康平縣引遼濟湖工程水土保持措施設計

蔡學博

（康平縣自然資源保護與行政執法中心，遼寧 康平 110500）

1 工程概況

康平縣地處遼寧省北部。遼河是康平與昌圖兩縣的界河。臥龍湖位于康平縣城西1 km 處，湖域面積127 km2，是我國東北地區大型淡水湖泊。受人類活動以及氣候環境變化影響，臥龍湖的外部環境被嚴重破壞。為確保臥龍湖不再干涸，實施了引遼濟湖工程，改善水質狀況，恢復湖周邊的生態環境。康平縣地處低山丘陵區，工程區是康平縣水土流失較為嚴重的地區之一。為了防止施工過程中產生水土流失、洪澇災害和生態退化等生態環境影響，以小流域為單元開展水土流失綜合防治工作，采取一系列水土保持措施，為保護輸水通道的暢通、減少泥沙淤積、提高區域防洪和防御自然災害的能力奠定基礎[1]。

2 工程區水土流失現狀

據調查，水力侵蝕和風蝕為工程區主要侵蝕類型，凍融侵蝕所占比例較小。受人為影響作用明顯的坡耕地、荒地以及植被較差的溝道等流失較為嚴重。據統計，研究區內土壤平均侵蝕模數為1 350 t/（km2·a），平均每年產生水土流失 2.82 萬 t。受強降雨等自然因素影響，植被覆蓋度低、土層薄的區域極易受洪水沖刷形成侵蝕溝，有時還會造成小范圍滑坡。工程位于山區，土層較薄，基性巖和風化物為主要組成物質，在強降雨作用下土層表面易發生侵蝕現象[2]。

由于人口增加，人類活動加劇，加之少數人破壞行為，林草植被面積減少，原來疏林地、灌木林地轉化成農田生態系統，其表層比較脆弱，大大減弱了固土和涵養水源功能，加劇了水土流失現象，土地沙化、鹽堿化等愈加嚴重，土地肥力衰退，對經濟生產力產生阻力，影響工程周邊地區的經濟發展。

3 工程水土保持措施設計

3.1 水土保持分區

工程區總土地面積為2 090.00 hm2，目前水土流失面積為383.52 hm2，占總面積的18.35%。水力侵蝕、風蝕為土壤主要侵蝕類型，水土流失面積全部為輕度侵蝕。從水土流失類型、特點、地貌特征及土地利用方式上看，為中低山丘陵區，其地貌類型為石質低山、土石丘陵。

3.2 總體布置

借鑒其他小流域工程水土流失治理設計經驗，通過分析地形地貌、土地利用狀況以及結合生產力發展水平，將植被恢復和侵蝕溝的治理作為工程重點，進行水土流失綜合治理[3]。工程區內需治理侵蝕溝及支毛溝區1條。溝蝕已成為當地水土流失危害最大的一種形式，其治理總原則如下：發展侵蝕溝以治理為主，治理與開發并重，溝底修筑谷坊綜合防治；半穩定溝以預防為主，防治與開發利用結合。工程措施主要通過區域內的侵蝕溝、小溝道治理，減少由于水土流失而進入水體中各污染物數量，從而保護生態環境和涵養水源，具體措施有谷坊、溝頭防護、跌水、導流墻、漿砌石擋土墻等。

3.3 溝壑治理工程

3.3.1 谷坊工程設計

谷坊是橫筑于溝壑和溪流中的一種建筑物，主要作用是減緩溝壑比降，固定河床，攔蓄泥沙。其布設在溝底比降較大、溝底下切劇烈發展的溝段，可以鞏固并抬高溝床，制止溝底下切，同時穩定溝坡，制止溝岸擴張。

為了攔截更多的泥沙，谷坊位置宜選擇在較窄且平緩的溝道。為了使溝岸溝底比較牢固，建議不要選在風化石上。建設過程中一定要留溢水口，以避免暴雨天氣下因漫頂沖毀谷坊。

本次需治理侵蝕溝位于高大棚村，溝道侵蝕劇烈，溝底已下切到基巖，溝岸還有繼續擴張的趨勢，不斷蠶蝕溝兩岸的農田和土地，下泄水流帶走大量泥沙，嚴重淤積下游河道。侵蝕溝現狀詳見表1，谷坊斷面尺寸詳見表2。

表1 侵蝕溝現狀情況

表2 漿砌石谷坊斷面尺寸

谷坊間距采用下式計算：

式中：L為谷坊間距（m）；H為谷坊底到溢水口底高度（m）；i為原溝床比降（%）；i'為谷坊淤滿后的比降，取0.5%。經計算，各谷坊間距詳見表3。

表3 谷坊間距

漿砌石谷坊溢洪口應設置在壩頂，工程洪峰流量按下式計算：

式中：Q為設計洪峰流量（m3/s）；b為溢洪口底寬（m），取2.0 m；h為溢洪口水深（m），取0.5 m；M為流量系數，取1.55。經計算，各溝道溢流口計算成果詳見表4。

表4 溢流口計算成果

3.3.2 溝頭防護工程設計

為防止水的溯源侵蝕，在溝道的源頭設計溝頭防護，溝道兩邊削坡修建溝頭，入口長2.9 m，兩側攔水墻長度為3 m，底板采用0.5 m 厚的漿砌石，上鋪0.1 m 厚的鋼筋混凝土，下用0.2 m 厚的砂石墊層。斜坡寬4 m，消力池長5 m，消力坎高度0.4 m，出口處布設固濱籠海漫。

3.3.3 跌水工程設計

工程區內2 處支溝現狀坡度較陡，水流沖刷嚴重，兩岸岸坡逐年坍塌，蠶食耕地，嚴重威脅侵蝕溝道兩岸的耕地。經現場勘測，擬在這兩處修建跌水2座。在上游側修建溝頭，入口長2.9 m，兩側攔水墻長3 m，底板采用0.5 m 厚的漿砌石，上鋪0.1 m 厚的鋼筋混凝土。坡中部修建2 處重力式漿砌石擋墻，頂寬0.5 m，墻高3.0 m，底寬1.4 m，背坡1∶0.7，消力池長度4.5 m，消力坎高度0.4 m，出口處布設固濱籠海漫。跌水工程設計的計算公式包括以下公式，其中跌落水舌長度計算公式為：

水舌后水深計算公式為：

收縮水深計算公式為：

躍后水深計算公式為：

水躍長度計算公式為：

池深計算公式為：

池長計算公式為：

式中：D＝q2/（g·P3）；P為跌差（m）；q為單寬流量（m3/s）。

經復核計算，結果滿足設計排水流量要求。

3.3.4 小型蓄排引水工程設計

為防止侵蝕溝兩側岸坡遇到降雨形成新的沖溝，在溝道岸坡頂端修建110 m 的導流墻，將雨水引入就近的溝頭防護內，防止對溝道兩側坡面的沖刷。導流墻采用漿砌石U 形槽結構，墻厚0.5 m，地面以上高0.5 m，基礎深1 m。設計洪峰流量計算公式如下：

式中：Qm為設計洪峰流量（m3/s）；k為徑流系數，取0.3；i為平均1 h 降雨強度（mm/h），10 a 一遇最大1 h降水量49.75 mm；F為集水面積（km2）。

排水溝斷面尺寸通過明渠均勻流計算公式確定：

式中：C為謝才系數為過水斷面面積（m2）；R為水力半徑（m），R=A/x；i為溝底比降；n為粗糙系數，取0.025。

經計算，工程所在區域的設計洪峰流量Qm＝1.66 m3/s，設計過水流量Q＝2.18 m3/s＞1.66 m3/s，斷面型式滿足設計要求。

3.4 其他工程設計

目前有一處支毛溝的邊坡較陡，遇降雨逐年坍塌，導致坡上耕地面積逐年減少，嚴重威脅農業生產。計劃對局部陡坡段山體進行防護，共計550 m，采用貼坡式擋土墻，地上高度2.0 m，基礎埋深1.5 m，頂寬0.5 m，底寬1.1 m，面坡坡比1∶1，背坡坡比為1∶0.7。每隔10 m設置1道分縫，墻體至地面以上0.5 m設置1 排直徑80 mm 排水管，排水管間距3.0 m。排水管外包土工布。砌筑塊石采用MU30，砂漿采用M10，墻頂為水泥砂漿壓頂。

（1）依據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2017）的有關規定進行擋墻抗滑穩定計算。其計算公式為：

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載（kN）；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數。

經計算，滑移力為24.036 kN，抗滑力為45.971 kN，抗滑穩定安全系數Kc=1.913＞1.300，滿足規范要求。

（2）抗傾穩定安全系數按下式計算:

式中：K0為擋土墻抗傾穩定安全系數；∑MV為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩（kN·m）；∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩（kN·m）。

經計算，傾覆力矩為29.284 kN·m，抗傾覆力矩為 92.206 kN·m，抗傾穩定安全系數K0=3.149＞1.500，滿足規范要求。

（3）基底應力按下式計算:

式中：Pmax、Pmin分別為擋土墻基底應力的最大和最小壓應力（kPa）；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載（kN）；A為擋土墻基底面的面積（m2）；∑M為作用在擋土墻上的全部荷載對于水平平行前墻墻面方向形心軸的力矩之和（kN·m）；W為擋土墻基底面對于基底面平行前墻墻面方向形心軸的截面矩（m3）。

經計算，最大應力與最小應力比值81.944/59.505=1.377＜2.5，滿足規范要求。

4 結語

引遼濟湖工程是一項民生工程。從溝壑治理、溝頭防護、小型蓄排引水等方面開展工程水土保持措施設計，對進一步控制項目區所在地及周邊地區的水土流失、促進生態環境改善具有重要作用。工程的實施可使項目區資源得到可持續利用保護，有效減少了土壤沖刷量，增加了土地肥力，恢復了地表植被，也為工程所在地及周邊地區生態系統盡快恢復創造了條件，同時提高了土地生產力，帶動了工程區周邊經濟發展。