隴東地區取土場水土資源利用體系構建探索

2018-10-21 01:48:28田晉華高雅玉袁立毅

中國水利 2018年18期

田晉華，高雅玉，張峰，馬濤，袁立毅

（1.甘肅省水土保持科學研究所，730030，蘭州；2.甘肅天源勘測設計工程有限公司，730000，蘭州）

隴東主要指陜北狹地以西、六盤山以東的廣袤區域，是甘肅省境內黃土高原區主要組成部分，分屬隴中高原、隴東—陜北高原，以黃土塬、梁、峁地形為主，溝壑縱橫，形態復雜，屬黃土高原溝壑立地亞區，是黃土高原土壤侵蝕非常嚴重的地區之一。隨著黃土高原地區綜合經濟實力的提升，相應的公路、鐵路、民航設施等交通項目不斷上馬，產生一大批取土場。由于隴東地區特殊的地貌特征，交通設施的修建需要適應黃土高原復雜的地形地貌，主要手段有削峁、填溝、架橋、路基填筑等，與此同時產生大量的土方開挖、調運，原有地貌遭到開挖破壞后缺乏植被保護，受到降雨尤其是夏季降雨集中且多暴雨的影響，易造成劇烈的水土流失，引發水土流失災害。

新建西平鐵路線途經陜西省咸陽市和甘肅省慶陽市、平涼市，慶陽至平涼段途經慶陽市寧縣及平涼市涇川縣、崆峒區，在平涼南站與既有寶中線接軌。新建西平鐵路甘肅段共涉及取土場65個，其中平涼市58個，慶陽市7個，取土量達941.82萬m3。

一、取土場建設特征及水土流失特點分析

1.取土場建設特征分析

慶陽至平涼段取土場多設置在車站、路基附近荒地，部分距離較近的路基取土場與站場取土場合并使用，采取集中取土方式。取土場大部分設置在線路兩側植被稀疏、地形較平緩的緩坡地，最大限度地保留原有植被；為降低土方運輸成本，取土場位置均在距離鐵路及站場3.5 km范圍內，運輸方便且避免由于長距離運輸造成的次生水土流失；約87%的取土場在鐵路沿線視線外取土，基本滿足自然景觀協調的要求。

2.取土場水土流失特點

（1）裸露面較大且土體松散，防治措施難以持續跟進

由于鐵路基礎施工進度較為緊湊，連續性強，相應的取土過程較為連續，導致取土場由于連續取土造成臨時防治措施不能及時跟進，造成施工過程水土流失強度增加。

（2）匯水面積大，形成有效徑流時間短且流量大

取土場取土后形成棄土平臺及棄土坡面，改變了地表下墊面條件，徑流系數增加，由原來的0.1～0.2增加到0.25～0.35。雨水匯流造成棄土平臺及棄土坡面以片狀及細溝狀水力侵蝕，進而產生水土資源流失。

（3）徑流資源利用匱乏

徑流資源形成后少部分入滲進入地下，大部分匯集進入截排水系統以后排入溝道內，未設置截排水系統的區域，徑流形成以后產生沖溝，隨沖溝進入溝道內，造成水土流失。

（4）水土資源保護性治理和利用模式單一

主要原因：①削坡開級坡度未達到設計規范要求，坡度太陡，馬道太窄；②植物措施配置單一且配置不合理；③截排水系統設置過于簡單，降雨資源匯集后順溝道流走，造成水土資源流失；④取土后形成的土地和徑流資源不能有效利用；⑤各類治理措施之間缺乏有效的連接性和互補性。

（5）植被選擇存在問題

①植被種類單一，無法形成喬、灌、地被復層立體結構，林木垂直郁閉度低，不能充分發揮植物的生態效益，研究區常見的布設方式為刺槐+側柏或者直接撒播單一草籽；②苗齡選擇和栽植方式不合理，例如研究區常見的刺槐，選擇苗齡過大（樹徑達到5 cm）時，由于取土場馬道平臺土壤水分匱乏很難成活，成活的少部分刺槐30 cm以上基本干枯；③很少選取景觀效果好的植被，無法形成較好的四季景觀；④取土后形成的頂部平臺和底部平臺很少栽植經濟作物，無法有效利用土地資源并發揮經濟效益。

二、取土場水土資源利用體系構建

研究區年平均降雨量在511～566 mm之間，降雨量相對豐富，由于黃土高原區取土場植被立地條件差，植被修復關鍵是要保證土壤水分充足。取土場在取土結束后形成大面積的頂部平臺和坡面，屬于有效的集雨面，有利于雨水收集，通過構建取土場水土資源高效利用系統來有效利用雨水徑流資源，用于補充取土場植被建設及自然修復過程中的水分虧缺。

1.分級削坡型取土場邊坡生態治理修復技術

分級削坡型邊坡治理（構建三維植被防護技術體系，見圖1）分為邊坡和馬道平臺治理兩部分，寬臺陡坡型屬于臺階型設計坡型的特例（見圖2），通過縮短坡長改變植被生長的立地條件，即增大單級邊坡坡度（60°～70°）和平臺寬度（2.5～3.0 m），減小單級坡高（3.5～4.0 m），在坡面平臺處種植適應當地氣候條件的灌木或喬木，坡面斜坡則依靠生態自我修復進行防護。

將邊坡表面刨毛撒播草籽后，覆蓋一層土工膜對邊坡土壤和草籽進行固定，后期通過植物生長進一步穩固邊坡土體。每一級馬道設置截滲水溝（內壁鋪設半透水土工膜），對坡面來水進行攔蓄，使雨水均勻入滲土體，增加每一級邊坡土壤含水量，補充坡面植物需水，同時可有效抑制暴雨徑流對邊坡的侵蝕，增加土體的抗剪強度，減小孔隙水壓力和土體自重力，從而大幅度提高邊坡的穩定性和抗沖刷能力，提升生態修復力度。

2.高陡邊坡生態治理修復技術

高陡邊坡生態治理修復技術（見圖3）通過在取土場頂部平臺修建生態集流場及雨水收集池，對降雨資源進行有效收集、過濾，坡面布設微潤管網，通過微潤管補充高陡坡面植被修復所需水分，為保證坡體穩定，在坡腳修筑漿砌石護腳。

①坡頂區：設置截水溝用于收集周圍匯水，截水溝采用梯形斷面，在截水溝上按照均勻間隔（8～10 m，具體因坡面需水量、雨水收集池容積大小調整）設置1處雨水收集池，再通過微潤管向坡面植物供水，進水口設置沉沙池，出水口設置過濾器（微潤管對水質要求較高）。截水溝溝底及邊坡、儲水窖底板及窖壁、井口均采用C20混凝土砌筑，截水溝外圍兩側1.0 m范圍內土地整治后播種生長密度較高的草籽，同時施有機肥加速植被恢復，降低進入截水溝的泥沙含量。坡頂植被宜選擇喬木和草類。

②坡面區：在坡面覆蓋一層土工合成材料或掛柔性網，根據坡度及植被位置相應布設微潤管，選擇多種植物按一定組合與間距種植。坡面植被主要選擇草和灌木；適當啟閉微潤管保持濕潤的最佳狀態。

③坡腳區：坡腳加固主要采取漿砌石擋墻或護坡，存在滑塌風險的高陡邊坡可采取抗滑樁先行固定，在坡腳外圍布設喬灌草結合的植物措施。

3.取土場治理輔助措施

（1）臨時防治措施

①苫蓋措施：對已經開挖形成的平臺、坡面等裸露面，且后期仍需取土的區域采取防塵網苫蓋，苫蓋后每隔2～3 m設一裝土編織袋壓蓋。

②灑水抑塵：對取土后形成的平面、坡面等施工作業面及松散土體進行灑水抑塵，降低塵土對周圍環境的影響，施工期根據天氣及施工作業情況每天灑水1次。

（2）工程治理措施

削坡開級的坡比控制在1∶1.5，開挖8～10 m高時設一道寬2～3 m的馬道。在取土場頂部開挖邊界以外布設坡頂截水溝，在馬道布設截排（滲）水溝，取土場開挖邊界兩側布設急流槽，下接消力池，由尾水排水溝將匯水引入下游自然溝道，對取土后的底部平臺和邊坡進行整治，以利綠化，平臺修筑擋水埂。

①外圍截水溝：為防止外圍坡面匯水沖刷取土場，在取土場外圍布設C20混凝土截水溝，下接急流槽，經消力池消力后，通過尾水排水溝將匯水排到下游的自然溝道。

②馬道截排（滲）水溝：在馬道內側布設土質梯形截排（滲）水溝。根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50299—99），按10年一遇1小時平均最大雨強設計。安全超高根據要求取10 m。馬道截滲水溝為土質結構，開挖后基礎處理原土夯實。

③急流槽：急流槽上接截水溝，采用C20混凝土現澆，為梯形斷面。設計流量按截滲水溝流量加大30%計算；安全超高依據要求取20 cm。

④消力池：在急流槽尾部接消力池，采用C20混凝土現澆。

⑤尾水排水溝：在消力池尾部增加尾水排水溝，需與原有溝道銜接到位，每座消力池后設尾水排水溝5～10 m，梯形斷面，采用C20混凝土現澆。尾水排水溝的設計標準和設計方法直接采用取土場外圍截水溝，根據安全超高要求，安全超高取10 cm。

⑥土地整治：取土場取土過程中對邊坡及時進行人工削坡整治，取土結束后，為保證取土場底部平臺降水均勻入滲、增加土壤含水率，應用機械進行坑凹回填、碾壓，并每間隔30 m布設一道擋水埂，防止取土后形成大量匯水面，對下游溝道及其他生產生活設施造成破壞。擋水埂為土質，壓實排光，斷面為頂寬50 cm，高60 cm，內外坡比1∶1。也可根據實際需要進行復墾、造林種草或作為宅基地等。