遼東山區(qū)溝蝕治理新技術(shù)
——石柳谷坊

趙 普，張 旭，盧 佳，蘇芳莉

(1.本溪市水土保持局，遼寧 本溪 117022；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院，遼寧 沈陽 110866)

谷坊是治溝主要工程措施之一，主要類型有漿砌石谷坊、干砌石谷坊、土谷坊、混合谷坊和生物谷坊。其中，漿砌石谷坊投資大，施工時排水孔道布設(shè)極為不便；干砌石谷坊兩側(cè)溝岸淘刷嚴重，頂部容易破壞，雖投資較小但不便于管理[1]；土谷坊抗沖蝕能力差，在大暴雨條件下容易發(fā)生破壞。生物谷坊則是近年發(fā)展起來的，以改善生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)，結(jié)合石谷坊的優(yōu)勢，集工程和植物于一體，具有投資少、防護效果好、生態(tài)效益明顯等優(yōu)點[2]，被廣泛應(yīng)用于溝道水土流失的治理。許多學者對生物谷坊的應(yīng)用情況進行了研究，比如徐元光等[3]根據(jù)宣威市的水土流失特點、現(xiàn)狀、成因以及水土流失治理經(jīng)驗，認為在溝蝕嚴重地區(qū)采用生物谷坊能彌補石谷坊的缺點，降低工程造價，改善生態(tài)環(huán)境；趙云朋等[4]認為在東北黑土區(qū)溝壑治理中采用植柳谷坊，具有通透性好、不易沖毀、造價低廉、便于成活等優(yōu)點，并能取得顯著的綠色生態(tài)治溝效益，建議在同類地區(qū)推廣使用。本研究將石谷坊與植柳谷坊結(jié)合進行研究，以期為北方土石山區(qū)溝壑治理及生態(tài)修復提供一定的技術(shù)指導及理論基礎(chǔ)。

1 石柳谷坊的特點

石柳谷坊是生物谷坊的一種，是由本溪滿族自治縣水土保持工作站在多年小流域治理經(jīng)驗基礎(chǔ)上提出的。它是以兩排楊樹枝干(以下簡稱楊干)作為骨架，以當?shù)匾撰@得的柳條或荊條為防護面編織在楊干上，以石塊或土石為基質(zhì)填筑其間，基質(zhì)上方用柳條或荊條交錯覆蓋固定。作為溝蝕治理的新技術(shù)，石柳谷坊具有安全性高、通透性好、不易沖毀、造價低廉、便于實施等特點，適合遼寧省東部山區(qū)的水蝕溝治理。

2 石柳谷坊的設(shè)計要求

2.1 設(shè)計標準

石柳谷坊設(shè)計標準參考《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范(GB/T 16453.1—2008)》，按10年一遇24 h最大降雨量標準設(shè)計，在實際工程中可根據(jù)情況相應(yīng)提高設(shè)計標準。

根據(jù)上游來水量的大小，石柳谷坊的水文分析按兩種類型計算：

(1)滲流型。上游水位不高于谷坊高度時，石柳谷坊的出流全部為滲流。其滲流流速可用達西定律計算，公式為

(1)

(2)堰流型。當石柳谷坊上游水面高于谷坊高度，其出流形態(tài)近似堰流。若忽略谷坊頂水流的水頭沿程損失及楊干的側(cè)收縮影響，則石柳谷坊出流流量可用下面公式計算：

(2)

式中：Q為石柳谷坊堰流流量，m3/s；m為流量系數(shù)，m=0.35；B為石柳谷坊頂長，m；q為重力加速度，q=9.8 m/s2；H0為包括行近流速在內(nèi)的堰前總水頭，m。

2.2 設(shè)計與施工

2.2.1 設(shè)計要點

石柳谷坊的設(shè)計要把握以下幾個要點：①樹種的選擇。選擇耐旱、耐濕、耐寒、易成活、適應(yīng)性強的樹種，盡量就地取材，選擇鄉(xiāng)土樹種。本石柳谷坊設(shè)計選擇楊樹和荊條[5]。②通透性。石柳谷坊具有既通又阻的特點，通阻適中是石柳谷坊設(shè)計的要點。因此，把握好石柳谷坊的通透性是石柳谷坊設(shè)計的重要指標，楊干間距和荊條編織密度要得當，楊干間距控制在45 cm左右，荊條編織密度以土石不流出為準[6]。③栽植標準。楊干直徑為5～8 cm，長不要小于2 m，栽植深度一般為40～50 cm，地上部分留1.5 m；荊條編織寬度應(yīng)略大于溝道中心流水溝的寬度，兩側(cè)應(yīng)到流水溝的流水部位以上，以防止溝邊兩側(cè)走水產(chǎn)生側(cè)向沖刷造成谷坊的破壞；前后對稱各栽植一排楊干，兩排之間距離保持在1.5～2 m。

2.2.2 結(jié)構(gòu)與修筑方法

石柳谷坊由楊干、荊條、基質(zhì)(石塊或土石)三部分組成。其修筑方法簡便，主要由以下步驟組成：

(1)谷坊位置的確定。谷坊位置由實際地形地貌狀況確定。

(2)谷坊高度與間距的確定。谷坊間距與谷坊高度及淤積泥沙表面的臨界不沖坡度有關(guān)。實際調(diào)查資料證明，在谷坊淤滿之后，其淤積泥沙的表面不可能絕對水平，而是具有一定的坡度，稱為穩(wěn)定坡度，目前一般谷坊設(shè)計中采用下面的方法：

按照瓦蘭亭(Valentine)公式計算穩(wěn)定坡度

(3)

式中：I0為穩(wěn)定坡度；d為砂礫的平均粒徑，m；h為平均水深，m。

谷坊間距的計算公式為

(4)

式中：L為谷坊間距，m；H為谷坊高度，m，本石柳谷坊高度設(shè)計為0.50 m；I為溝底天然坡度；I0為穩(wěn)定坡度，一般沙土取0.005，黏壤土取0.008，黏土取0.01，粗沙兼有卵石者取0.02。

(3)清基。在選好修建谷坊的地點后，清除溝道中的垃圾、雜草、碎石等雜物，垂直于河道開挖寬1.5 m、深20 cm的基礎(chǔ)。

(4)栽植楊干。清基后在兩側(cè)栽植楊干，栽植埋深50 cm，兩側(cè)楊干對稱栽植。

(5)編織荊條。以栽植好的楊干為骨架編織荊條，編織密度以土石不流出為宜，編織高度即為谷坊高度，一般控制在50 cm左右，最頂層加一個直徑約3 cm的粗枝條。

(6)填筑基質(zhì)。填筑材料就地取材，將碎石或土石填筑在編織好的谷坊中間，邊填筑邊踩壓，填筑高度與荊條的編織高度保持一致。

(7)固定。填筑完成后，在基質(zhì)上面鋪一層稀疏的荊條，之后將已成型的谷坊兩側(cè)上端用8#鐵絲固定，以增加谷坊的穩(wěn)定性[7]。

2.2.3 施工要求

采選楊干時，要按設(shè)計要求的長度和直徑選擇生長能力強的活立木，并在春天樹木萌芽前或秋天樹木落葉后進行。為了保證楊干的成活，埋樁時要注意樁身與地面垂直，勿傷楊干外皮，牙眼向上，各排楊干對稱排列。楊干的栽植季節(jié)對于石柳谷坊的建設(shè)至關(guān)重要，一般選在春季4—5月份栽植，此季節(jié)溝道中水量較小，楊干成活率高，同時也便于施工。

2.3 布設(shè)與選址

石柳谷坊的布設(shè)要從溝頭到溝尾，節(jié)節(jié)布設(shè)，間距50～80 m，以達到節(jié)節(jié)阻攔、減緩水流流速、減輕沖刷的目的。按照石柳谷坊自身的特點及流域匯流原理，石柳谷坊的布設(shè)應(yīng)先上游后下游、先支溝后干溝、成群系分布。此外，還應(yīng)與斜坡固定工程、田間工程以及生物措施、農(nóng)業(yè)耕作措施相結(jié)合，合理布局，以形成一個互相配合的綜合治理體系。

石柳谷坊在選址時應(yīng)考慮以下原則：谷口狹窄；上游有寬闊平坦的貯砂空間；在有支流匯合的情形下，應(yīng)在匯合點的下游修建谷坊；谷坊不應(yīng)修建在天然跌水附近的上下游。

3 應(yīng)用效益及前景

經(jīng)初步監(jiān)測，每處石柳谷坊可攔蓄泥沙量達300～500 m3，抬高溝底0.5 m，減流緩沖效果明顯，降低溝道水流流速50%以上，延緩了溝道洪峰的匯流強度和時間，大大減輕了對溝道的沖刷。石柳谷坊的應(yīng)用范疇較廣，適宜具有一定降雨條件的各種溝道治理，其最大的優(yōu)勢是具備環(huán)境保護的屬性，集綠色和生態(tài)于一體。石柳谷坊在東北黑土區(qū)低山丘陵區(qū)的溝道治理中最為適宜，且易于成活，具有很高的推廣應(yīng)用價值，因此建議在廣大低山丘陵等適宜地區(qū)的水蝕溝中推廣應(yīng)用此項溝蝕治理新技術(shù)。

[參考文獻]

[1] 耿慶珍,于洋.丘陵區(qū)沖刷溝內(nèi)谷坊工程設(shè)計實例[J].黑龍江水利科技,2008,36(3):180.

[2] 薛永剛,于明.植柳谷坊在治溝中的應(yīng)用[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2009(5):16-17.

[3] 徐元光,毛家軒,楊忠貴,等.宣威市水土流失現(xiàn)狀與治理對策[J].水土保持通報,2002,22(4):54-56,61.

[4] 趙云朋,薛永剛,于明.植柳谷坊在東北黑土區(qū)治溝中的應(yīng)用[J].中國水土保持,2009(9):31,61.

[5] 于明.生物谷坊的設(shè)計與施工[J].水土保持科技情報,1995(1):23-24.

[6] 張漢雄.沙柳谷坊的設(shè)計與施工[J].人民黃河,1997(1):23-26.

[7] 王禮先.水土保持工程學[M].北京:中國林業(yè)出版社,2000:9.