昌图镇侵蚀沟沟道工程设计及柳跌水布设探讨

石 宁

（辽宁省营口水文局，辽宁 营口 115003）

1 概述

昌图镇项目区位于辽宁昌图县境内，昌图镇为长白山系西部的第二条余脉，系古生代海西宁造山运动，使长白、兴安岭褶皱带皱面隆起，受此影响而产生大面积的花岗岩侵入。 地形崎岖复杂，山峦连绵起伏， 除花岗岩组成的十几座有名的山峰外，一般呈浑圆形丘陵状态。 项目区属东北黑土区，低山丘陵地貌，林地居多，其次为耕较多，且耕地多为坡耕地。

近年来，昌图县先后实施了水土保持项目，对治理水土流失总结出了一些成功经验。 如水土保持措施中品子形排列的栽植榛子园（株距3m×3m），株距是根据农民不断的试验得出来的结果， 保证了苗木的成活率； 在一些自然灾害形成的侵蚀沟修建设谷坊有效地拦截泥土，起到了保土作用，在山上修建作业路便于农民运输粮食和果实等作物。

2 侵蚀沟现状

项目区内现有侵蚀沟55 条， 侵蚀沟总长19873.4m，项目区的侵蚀沟道一般可分为汇水区、形成区、发展区和沉淀区4部分。 汇水区为侵蚀沟道沟头上游形区域，汇水区一般因地形形成，由一股或几股水流组成，为侵蚀沟道形成提供条件。形成区为沟头部分，该区域坡耕地坡度大，多方来水汇入，在沟头部分形成冲刷产生跌水，形成沟头。沟头会随着汇入降水的情况向不同方向发展，形成支沟。侵蚀沟道中水土流失最严重的部位在侵蚀沟的中部。 该位置沟道下切形成陡峭沟岸，容易产生坍塌，坍塌产生后在沟底形成松散的堆积层，该堆积层抗侵蚀能力差，一旦沟底产生径流，将直接被冲走，产生侵蚀。 沉淀区在坡耕地下部，坡耕地下部一般坡度变缓，因水流速下降，将携带的泥沙沉淀下来，在耕地中形成白色的沙石沉淀层。在坡耕地边缘因为有边坡或岸坎，在沉淀区外容易产生新的侵蚀沟道， 根据坡耕地坡度情况，大部分侵蚀沟可能没有沉淀区，大量泥沙直接冲入沟道。

项目区有6条侵蚀沟，均为小型坡耕地侵蚀沟，因坡度大，侵蚀沟断面小，无法实现单纯的侵蚀沟治理，本次实施方案治理侵蚀沟49条，侵蚀沟总长19177.8m，占地面积18.29hm2，根据侵蚀沟现场，对于汛期侵蚀沟内的大洪水，需要采取工程措施减缓侵蚀，并保障植物措施头两年的正常生长，采取措施防止初期植被被洪水冲走，项目区内主要以发展观光旅游业为主要经济发展方向，因此本项目在治理将以植物措施为主，工程措施为辅，在保证侵蚀沟稳定、工程能安全度汛的基础上尽可能地增加植被数量，并在明显位置种植有一定观赏价值的苗木品种。

3 措施布置

侵蚀沟在治理上通常采用柳跌水、 石笼沟头防护两种方式［1，2］，实现与上游坡面连接的自然承接，采用石护脚加石笼护坦或石笼谷坊加消力池两种方式固定工程尾部沟道。

根据工程布置原则， 对可采用的各种工程类型进行比选， 可比选的工程类型主要为下游沟道内的沟道滩岸防护工程，只采用石笼、土质自然边坡、浆砌石、混泥土、植物护坡等工程措施，在这些可选工程中，浆砌石、混泥土为硬覆盖措施，虽然保护功能强，但其投资高，不能融入周边环境，与项目区发展不协调。土质自然边坡、植物护坡两类工程虽然投资低，可与项目区发展相协调，但其抗冲能力，很难起到控制沟道侵蚀沟的功能。 单独的石笼工程投资适中，石笼空隙可生长杂草，可与环境融为一体，但单独的石笼工程可观赏性差，不与项目区发展相协调。因此， 项目最后确定用石笼护脚和边坡造林相结合的方法进行治理。造林树种选择有一定观赏价值、可大量供应的紫穗槐。

对侵蚀沟进行削坡整形， 削坡减载的沟坡，对边坡较稳定部分可以重塑或保持不变［3］；对耕地小侵蚀沟渠，促进机械化耕作，保持耕地原有特性，采取措施用秸秆填平沟渠， 将柳跌水布置在水流大、水头落差较大的侵蚀沟头；对于沟头汇水量非常大的采用石笼沟头保护，沟底比降较大时，采用柳编护沟布设，集雨面积小，且沟深较小的侵蚀沟中；在沟底坡度小于5%的侵蚀沟内铺设柳桩编篱谷坊［4］。部分集雨面积较大的沟道，在植物措施未发挥效益之前，为了保证植物措施的保存率，可用石笼谷坊与柳桩编篱谷坊搭配布局； 路堤边坡的水条件很差，为了确保造林的成活率，坑种植采用紫穗槐用于保护，其他露沟部位，应在不妨碍泄洪的情况下，采取措施为在路堤斜坡和底部进行密植插柳。 通过对沟凹堤的连续冲刷、严重冲刷，使沟凹堤不再继续向外扩张［5，6］，在沟道凹岸处布设石笼顺坝并配套石笼护坦措施。

4 单项工程设计

本次设计共有49条侵蚀沟，总长19177.8m，根据每条侵蚀沟产生、发展及分布特点，分别采取削坡整形、柳跌水、石笼沟头防护、柳桩编篱谷坊、石笼谷坊、柳编护沟、秸秆填沟、石笼护坡护底及护地堤（石笼护脚）、石笼顺坝及护坦等不同的措施治理。

4.1 沟道削坡整形

典型设计选择沟长109m， 上口及下口平均宽分别为5.10和2m， 深度为1.45m 的QSG-10 侵蚀沟。QSG-10 侵蚀沟采用柳树保护措施处理。边坡切割方式为直线切割，将切好的坡土直接铺于沟底，为侵蚀沟造林创造条件，切割坡度角为35°。

4.1.1 削坡单侧宽度计算

计算公式为：

式中 L1为削坡单侧宽度 （m）；L2为原沟道上口宽（m）；L3为原沟道下口宽（m）；H为沟深（m）；β为削坡角，取35°。

经计算可知，QSG-10冲蚀沟的平均削坡宽度为L1=0.55m。

4.1.2 削坡工程量计算

式中 V为削坡土方（m3）；H为沟道深度（m）；L为沟道长（m）；L1为削坡宽度（m）；L2为原沟道上口宽（m）；L3为原沟底宽（m）。

经计算可知，QSG-10侵蚀沟削坡工程体积为131m3。

经削坡处理后其上口及下口平均宽分别为6.20和2.12m，深度为1.35 m 的QSG-10侵蚀沟。

4.2 填沟工程

4.2.1 典型设计典型设计选择沟长260m， 上口和沟底平均宽分别为3.98和1.40m，深度为0.90m 的QSG-2侵蚀沟。

4.2.2 秸秆填沟措施设计

首先，侵蚀沟削坡在坡角接近90°，秸秆填充的最小沟槽深度应大于1.2m，对于深度较小的侵蚀沟，为了正常运行，切坡时，需挖沟至所需深度，土方临时堆放在沟边，将一排木桩插入沟底，间隔约3m。 项目区共有11条侵蚀沟布置秸秆填沟措施， 其中主干沟道6条，支沟5条。 共需填方总量11419m3，其中土方4564m3， 秸秆捆6855m3（需要秸秆捆个数为57125个），恢复耕地面积约0.82hm2，如表1。

表1 秸秆填沟措施工程量

4.3 沟头防护

工程采用的沟头防护形式主要有两种，有针对性地采用石笼沟头保护和柳跌水布设［7，8］，前者主要布设在侵蚀沟沟头，且沟头汇水量较大，而后者同样布设在侵蚀沟沟头，条件是跌差较大的沟头［9，10］。

4.3.1 石笼沟头防护

10年一遇6h最大暴雨。

（1）第一类石笼沟头防护典型设计。 选择的典型沟头为QSG-43冲蚀沟，削坡切割成形，沟头段高差为3.97m，沟头上口下口平均宽度分别为15.5和4.5 m。

①最大来水量。该地区10年6h年最大降雨量为103.95mm，K10%=1.75，K5%=2.16，CS=2.03 （CS=3.5CV），CP=1.52。

最大径流量计算公式如下：

式中 Qm为最大径流量（m3/s）；F为汇水面积（km2），取0.33km2；Cp为最大径流量参数，取1.52。

根据上述公式计算的最大洪峰流量为0.59m3/s，设计断面尺寸能满足最大洪峰泄洪要求。

②消力池长度（L）计算。 采用式（4）计算：

式中 L为消力池长度 （m）；H0为溢水口水深（0.5m）；H′为跌差（3.97m）。

经计算，L=4.22m，消力池长度为5m。

（2）第二类石笼沟头防护典型设计。 选取的典型沟头为QSG-28侵蚀沟。 坡切整形后，沟口断面地高差为3.79m， 沟口平均宽度为17.7m，沟口平均宽度为9.1m。 从沟头向下游布置， 共50m长， 石笼已延伸至沟两侧边沿0.5m处，顶压处理。

①最大来水量。 本区10年一遇年最大6h降雨量103.95mm，K10%=1.75，K5%=2.16，CS=2.03CS=3.5CV），CP=1.52。 最大径流量计算公式如下：

式中 Qm为最大径流量（m3/s）；F为汇水面积，取0.5km2；Cp为最大径流量参数，取1.52；

根据上述公式所计算的最大洪峰流量为0.770m3/s， 该断面设计尺寸能够满足最大洪峰泄洪要求。

②工程量。 本工程共布设石笼沟头防护2座，第一类石笼沟头防护1座，第二类石笼沟头防护1座。工程量如表2。

表2 石笼沟头防护工程量汇总

4.3.2 柳跌水

本次设计选择QSG-19号侵蚀沟做典型设计，汇水面积0.35km2。

（1）设计标准：10年一遇6h最大降雨。

式中 L为跌水消力池长度（m）；H0为跌水溢水口水深，取0.5m；H′为跌差，取1.0m；D为消力池深（m）。

经计算，L=2.1，取3m；D=0.5m，取0.5m。

（4）结构形式。 采用柳编结构，由进水口、消力池、出水口等组成。

（5）柳跌水布设。本次设计有10条侵蚀沟布设柳跌水10座，柳跌水长度共200m，如表3。

表3 柳跌水布设及工程量

续表3

5 结语

侵蚀沟治理是该区域治理的首要任务， 综合治理项目区侵蚀沟主要是采取工程措施和植物措施两者有机结合，确保侵蚀沟不再侵占和破坏耕地，最大限度地实现土地的可持续利用， 减少来自侵蚀沟的淤泥侵蚀，埋压农田、植被，淤积江河，毁坏水利设施和道路等影响农业生产之危害，节约水土，提高土地生产力，促进项目区经济发展，增加植被覆盖率，切实改善当地的生态环境。