康平县引辽济湖工程水土保持措施设计

蔡学博

（康平县自然资源保护与行政执法中心，辽宁 康平 110500）

1 工程概况

康平县地处辽宁省北部。辽河是康平与昌图两县的界河。卧龙湖位于康平县城西1 km 处，湖域面积127 km2，是我国东北地区大型淡水湖泊。受人类活动以及气候环境变化影响，卧龙湖的外部环境被严重破坏。为确保卧龙湖不再干涸，实施了引辽济湖工程，改善水质状况，恢复湖周边的生态环境。康平县地处低山丘陵区，工程区是康平县水土流失较为严重的地区之一。为了防止施工过程中产生水土流失、洪涝灾害和生态退化等生态环境影响，以小流域为单元开展水土流失综合防治工作，采取一系列水土保持措施，为保护输水通道的畅通、减少泥沙淤积、提高区域防洪和防御自然灾害的能力奠定基础[1]。

2 工程区水土流失现状

据调查，水力侵蚀和风蚀为工程区主要侵蚀类型，冻融侵蚀所占比例较小。受人为影响作用明显的坡耕地、荒地以及植被较差的沟道等流失较为严重。据统计，研究区内土壤平均侵蚀模数为1 350 t/（km2·a），平均每年产生水土流失 2.82 万 t。受强降雨等自然因素影响，植被覆盖度低、土层薄的区域极易受洪水冲刷形成侵蚀沟，有时还会造成小范围滑坡。工程位于山区，土层较薄，基性岩和风化物为主要组成物质，在强降雨作用下土层表面易发生侵蚀现象[2]。

由于人口增加，人类活动加剧，加之少数人破坏行为，林草植被面积减少，原来疏林地、灌木林地转化成农田生态系统，其表层比较脆弱，大大减弱了固土和涵养水源功能，加剧了水土流失现象，土地沙化、盐碱化等愈加严重，土地肥力衰退，对经济生产力产生阻力，影响工程周边地区的经济发展。

3 工程水土保持措施设计

3.1 水土保持分区

工程区总土地面积为2 090.00 hm2，目前水土流失面积为383.52 hm2，占总面积的18.35%。水力侵蚀、风蚀为土壤主要侵蚀类型，水土流失面积全部为轻度侵蚀。从水土流失类型、特点、地貌特征及土地利用方式上看，为中低山丘陵区，其地貌类型为石质低山、土石丘陵。

3.2 总体布置

借鉴其他小流域工程水土流失治理设计经验，通过分析地形地貌、土地利用状况以及结合生产力发展水平，将植被恢复和侵蚀沟的治理作为工程重点，进行水土流失综合治理[3]。工程区内需治理侵蚀沟及支毛沟区1条。沟蚀已成为当地水土流失危害最大的一种形式，其治理总原则如下：发展侵蚀沟以治理为主，治理与开发并重，沟底修筑谷坊综合防治；半稳定沟以预防为主，防治与开发利用结合。工程措施主要通过区域内的侵蚀沟、小沟道治理，减少由于水土流失而进入水体中各污染物数量，从而保护生态环境和涵养水源，具体措施有谷坊、沟头防护、跌水、导流墙、浆砌石挡土墙等。

3.3 沟壑治理工程

3.3.1 谷坊工程设计

谷坊是横筑于沟壑和溪流中的一种建筑物，主要作用是减缓沟壑比降，固定河床，拦蓄泥沙。其布设在沟底比降较大、沟底下切剧烈发展的沟段，可以巩固并抬高沟床，制止沟底下切，同时稳定沟坡，制止沟岸扩张。

为了拦截更多的泥沙，谷坊位置宜选择在较窄且平缓的沟道。为了使沟岸沟底比较牢固，建议不要选在风化石上。建设过程中一定要留溢水口，以避免暴雨天气下因漫顶冲毁谷坊。

本次需治理侵蚀沟位于高大棚村，沟道侵蚀剧烈，沟底已下切到基岩，沟岸还有继续扩张的趋势，不断蚕蚀沟两岸的农田和土地，下泄水流带走大量泥沙，严重淤积下游河道。侵蚀沟现状详见表1，谷坊断面尺寸详见表2。

表1 侵蚀沟现状情况

表2 浆砌石谷坊断面尺寸

谷坊间距采用下式计算：

式中：L为谷坊间距（m）；H为谷坊底到溢水口底高度（m）；i为原沟床比降（%）；i'为谷坊淤满后的比降，取0.5%。经计算，各谷坊间距详见表3。

表3 谷坊间距

浆砌石谷坊溢洪口应设置在坝顶，工程洪峰流量按下式计算：

式中：Q为设计洪峰流量（m3/s）；b为溢洪口底宽（m），取2.0 m；h为溢洪口水深（m），取0.5 m；M为流量系数，取1.55。经计算，各沟道溢流口计算成果详见表4。

表4 溢流口计算成果

3.3.2 沟头防护工程设计

为防止水的溯源侵蚀，在沟道的源头设计沟头防护，沟道两边削坡修建沟头，入口长2.9 m，两侧拦水墙长度为3 m，底板采用0.5 m 厚的浆砌石，上铺0.1 m 厚的钢筋混凝土，下用0.2 m 厚的砂石垫层。斜坡宽4 m，消力池长5 m，消力坎高度0.4 m，出口处布设固滨笼海漫。

3.3.3 跌水工程设计

工程区内2 处支沟现状坡度较陡，水流冲刷严重，两岸岸坡逐年坍塌，蚕食耕地，严重威胁侵蚀沟道两岸的耕地。经现场勘测，拟在这两处修建跌水2座。在上游侧修建沟头，入口长2.9 m，两侧拦水墙长3 m，底板采用0.5 m 厚的浆砌石，上铺0.1 m 厚的钢筋混凝土。坡中部修建2 处重力式浆砌石挡墙，顶宽0.5 m，墙高3.0 m，底宽1.4 m，背坡1∶0.7，消力池长度4.5 m，消力坎高度0.4 m，出口处布设固滨笼海漫。跌水工程设计的计算公式包括以下公式，其中跌落水舌长度计算公式为：

水舌后水深计算公式为：

收缩水深计算公式为：

跃后水深计算公式为：

水跃长度计算公式为：

池深计算公式为：

池长计算公式为：

式中：D＝q2/（g·P3）；P为跌差（m）；q为单宽流量（m3/s）。

经复核计算，结果满足设计排水流量要求。

3.3.4 小型蓄排引水工程设计

为防止侵蚀沟两侧岸坡遇到降雨形成新的冲沟，在沟道岸坡顶端修建110 m 的导流墙，将雨水引入就近的沟头防护内，防止对沟道两侧坡面的冲刷。导流墙采用浆砌石U 形槽结构，墙厚0.5 m，地面以上高0.5 m，基础深1 m。设计洪峰流量计算公式如下：

式中：Qm为设计洪峰流量（m3/s）；k为径流系数，取0.3；i为平均1 h 降雨强度（mm/h），10 a 一遇最大1 h降水量49.75 mm；F为集水面积（km2）。

排水沟断面尺寸通过明渠均匀流计算公式确定：

式中：C为谢才系数为过水断面面积（m2）；R为水力半径（m），R=A/x；i为沟底比降；n为粗糙系数，取0.025。

经计算，工程所在区域的设计洪峰流量Qm＝1.66 m3/s，设计过水流量Q＝2.18 m3/s＞1.66 m3/s，断面型式满足设计要求。

3.4 其他工程设计

目前有一处支毛沟的边坡较陡，遇降雨逐年坍塌，导致坡上耕地面积逐年减少，严重威胁农业生产。计划对局部陡坡段山体进行防护，共计550 m，采用贴坡式挡土墙，地上高度2.0 m，基础埋深1.5 m，顶宽0.5 m，底宽1.1 m，面坡坡比1∶1，背坡坡比为1∶0.7。每隔10 m设置1道分缝，墙体至地面以上0.5 m设置1 排直径80 mm 排水管，排水管间距3.0 m。排水管外包土工布。砌筑块石采用MU30，砂浆采用M10，墙顶为水泥砂浆压顶。

（1）依据《水工挡土墙设计规范》（SL379-2017）的有关规定进行挡墙抗滑稳定计算。其计算公式为：

式中：Kc为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载（kN）；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载（kN）；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数。

经计算，滑移力为24.036 kN，抗滑力为45.971 kN，抗滑稳定安全系数Kc=1.913＞1.300，满足规范要求。

（2）抗倾稳定安全系数按下式计算:

式中：K0为挡土墙抗倾稳定安全系数；∑MV为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩（kN·m）；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩（kN·m）。

经计算，倾覆力矩为29.284 kN·m，抗倾覆力矩为 92.206 kN·m，抗倾稳定安全系数K0=3.149＞1.500，满足规范要求。

（3）基底应力按下式计算:

式中：Pmax、Pmin分别为挡土墙基底应力的最大和最小压应力（kPa）；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载（kN）；A为挡土墙基底面的面积（m2）；∑M为作用在挡土墙上的全部荷载对于水平平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和（kN·m）；W为挡土墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面矩（m3）。

经计算，最大应力与最小应力比值81.944/59.505=1.377＜2.5，满足规范要求。

4 结语

引辽济湖工程是一项民生工程。从沟壑治理、沟头防护、小型蓄排引水等方面开展工程水土保持措施设计，对进一步控制项目区所在地及周边地区的水土流失、促进生态环境改善具有重要作用。工程的实施可使项目区资源得到可持续利用保护，有效减少了土壤冲刷量，增加了土地肥力，恢复了地表植被，也为工程所在地及周边地区生态系统尽快恢复创造了条件，同时提高了土地生产力，带动了工程区周边经济发展。