，坡面没有水土保持治理措施。沟头部位与耕地连接，受耕种及降雨侵蚀影响，沟头地势较低，植被较差。部分沟头耕种期间往往被耕种作物破坏较为严重，沟头发展难以遏制。由于沟头均位于耕地中上部，其汇流面积较大，在此基础上，考虑了排水沟水头保护工程的施工，设计对发育强烈沟头采取石笼沟头防护，防治沟头进一步前进。对于落差小、侵蚀较轻的沟头采取植柳跌水沟头防护。本期设计的70条侵蚀沟多数侵蚀沟沟头较浅，发育不明显。设计共8个石笼沟头防护，1个柳落沟头防护。

2.1.1 石笼沟头防护

1)布设位置

沟头保护主要设置在汇流面积大的沟上方，且有一定高差的沟头处。通过对沟头整形布设排水式沟头防护，缓解水流对沟道的冲刷。本次设计沟头防护位置为沟口K0+000至K0+010。

2)典型沟头选择

设计选择石门沟里为典型沟头进行设计。沟长767.6 m，沟头沟深0.7 m，沟头平均底宽2.0 m，沟道比降为4.11%，沟道面积3 579.71 m2，为中型沟道。

3)来水量计算

计算公式：

Q=0.278 KIF

(1)

式中：Q为设计流量(m3/s)；I为6 小时最大降雨量(10 a一遇)，计算得111.8 mm；F为沟头以上集水面积计算得0.15 km2；K为径流系数，取0.5。

经过计算Q=0.278×0. 5×111.8×0.15=2.33 m3/s。

4)沟道过流能力计算

根据沟道断面尺寸，计算公式：

(2)

(3)

式中，A为过水面积；C为谢才系数；R为湿周。

计算结果见表1。

表1 过流能力计算表

5)措施设计

6)工程量统计

石笼沟头防护共8个，工程量为土方开挖281.70 m3，土方回填281.70 m3，石笼264.76 m3，砂砾垫层85.76 m3，铺无纺布420.02 m2。详见表2。

表2 沟头防护工程布设及工程量统计表

2.1.2 柳跌水沟头防护

对于落差小、侵蚀较轻的沟头采取植柳跌水沟头防护。本次设计选取西沟进行典型设计。西沟沟道长度为357.9 m，沟头宽为9.6 m，沟头深1.6 m，沟道比降为6.88%，沟道面积为2 457.48 m2，属于小型沟道。

1)来水量计算

来水量计算采用公式(1)计算，I为6小时最大降雨量(10 a一遇)，计算得111.8 mm；F为沟头以上集水面积计算得0.04 km2；K为径流系数，取0.5。

经过计算Q=0.278×0.5×111.8×0.04=0.67 m3/s。

2)沟道过流能力计算

采用公式(2)(3)计算

计算结果见表3。

表3 过流能力计算表

3)柳跌水布设

每1条侵蚀沟布设柳跌水1座[2-3]，柳跌水长度共15 m，详见表4。

表4 柳跌水布设及工程量表

2.2 谷坊工程

2.2.1 谷坊形式

工程共布置三种形式的谷坊，分别为石笼谷坊、柳编谷坊和生态袋谷坊[4-5]。

2.2.2 谷坊高度

谷坊高度要依据修建谷坊的材料，同时要考虑两谷坊之间形成的阶地，有利开发，便于经营，根据规范设计要求，石笼铺的高度不应超过3 m，结合侵蚀沟谷坊工程施工经验，确定石笼谷高2.0 m(包括地基埋深0.5 m)。

2.3 石笼谷坊设计

1)设计与施工

2)谷坊间距

L=H/i-i’

(4)

式中：L为谷坊间距(m)；H为谷坊底到溢水口底高度(m)；i为原沟床比降(%)；i’为谷坊淤满后的比降(%)。

L= H/i-i’=1.0/(4.94%-0.8%)=24.15 m

3)谷坊数量

考虑实际地形(断面情况)，最终确定谷坊座数为6座。

4)谷坊来水量

采用公式(1)计算

式中：Q为设计流量(m3/s)；I为6小时最大降雨量(10 a一遇)，计算得111.8 mm；F为沟头以上集水面积计算得0.16 km2，K为径流系数，取0.35。

经过计算Q=0.278×0.35×111.8×0.16=1.74 m3/s。

在石笼谷坊坝顶开设溢洪口，溢洪口断面形式采用矩形，按下式计算：

Q=Mbh3/2

(5)

式中,Q为设计洪峰流量(m3/s)；M为流量系数，(一般采用1.55)；h为溢洪口宽度，取3.5 m；b为溢流口水深，取0.5 m。

经过计算Q=1.55×3.5×0.53/2=1.92 m3/s。满足过流要求。Q1

2.4 生态袋谷坊设计

1)设计与施工

本次设计选取团山沟村老院沟里进行典型设计。沟长166.8 m，平均沟深1.3 m，平均沟宽5.24 m，沟道比降为4.16%，沟道面积873.77 m2，为小型沟道。

2)措施设计

根据沟道实际断面尺寸，共设计两种高度生态袋谷坊，其中2 m高谷坊13座，1.5 m高谷坊12座。

2)谷坊间距

采用公式(4)计算

L= H/i-i’=1.0/(4.16%-0.8%)=29.76 m

3)谷坊数量

考虑实际地形(断面尺寸)，最终确定谷坊座数为5座。

4)谷坊来水量

采用公式(1)计算，I取111.8 mm；F取0.08 km2。K取0.35。

经过计算Q=0.278×0.35×111.8×0.08=0.87 m3/s。

在石笼谷坊坝顶开设溢洪口，溢洪口断面形式采用矩形，按公式(5)计算

式中，B为溢洪口宽度，取1.0 m；H为溢流口水深，取0.5 m。

经过计算Q=1.55×1.8×0.53/2=0.98 m3/s。满足过流要求。

Q1

5)生态袋指标

(1)生态袋规格：热轧无纺布生态袋，820mm×430mm，装土后规格600 mm×300 mm×150 mm。

(2)生态袋技术指标详见表1。

表1 生态袋技术指标

6)工程量统计

该项目共有4条沟布设生态袋谷坊，数量为25座，总长度157.5 m。详见表2。

表2 工程量统计

2.5 柳桩护岸

对于沟道冲刷较轻，植被覆盖较好，水分条件较好的沟道，为了增加沟底及岸坎防冲，设计进行柳桩护岸进行防护。

本次设计选取房厂沟进行典型设计。本沟沟长345.3 m，平均沟深0.8 m，平均沟宽5.84 m，沟道比降为3.5%，沟道面积2 016.86 m2，为小型沟道。

设计沿沟底线两侧向沟坡打埋柳桩，每侧为3排，排间距为0.5 m，桩间距为0.5 m，桩与桩呈品字形交错摆放。同时在埋好的柳桩之间用柳条进行编篱，宽度为0.05 m，高度为0.2 m，增加防冲能力。柳桩护岸布设以不破坏原有植被和边坡为原则，如确需进行边坡修整，以最小破坏为原则。

2.6 石笼护岸

对来水量大、冲刷较严重的沟道，设置石笼护岸，对沟道进行保护，减少水流对耕地的冲刷，保护耕地。

2.6.1 典型设计

选取西丰沟进行典型设计，沟长为143 m，平均沟宽为4.4 m，平均沟槽深度为0.8 m，沟槽比降为2.26%。设计石笼护岸为本沟全段双侧。

2.6.2 石笼护岸工程布设及工程量

项目共铺设25条排水沟，用石笼护岸，总长度16.50 km，开挖总土方量为59 984.92 m3，布设石笼41 108 m3，铺设无纺布73 065.9 m2。

2.7 生态袋护岸

对于沟道冲刷较轻，植被较好的沟道布设生态袋护岸增加植被盖度，减轻冲刷。

2.7.1 典型设计

本次设计选取郝家街桥下进行典型设计。本沟长876.2 m，平均沟宽为8.23 m，平均沟深为1.5 m，沟道比降3.98%。本沟分为桥下和桥上两部分，本次设计部分为桥下部分，总长度为双侧248 m。

2.7.2 生态袋护岸工程布设及工程量

工程共在1条沟道布设生态袋护岸，总长度248 m，需要生态袋127.72 m3。

3 结语

本次沟道均位于耕地中，沟底作为排水通道，流速较快，因此，必须加强沟底的防护，阻滞径流出沟速度，降低冲刷。设计在沟底建设谷坊群，拦蓄径流，根据沟道的特点本次设计布置石笼谷坊、柳谷坊及生态袋谷坊三种形式。其中沟道较深，沟底下切严重的沟道布设石笼谷坊。对于沟道发育较慢，下切较轻的沟道布设柳谷坊及生态袋谷坊；针对沟道垮塌及冲刷严重区域布设石笼护岸，减少冲刷。对于沟道冲刷较轻，植被较好的沟道布设柳桩护岸、生态袋护岸，增加植被盖度，减轻冲刷。对于沟道较浅，比降较小的支毛沟进行秸秆填沟，恢复耕地；对于沟道较缓，水分条件较好的沟道布设柳编护沟，增加渠道覆盖率并减少径流侵蚀，结合项目区周边作业路情况，对破损的作业路进行修建，根据实际情况修建涵洞，实现综合治理。