新疆石河子市南部山区沟道治理谷坊设计

石江琳

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆 石河子 832000）

1 项目区概况

新疆地处欧亚大陆腹地,远离海洋,干旱少雨,风多风大,是全国水土流失面积最大的省区。根据第一次全国水利普查水土保持公报数据成果,新疆水土流失总面积88.54万km2,占全国水土流失面积的30%,占全疆国土面积的53%,其中水力侵蚀面积8.76万km2,风力侵蚀面积79.78万km2。第八师规划选择洞子渠一四三团石南社区段（以下称“洞子渠”）两侧冲沟区域作为水土保持治理范围,开展洞子渠沿线冲沟治理工作,逐步改善生态环境,以达到保护洞子渠渠道安全、保护下游灌区、提高绿洲农业经济和改善人居环境的目的。

综合考虑,本次水土保持生态环境综合治理项目选择洞子渠沿线区域,本项目主要为沟道治理[1],工程措施多为点状工程,项目区治理保护范围面积约为14.47 km2。

本次沟道治理采用多级谷坊的治理方式。谷坊工程最根本的作用是制止沟头前进、沟底下切和沟岸扩张,从而控制沟谷发育。因此总体布局主要是依据沟道实际情况,系统的布设谷坊群,一般情况下,其布局为自沟头开始逐级向下布设（但考虑到施工条件,有些沟道沟头无法施工,则选择具备条件沟段）[2],首先筛选下切剧烈、沟岸扩张比较严重的沟段,布设时尽量放在各坡面小冲沟下游,同时避开天然跌坎等地形突变处,除此之外,遵循“顶底相照”的原则布置即可[3]。

2 沟道治理措施布局

根据现场查看,本次综合治理工程主要依托现有自然冲沟进行建筑物布置。

1#沟治理长度为1.99 km。结合现状沟道的水土流失情况,1#沟存在的问题主要是与洞子渠交叉处过水涵洞上下游边坡水蚀严重,边坡上缓下陡,边坡不稳定,边坡垮塌现象时常发生。主要选择的工程治理措施为边坡防护措施,护坡长度0.3 km,主要分布于过水涵洞上游西岸0.2 km,下游两岸各0.05 km。

2#沟治理长度为1.168 km。结合现状沟道的水土流失情况,2#沟存在的问题主要是：①沟头至洞子渠交叉口处,沟道纵坡陡峻,水流冲刷严重,不断切割,沟底宽度从上游的1.6 m渐变为15 m。沟深水急,导致边坡失稳垮塌频繁,泥石流沿沟底冲至洞子渠交叉口。②由于与洞子渠交叉处过水渡槽过流能力不足,导致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影响下游灌溉。主要选择的工程治理措施为谷坊和排导工程。主要布置在 0+566.53、0+609.11、0+662.7、0+706.4 处设谷坊4座,与洞子渠交汇处0+763排导工程1座。

3#沟治理长度为1.622 km。结合现状沟道的水土流失情况,3#沟存在的问题主要是：①沟头至洞子渠交叉口处,沟道纵坡陡峻,水流冲刷严重,不断切割,沟底宽度从上游的0.6 m渐变为23 m。沟深水急,导致边坡失稳垮塌频繁,泥石流沿沟底冲至洞子渠交叉口,造成大量水土流失。②由于与洞子渠交叉处过水渡槽过流能力不足,导致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影响下游灌溉。主要选择的工程治理措施为谷坊和排导工程。主要布置在0+719.79、0+757.2、0+800、0+839.97、0+881.87、0+940.06、1+009.64、1+045、1+095处设谷坊9座,与洞子渠交汇处1+134排导工程1座。

4#沟治理长度为 0.924 km。结合现状沟道的水土流失情况,4#沟存在的问题主要是：①沟头至洞子渠交叉口处,沟道纵坡陡峻,水流冲刷严重,不断切割,沟底宽度从上游的1 m渐变为23.9 m。沟深水急,导致边坡失稳垮塌频繁,泥石流沿沟底冲至洞子渠交叉口,造成大量水土流失。②由于与洞子渠交叉处过水渡槽过流能力不足,导致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影响下游灌溉。主要选择的工程治理措施为谷坊和排导工程。主要布置在0+773.64、0+823、0+873.83处设谷坊3座,与洞子渠交汇处0+900排导工程1座。

3 工程等级及设计标准

依据《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）划分,谷坊为5级工程,防洪标准5年一遇。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）的划分,工程区地震动峰值加速度为0.20g,反应谱特征周期0.45 s（相应地震基本烈度为Ⅷ度）。依据《水工建筑物抗震设计规范》,一般采用基本烈度作为设计烈度,因此,本工程设计烈度为Ⅷ度。

4 谷坊结构型式选择

根据《水土保持综合治理技术规范——沟壑治理技术》（GB/T 16453.3-2008）和《水土保持工程设计规范》（GB 51018-2014）有关规定,谷坊的结构形式可采用干砌石谷坊、浆砌石谷坊、石笼谷坊、土谷坊、编织袋谷坊、柳桩编篱型植物谷坊等结构型式。根据项目区地质情况,地层主要为黄土、低液限粉土,因此选择土谷坊、石笼谷坊、编织袋谷坊、柳桩编篱型植物谷坊进行比选。

4.1 方案1：土谷坊

根据《水土保持工程设计规范》有关规定,本次设计谷坊顶宽2 m,谷坊高1 m。根据地质资料及施工要求,临水坡坡比取1∶3,全断面采用现浇混凝土板衬砌。

4.2 方案2：石笼谷坊

根据《水土保持工程设计规范》有关规定,石笼谷坊尺寸拟定为,坝高1 m,顶宽为2 m,呈“品”字形布置。石笼采用格宾石笼,石笼规格为2 m×1 m×0.5 m。

4.3 方案3：编织袋谷坊（植生袋谷坊）

根据《水土保持工程设计规范》有关规定,编织袋谷坊尺寸拟定为,坝高1 m,顶宽为1.0 m,迎水坡坡比为1∶1.2,背水坡波比为1∶3。编织袋可采用植生袋,袋内装有草籽植生土。

4.4 方案四柳桩编篱型植物谷坊

根据《水土保持工程设计规范》有关规定,柳桩编篱型植物谷坊尺寸拟定为：①在沟中已定谷坊位置,柳桩布设3排,排距取1 m,桩距取0.3 m,相邻两排柳桩呈“品”字行布置,桩长2.0 m,埋深取1 m。②排篱间填入卵石,并用捆扎柳梢盖顶,相邻排树桩宜用铁丝固定绑牢。

方案比选时,选用2#沟1座工程量进行比较,其比较结果见表1。

表1 谷坊结构型式比较表

方案比较：①从工程适用性看,四种结构型式在相应工程应用都较多,都是可行的。②从耐久性来看,四个方案均为临时谷坊。③从抗冲方面来看,石笼谷坊耐抗冲能力最强、土谷坊次之、再次是编织袋谷坊、最后是柳桩编篱型植物谷坊。④从施工上来说,编织袋谷坊和石笼谷坊最简单,其次是柳桩编篱型植物谷坊,但其施工质量难以保证,土谷坊施工最复杂。⑤从生态的角度来看,柳桩编篱型植物谷坊最好,其次是编织袋谷坊、然后是石笼谷坊和土谷坊。⑥从景观协调性来看,柳桩编篱型植物谷坊最好,其次是编织袋谷坊、然后是石笼谷坊和土谷坊。⑦从投资上来看,植生袋谷坊最便宜、土谷坊次之、柳桩谷坊最贵。

由于本区域无谷坊成功经验借鉴,因此本次设计选用景观协调性好、生态恢复性高、适应性强、投资小的编织袋（植生袋）谷坊和柳桩编篱型植物谷坊。

5 谷坊设计

5.1 确定谷坊位置

谷坊工程应修建在沟底比降较大（一般5%～10%）的沟段,沟底下切剧烈的沟段。根据地形条件,进行布设谷坊,使得沟道从上之下依次布设工程措施。

5.2 谷坊间距计算

下一座谷坊与上一座谷坊之间的水平距离按下式计算：

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'为谷坊淤满后比降,%。

不同淤积物质,淤满后形成的不冲比降,见表2。

表2 不同淤积物质比降

通过计算确定谷坊间距后,选择合适的间距,见表3,间距值统一取50 m。

表3 谷坊间距计算表

5.3 谷坊坝高设计

谷坊的主要作用是蓄滞一定的洪水,改善周边生态环境,修建过高的谷坊可能造成洪水漫溢改道,不利于洪水蓄积、利用。根据不同的谷坊类型,高度不一样,由于本次为实验区,因此统一选择坝高1 m。

5.4 谷坊堤顶宽度设计

根据《水土保持工程设计规范》的规定：根据不同的谷坊类型要求不同,编织袋谷坊顶宽取1.05 m,柳桩编篱植物谷坊顶宽3 m。

5.5 溢洪口设计

谷坊的溢洪口设置在坝顶,上下两座谷坊的溢洪口左右交错布置。溢洪口设计洪水流量,采用水文章节中防洪重现期10年的情况下的洪水流量。考虑到洪水泥沙含量较大,以及洪水期的过洪能力要求,本次设计,堰上水深大于0.5 m。溢流口宽度依照下式计算。计算结果,见表4。

表4 谷坊溢洪口计算表

式中：B为溢洪口底宽,m；H0为包括行进流速水头的堰前水头,m；M为自由溢流的流量系数；σs为侧收缩系数；σc为淹没系数。

5.6 蓄水量计算

谷坊蓄水量依照下式计算。计算结果,见表5。

表5 蓄水量计算表

式中：V为蓄水量,m3；L为谷坊坝长,m；B为回水长度,m；H为蓄水深,m；I为地面比降,%。

5.7 横断面设计

2#沟谷坊采用植生袋谷坊。谷坊的顶宽为1.05 m,上游坡比1∶2,下游坡比1∶3.14,采用植生袋堆砌而成,植生袋之间采用连接扣连接,使植生袋成为一个整体。谷坊高度1 m,谷坊基础埋置深度取0.3 m。谷坊溢洪口深0.45 m,溢洪口上、下游坡比同谷坊坡比,溢洪口末端连接50 cm厚格宾石笼消能防冲段,格宾石笼下设150 g/m2的无纺布。

3#沟、4#沟谷坊采用柳桩编篱植物谷坊,柳桩布设3排,排距取1 m,桩距取0.3 m,相邻两排柳桩呈“品”字行布置,桩长2.0 m,埋深取1 m。排篱间填入卵石,并用捆扎柳梢盖顶,相邻排树桩宜用铁丝固定绑牢。

6 结论

通过对石河子市南部山区沟道治理项目介绍,针对沟道治理的实际情况最终选择了景观协调性好、生态恢复性高、适应性强、投资小的编织袋（植生袋）谷坊和柳桩编篱型植物谷坊,并详细阐述了谷坊设计内容。当前该项目施工已经完成,并投入使用,通过实际使用来看,具有明显效果。