辽东山区沟蚀治理新技术——石柳谷坊

赵 普，张 旭，卢 佳，苏芳莉

(1.本溪市水土保持局，辽宁 本溪 117022；2.沈阳农业大学 水利学院，辽宁 沈阳 110866)

谷坊是治沟主要工程措施之一，主要类型有浆砌石谷坊、干砌石谷坊、土谷坊、混合谷坊和生物谷坊。其中，浆砌石谷坊投资大，施工时排水孔道布设极为不便；干砌石谷坊两侧沟岸淘刷严重，顶部容易破坏，虽投资较小但不便于管理[1]；土谷坊抗冲蚀能力差，在大暴雨条件下容易发生破坏。生物谷坊则是近年发展起来的，以改善生态环境为基础，结合石谷坊的优势，集工程和植物于一体，具有投资少、防护效果好、生态效益明显等优点[2]，被广泛应用于沟道水土流失的治理。许多学者对生物谷坊的应用情况进行了研究，比如徐元光等[3]根据宣威市的水土流失特点、现状、成因以及水土流失治理经验，认为在沟蚀严重地区采用生物谷坊能弥补石谷坊的缺点，降低工程造价，改善生态环境；赵云朋等[4]认为在东北黑土区沟壑治理中采用植柳谷坊，具有通透性好、不易冲毁、造价低廉、便于成活等优点，并能取得显著的绿色生态治沟效益，建议在同类地区推广使用。本研究将石谷坊与植柳谷坊结合进行研究，以期为北方土石山区沟壑治理及生态修复提供一定的技术指导及理论基础。

1 石柳谷坊的特点

石柳谷坊是生物谷坊的一种，是由本溪满族自治县水土保持工作站在多年小流域治理经验基础上提出的。它是以两排杨树枝干(以下简称杨干)作为骨架，以当地易获得的柳条或荆条为防护面编织在杨干上，以石块或土石为基质填筑其间，基质上方用柳条或荆条交错覆盖固定。作为沟蚀治理的新技术，石柳谷坊具有安全性高、通透性好、不易冲毁、造价低廉、便于实施等特点，适合辽宁省东部山区的水蚀沟治理。

2 石柳谷坊的设计要求

2.1 设计标准

石柳谷坊设计标准参考《水土保持综合治理技术规范(GB/T 16453.1—2008)》，按10年一遇24 h最大降雨量标准设计，在实际工程中可根据情况相应提高设计标准。

根据上游来水量的大小，石柳谷坊的水文分析按两种类型计算：

(1)渗流型。上游水位不高于谷坊高度时，石柳谷坊的出流全部为渗流。其渗流流速可用达西定律计算，公式为

(1)

(2)堰流型。当石柳谷坊上游水面高于谷坊高度，其出流形态近似堰流。若忽略谷坊顶水流的水头沿程损失及杨干的侧收缩影响，则石柳谷坊出流流量可用下面公式计算：

(2)

式中：Q为石柳谷坊堰流流量，m3/s；m为流量系数，m=0.35；B为石柳谷坊顶长，m；q为重力加速度，q=9.8 m/s2；H0为包括行近流速在内的堰前总水头，m。

2.2 设计与施工

2.2.1 设计要点

石柳谷坊的设计要把握以下几个要点：①树种的选择。选择耐旱、耐湿、耐寒、易成活、适应性强的树种，尽量就地取材，选择乡土树种。本石柳谷坊设计选择杨树和荆条[5]。②通透性。石柳谷坊具有既通又阻的特点，通阻适中是石柳谷坊设计的要点。因此，把握好石柳谷坊的通透性是石柳谷坊设计的重要指标，杨干间距和荆条编织密度要得当，杨干间距控制在45 cm左右，荆条编织密度以土石不流出为准[6]。③栽植标准。杨干直径为5～8 cm，长不要小于2 m，栽植深度一般为40～50 cm，地上部分留1.5 m；荆条编织宽度应略大于沟道中心流水沟的宽度，两侧应到流水沟的流水部位以上，以防止沟边两侧走水产生侧向冲刷造成谷坊的破坏；前后对称各栽植一排杨干，两排之间距离保持在1.5～2 m。

2.2.2 结构与修筑方法

石柳谷坊由杨干、荆条、基质(石块或土石)三部分组成。其修筑方法简便，主要由以下步骤组成：

(1)谷坊位置的确定。谷坊位置由实际地形地貌状况确定。

(2)谷坊高度与间距的确定。谷坊间距与谷坊高度及淤积泥沙表面的临界不冲坡度有关。实际调查资料证明，在谷坊淤满之后，其淤积泥沙的表面不可能绝对水平，而是具有一定的坡度，称为稳定坡度，目前一般谷坊设计中采用下面的方法：

按照瓦兰亭(Valentine)公式计算稳定坡度

(3)

式中：I0为稳定坡度；d为砂砾的平均粒径，m；h为平均水深，m。

谷坊间距的计算公式为

(4)

式中：L为谷坊间距，m；H为谷坊高度，m，本石柳谷坊高度设计为0.50 m；I为沟底天然坡度；I0为稳定坡度，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。在选好修建谷坊的地点后，清除沟道中的垃圾、杂草、碎石等杂物，垂直于河道开挖宽1.5 m、深20 cm的基础。

(4)栽植杨干。清基后在两侧栽植杨干，栽植埋深50 cm，两侧杨干对称栽植。

(5)编织荆条。以栽植好的杨干为骨架编织荆条，编织密度以土石不流出为宜，编织高度即为谷坊高度，一般控制在50 cm左右，最顶层加一个直径约3 cm的粗枝条。

(6)填筑基质。填筑材料就地取材，将碎石或土石填筑在编织好的谷坊中间，边填筑边踩压，填筑高度与荆条的编织高度保持一致。

(7)固定。填筑完成后，在基质上面铺一层稀疏的荆条，之后将已成型的谷坊两侧上端用8#铁丝固定，以增加谷坊的稳定性[7]。

2.2.3 施工要求

采选杨干时，要按设计要求的长度和直径选择生长能力强的活立木，并在春天树木萌芽前或秋天树木落叶后进行。为了保证杨干的成活，埋桩时要注意桩身与地面垂直，勿伤杨干外皮，牙眼向上，各排杨干对称排列。杨干的栽植季节对于石柳谷坊的建设至关重要，一般选在春季4—5月份栽植，此季节沟道中水量较小，杨干成活率高，同时也便于施工。

2.3 布设与选址

石柳谷坊的布设要从沟头到沟尾，节节布设，间距50～80 m，以达到节节阻拦、减缓水流流速、减轻冲刷的目的。按照石柳谷坊自身的特点及流域汇流原理，石柳谷坊的布设应先上游后下游、先支沟后干沟、成群系分布。此外，还应与斜坡固定工程、田间工程以及生物措施、农业耕作措施相结合，合理布局，以形成一个互相配合的综合治理体系。

石柳谷坊在选址时应考虑以下原则：谷口狭窄；上游有宽阔平坦的贮砂空间；在有支流汇合的情形下，应在汇合点的下游修建谷坊；谷坊不应修建在天然跌水附近的上下游。

3 应用效益及前景

经初步监测，每处石柳谷坊可拦蓄泥沙量达300～500 m3，抬高沟底0.5 m，减流缓冲效果明显，降低沟道水流流速50%以上，延缓了沟道洪峰的汇流强度和时间，大大减轻了对沟道的冲刷。石柳谷坊的应用范畴较广，适宜具有一定降雨条件的各种沟道治理，其最大的优势是具备环境保护的属性，集绿色和生态于一体。石柳谷坊在东北黑土区低山丘陵区的沟道治理中最为适宜，且易于成活，具有很高的推广应用价值，因此建议在广大低山丘陵等适宜地区的水蚀沟中推广应用此项沟蚀治理新技术。

[参考文献]

[1] 耿庆珍,于洋.丘陵区冲刷沟内谷坊工程设计实例[J].黑龙江水利科技,2008,36(3):180.

[2] 薛永刚,于明.植柳谷坊在治沟中的应用[J].水土保持应用技术,2009(5):16-17.

[3] 徐元光,毛家轩,杨忠贵,等.宣威市水土流失现状与治理对策[J].水土保持通报,2002,22(4):54-56,61.

[4] 赵云朋,薛永刚,于明.植柳谷坊在东北黑土区治沟中的应用[J].中国水土保持,2009(9):31,61.

[5] 于明.生物谷坊的设计与施工[J].水土保持科技情报,1995(1):23-24.

[6] 张汉雄.沙柳谷坊的设计与施工[J].人民黄河,1997(1):23-26.

[7] 王礼先.水土保持工程学[M].北京:中国林业出版社,2000:9.