黃土丘陵溝壑區溝道土地整治工程的排水設計

竇少輝, 高建恩,2, 李興華,, 高 哲, 劉思璇, 周凡凡

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所水利部 水土保持生態工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵溝壑區土地整治工程自2013年由國土資源部、財政部發文批復后開始正式實施[1]，目前已有整治土地3.37×104hm2，潛在整治土地2.00×105hm2余。溝道土地整治工程是一種通過對兩岸邊坡開挖并快速填溝覆土來增加耕地面積的工程措施[2]，當年即可耕作收獲，對保障黃土高原“退耕還林”成果，保障土地安全、糧食安全、水生態安全和黃河長治久安具有重要意義[3]。但溝道土地整治工程在保生態，惠民生的同時卻為黃土高原帶來了新的隱患：溝道回填阻斷了原始流路，使溝道內土壤含水率顯著提高，同時抬升了局部地下水位，造成土壤鹽堿化、不均勻沉降，壩體出現滲漏、管涌等災害問題[4-5]。為此，亟需一種適宜的排水方式來提升溝道中新造地對災害環境的響應能力。

在溝道土地整治研究方面，Liu等[6]研究表明溝道土地整治工程在建立優質農田的基礎上可以減少泥沙運移；李裕瑞等[7]調查發現陜北黃土丘陵溝壑區溝道整治工程實施以來，大量林地、草地和坡耕地向新造地轉化且土地生產力顯著提高。孫彭成等[8]，婁現勇等[9-10]人試驗發現隨著溝道整治比例的增大，地表徑流向地下徑流轉化增加，且溝道控制性工程的防洪標準隨著溝道整治比的增大也有所提高，但地下徑流中氮磷等污染含量增大。在排水研究方面，徐彬冰等[11]在沿海土地整治區，通過布設由排水井、地下吸水管、各級溝網等組成的暗管排水系統來起到農田排水的作用。排水渠密度與方向，暗管與明溝的組合布設形式的改變也會起到不同的排水效益[12-13]。劉麗萍[14]根據黃土溝壑區特殊的地質條件，通過修正滲流公式，改良了路基防排水的設計技術。排水的相關研究目前多集中在農田、市政、礦區等領域，而對于黃土高原溝道新造地的排水設計與應用的相關研究較少。

本文針對溝道整治工程帶來的新造地蓄水排出困難的現狀，通過一種碎石盲溝排水技術的布設應用，探索其對于溝道新造地蓄水和鹽堿化的防控能力，并利用水窖收集滲水進行農田水保的高效利用，以期為今后相關領域的排水設計提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省延安市寶塔區李渠鎮羊圈溝流域(109°31′E，36°42′N)，流域面積2.02 km2，屬于黃土丘陵溝壑第二副區。該區氣候為半干旱性大陸季風氣候，年均氣溫9.4 ℃，平均無霜期140～165 d，多年平均降水量535 mm，降水多集中在7—9月，延河流域平均水面蒸發量為897.7～1 067.8 mm，干旱指數1.57～1.92。土壤類型主要以黃綿土為主，土壤質地均一，抗侵蝕能力差。流域內植被屬于深林草原過渡帶，主要有楊樹、柳樹和刺槐等。土地利用類型主要以林地、草地和耕地為主。

因為黃土丘陵溝壑區特殊的地貌與環境因素，常年受土壤侵蝕的影響，羊圈溝流域土壤侵蝕模數平均可達8 979 t/(km2·a)[15]，所以在20世紀末開展以淤地壩為主的水土保持工程建設以來，羊圈溝流域也筑起了淤地壩系。研究區位于羊圈溝流域的一個子流域，流域面積2.18×105m2，流域出口處修建有一座長30 m，高5 m的擋土壩，壩北側有一小型排水溝。后期溝道新造地面積約1 950 m2，對土壤進行取樣分析，測得土壤黏粒含量17%，粉粒24%，砂粒59%，土壤平均容重為1.42 g/cm3。

1.2 設計依據

本設計基于《水土保持工程設計規范》(GB 51018-2014)，《地下工程防水設計規范》(GB 50108-2008)和《雨水集蓄利用工程技術規范》(SL267-2001)等，同時根據室內土柱試驗結果和當地水文氣象資料進行水文水力計算，依據計算結果進行溝道土地整治工程排水設計。現場施工過程要嚴格按照設計圖要求進行放樣、開挖、布置與回填。依照設計方案，碎石盲溝排水工程于2019年8月3日在設計區流域完成施工布置。

1.3 試驗方法

1.3.1 取樣方法 為了探索碎石盲溝排水工程對于溝道新造地環境的影響，分別在施工前后對設計區溝道新造地和相鄰流域的對比區溝道新造地進行取樣分析，探索碎石盲溝對新造地土壤含水率及土壤鹽分的影響。設計區和對比區同為羊圈溝流域內的子流域，流域面積分別為2.18×105m2和2.09×105m2。兩區海拔高度大致相同，分布在1 065～1 143 m的范圍內，兩子流域出口方向分別為東南和西南，并相互對接。取樣點皆為新造地上的摞荒地，土質均為黃綿土。每次取樣在兩處造地分別取點3～5個，每點取20，60，100，140，180 cm深度的土樣，即每處每層深度的土樣有3～5個重復。樣品進行含水率和電導率的測量與分析。

1.3.2 數據處理 設計圖制作借助AutoCAD 2014完成，土樣含水率的測定通過烘干法完成，并將烘干土樣帶回實驗室磨細，按照1∶5的比例取土壤浸提液，用DDS-370A測溶液電導率并校正數值，使用SPSS19.0及Excel 2010完成數據分析和圖表制作。

2 設計內容

溝道土地整治工程碎石盲溝排水設計主要從碎石盲溝的選材，整體的設計結構，盲溝設計斷面尺寸，盲溝穩定性等方面綜合考慮。

2.1 碎石盲溝選材

碎石層的滲透速率主要取決于碎石粒徑和孔隙率。本設計參考李鑫[16]室內試驗結果：在相同體積容器內放入不同粒徑大小的碎石時，碎石的平均粒徑越大，它相對應的孔隙率就越大，滲透系數就越大。考慮到野外布設施工難度與工程量相對較大，且工程安全更不易被忽視的原因，最終選取粒徑50～80 mm級配良好的，強度不小于MU80，且吸水性能較強的石料來進行盲溝的填充。碎石層孔隙率保證大于35%，泥沙含量不得高于5%[17]。

碎石層外部考慮用無紡土工布進行包裹處理《土工合成材料應用技術規范》(GB/T 50290-2014)，并進行熱熔焊接法連接。無紡土工布具有良好的過濾性、伸縮性、通氣性等特點，且造價低廉，材質輕，適合在野外布設，同時可以達到透水不透泥沙的工程要求。

2.2 結構設計

盲溝排水采取主、支盲溝結構設計(見圖1)。依次布設3條地下碎石盲溝，并經地下流路系統規劃，由壩下排出后匯集于設計水窖，工程設計如圖1所示。主盲溝沿溝道新造地中軸線放樣，距擋土壩約63 m處開挖，基本貫穿溝道新造地，設計長度60 m。考慮到盲溝要從擋土壩底部穿過，且過壩盲溝距壩體應不小于40 cm，因此在還原始溝道坡度(3%)的基礎上加大坡降(見圖2)，同時考慮安全因素，設計主盲溝坡降為5%。綜合造地深度，過壩盲溝埋深、盲溝長度和坡降設計，設計主溝埋深由地下0.7 m逐漸下降到地下3.7 m處，并與橫向盲溝連接。為保證壩體結構穩定性和壩后環境相對不受到設計影響，設計橫向盲溝將滲入盲溝的地下水引至坡腳，由壩體一側底部穿過。

圖2 碎石盲溝結構設計斷面示意圖

圖1 碎石盲溝結構設計平面示意圖

兩條支溝位于主溝兩側，依據等間距法，設計兩條支溝距主溝分別為8 m，3條溝可以盡可能收集整塊造地的滲水。兩條支溝在距壩體約30 m處開挖布設，設計坡降9%～10%，由南向北埋深分別為0.6～3.3 m和1.1～4.1 m，與主溝道交匯于橫向盲溝，橫向盲溝埋深由3.3 m向北連續下降到4.5 m，在貫通3條匯水溝的同時到達坡腳，之后穿過壩底收集于地下水窖，過壩盲溝與壩底高差為50 cm。盲溝體系整體保證不小于5%的坡降，確保滲流沿盲溝的流路運行。

2.3 最大入滲速率與流量設計

土壤的入滲速率主要取決于降雨強度i和土壤飽和入滲系數KS，當iKS，入滲速率根據土壤質地和初始含水率的差異，經歷非飽和入滲階段，最終以飽和入滲速率KS穩定入滲。入滲期間的水量可以看作上層土壤含水率Q的增量。土壤穩定入滲速率則與土壤容重和大于0.25 mm水穩性團粒含量有關[18]。

(1)

通過野外取樣測量，并利用設計區新造地土壤進行室內土柱入滲試驗。試驗用土取自羊圈溝設計區新造地0—3 m深度區間，土樣過1 cm篩去除根系雜質等，風干后均勻灑水，控制土樣初始含水率14%進行配置，并模擬新造地土壤原始容重，按照1.4 g/cm3每5 cm分層夯實回填，裝填深度為100 cm。靜置土柱3 d，自然沉降后進行試驗。試驗過程中用馬氏瓶提供穩定的3 cm入滲水頭，觀察并記錄濕潤鋒和馬氏瓶液面的刻度變化，計算土壤入滲速率的變化。

最終確定設計區土壤最大入滲速率Vmax出現在每次降雨的最初階段，通過5組重復試驗，確定最大入滲速率約為Vmax=5.40×10-3cm/s，設計區穩定入滲速率約為V穩=2.70×10-4cm/s。根據《延安地區實用水文手冊》[19]查得設計暴雨歷時與流域面積的關系(見表1)。

表1 設計暴雨歷時取值范圍

對于面積小于10 km2特小流域往往需要求算20 a一遇1 h甚至更短時間的降雨。計算公式如下：

Ht面=αt·Ht

(2)

式中：Ht面為設計歷時t的流域面平均雨量(mm);Ht為歷時t的點暴雨量(mm)，可查相應歷時最大點雨量均值圖; ɑt為設計歷時t的雨量點面系數，計算公式為：

(3)

式中：F為設計流域面積(km2);at，bt為線性擬合參數(見表2)。

表2 at，bt線性擬合參數值

計算得設計區小流域20 a一遇1 h最大雨量為Ht面=29.96 mm，V降=8.325×10-4cm/s。

Vmax>V降>V穩，在這種降雨環境下，土壤最大入滲速率為V=8.325×10-4cm/s。考慮到設計區是一條季節性干旱溝，且土壤各層入滲速率略有差異，7 d內排出蓄水即可。因此，取最大入滲速率50%設計，設計區溝道土地整治工程排水盲溝設計流量Q=7.99×10-3m3/s。

2.4 盲溝穩定性設計

由于地下盲溝的開挖與布置，開挖土體與盲溝交界面的土顆粒相對不穩定，更易受到擾動而發生位移，嚴重將會導致盲溝堵塞或是地面塌陷。因此，需要對盲溝周圍的土體進行起動分析，排除不合理的設計引起泥沙的運動，從而帶來工程隱患。

針對排水工程中的泥沙運動問題，在此借鑒地下斜孔虹吸管內泥沙起動流速方程[20]，其中盲溝設計角度θ為自變量，公式如下：

(4)

式中：u為泥沙起動流速(cm/s);ρs為泥沙密度(g/cm3);ρw為水的密度(g/cm3);d為泥沙顆粒直徑，在此選取d50=0.02 mm;g為重力加速度，取9.8 m/s2。

其中泥沙密度的計算，利用韓其為等[21]的初始干密度計算公式，如公式(5)所示：

(5)

式中：D為泥沙粒徑(mm)；D1為臨界粒徑(mm)；δ為薄膜水厚度，取為4.00×10-5cm。

根據公式(5)，得到羊圈溝設計區土壤平均干密度ρs=1.377 g/cm3。將結果帶入公式(4)，并按照盲溝設計最大坡降tanθ=0.1進行求解，得到起動流速u=9.46×10-1cm/s。u>Vmax，所以在設計坡降的情況下，泥沙不會達到起動流速而被水流搬運，符合地下工程設計穩定性的要求。

2.5 斷面尺寸設計

盲溝斷面設計應符合在極端環境下，有效控制滲流的排出，無法補給地下水位。在此認為碎石層是均勻布置的，透水性能符合各向同性，可以利用滲流基本方程Darcy定律反推設計斷面尺寸。

(6)

式中：Q為滲流量(cm3/s)；K為滲透系數(cm/s)；J為水力坡降(%)。

碎石層滲透系數K的計算利用Kozeny和Carman針對多孔介質滲流提出了滲透率k與孔隙率n的半經驗半理論公式[22]。

(7)

(8)

式中：n為滲透介質的孔隙率；c為Carman常數，通常取5；D指碎石的平均粒徑；ρ為流體密度；g為重力加速度；μ為流體粘滯系數，取20 ℃時μ=1.01×10-6kPa·s。

取D=60 mm，n=50%，得到鋪設碎石層的滲透系數K=9.70 cm/s，設計盲溝斷面面積A0=1.37 m2。根據前期設計和計算結果，3條盲溝截面設計為1 m×0.5 m的矩形斷面，合計截面A=1.5 m2，達到排滲需要。主、支盲溝的滲水將匯集到橫向盲溝至壩底盲溝，但考慮到沿程水頭損失和開挖位置對壩體穩定性的影響，因此對于橫向和壩底盲溝考慮適當增大設計橫截面積。

2.6 水窖設計

基于對溝道土地整治工程地下滲水收集、監測、高效利用的目的，水窖設計為“全埋型”水窖，不另設地表集流面。為了方便在山區開挖與施工，水窖設計為矩形，尺寸為2.5 m×2.5 m×3 m，窖體主體位于地下，挖深3 m，進水口距窖底2 m，通過PVC管與盲溝出口連接，并用土工布包裹，可收集蓄水8 m3左右。

窖底進行翻夯處理后，利用混凝土制10 cm左右底基，窖身整體用磚塊砌成，表面用M10水泥砂漿進行20 mm抹面。水窖上層與窖口各覆一混凝土蓋板，窖口露出地表約30 cm，其余部分用土回填。

3 結果與分析

3.1 碎石盲溝對溝道新造地土壤含水率的影響

針對碎石盲溝排水設計對溝道新造地土壤含水率的影響進行研究，分別在設計施工前后對設計區域溝道新造地和相鄰流域溝道新造地20—180 cm土層土壤含水率進行取樣分析(見圖3)。圖3中第一次取樣于2019年7月29日進行，此時已連續7 d無降雨(7月22日次降雨量81.9 mm)；第二次取樣是在地下盲溝施工后，且次降雨量達到54.2 mm后第3 d進行(下同)，水窖共收集蓄水約1.875×10-1m3。分析第一次取樣結果發現，設計區土壤含水率在土深20～180 cm范圍內呈現先減小后增大的趨勢，含水率分布在9.01%～12.28%之間。對比區溝道新造地在深度20～180 cm范圍內土壤含水率同樣先減小后增大，含水率分布在5.72%～9.71%之間。第二次取樣結果顯示，設計區20～180 cm土壤含水率相比第一次取樣時有所增大，含水率整體分布在9.59%～15.22%，相對平均增幅18.63%；相比設計區溝道新造地，對比區溝道新造地含水率增幅更為明顯，含水率整體分布在10.83%～16.76%，相對平均增幅65.44%。由兩次取樣結果分析可得，在應對次降雨量54.2 mm的情況下，與無措施的溝道新造地對比，碎石盲溝排水工程可使溝道新造地土壤含水率增幅相對降低46.81%，可使土壤最大含水率的絕對值降低1.53%。

圖3 設計區與對比區溝道新造地土壤含水率變化特征

3.2 碎石盲溝對溝道新造地土壤電導率的影響

土壤電導率可以反映土壤中水溶性鹽的情況，當土壤含水率低于30%時，電導率的大小主要取決于土壤中鹽分的含量，兩者呈正相關關系[23]。針對碎石盲溝排水設計對溝道新造地土壤電導率的影響進行研究，分別在設計施工前后對設計區域溝道新造地和相鄰溝道新造地20—180 cm土層土壤電導率進行取樣分析(如圖4所示)。第一次取樣后分析得到設計區的土壤電導率在土壤深度20—180 cm范圍內呈現先減小后增大的趨勢，數值分布在95.80～126.74 μs/cm之間。對比區土壤電導率呈現先減小后逐漸穩定的趨勢，其值分布在119.61～143.26 μs/cm之間。碎石盲溝排水工程布設后，由第二次取樣分析可得，在20—180 cm土壤深度范圍內，設計區溝道新造地土壤電導率分布在109.98～137.47 μs/cm之間，相比第一次取樣時各層數值有所增大，平均增幅9.44%。相比設計區的溝道新造地，對比區溝道新造地20—180 cm土層范圍內的土壤電導率變化更為明顯，電導率分布在137.57～152.88 μs/cm之間，平均增幅可達13.05%。由上述分析可見，在應對次降雨量54.2 mm的情況下，與無措施的溝道新造地相比，碎石盲溝的排水工程可使溝道新造地的土壤電導率增幅降低3.61%，可使土壤最大電導率降低15.41 μs/cm。

圖4 設計區與對比區溝道新造地土壤電導率變化特征

4 結 論

(1) 本研究以黃土丘陵溝壑區羊圈溝子流域溝道土地整治控制性工程為例，基于小流域20 a一遇1 h暴雨設計標準，并結合室內試驗結果及相關設計規范，設計3條矩形排水盲溝。盲溝長度分別為60，30，30 m，坡降介于6%～10%，盲溝截面積為0.5 m2，盲溝以粒徑50～80 mm的碎石填充，用無紡土工布包裹，并由擋土壩底經過將滲水收集于下游的地下水窖進行監測利用。

(2) 碎石盲溝排水設計可有效緩解溝道新造地土壤的蓄水狀況和鹽堿化程度。初步監測結果表明，針對雨量為54.2 mm的次降雨，與無措施的溝道新造地對比，碎石盲溝排水工程可使新造地土壤含水率增幅相對降低46.81%，最大土壤含水率絕對值降低1.53%；同時使新造地土壤電導率增幅相對降低3.61%，土壤最大電導率降低15.41 μs/cm。

(3) 碎石盲溝排水設計是一種施工方便、經濟環保的有效應對溝道新造地出現不均勻沉降、土地鹽堿化，壩體出現滲漏、管涌等災害的工程措施，可為陜北溝道土地整治工程和其他領域的排水系統設計提供參考。