水土保持工程防護設計及技術功能提升

李明壯

（海南海口570206）

根據海南省2019 年度水土流失動態監測成果顯示，全年水土流失面積達1787 平方公里，完成治理面積321.7 平方公里，水土保持工作任重道遠。修建水土保持工程是治理水土流失的一種主要方法，護坡作為水土保持工程的重要組成部分，防護設計是否合理，護坡施工質量如何，將會對水土保持工程的功能發揮關鍵作用。在高度重視防護設計的基礎上，因地制宜、與時俱進的創新設計方案，才能提升水土保持工程的應用功能。

1 水土保持工程的防護設計

1.1 直型坡石坎截坡開階蓄滲型防護設計

1.1.1 試驗設計圖

石坎截坡開階蓄滲技術的設計依據是“臨界坡長”原理，設計模型如圖1 所示。設計方案為：首先在臨界坡長位置橫向開階截坡，作用是攔截坡面徑流，讓雨水無法從坡頂順暢的流到坡底，將部分泥土攔截在開階截坡位置。開階截坡并非水平，而是從坡面開始，傾斜3-5°斜向下開挖。利用斜面讓坡面徑流中夾雜的泥沙可以堆積，進一步提高攔截效果。開階高度控制在50cm 左右，可以根據水土保持工程的具體情況（如坡面傾斜角度、坡面植被覆蓋率等）靈活調整，但是注意不要露出下伏基巖。

圖1 石坎截坡開階蓄滲技術模式平斷面示意圖

1.1.2 臨界坡長的確定

確定臨界坡長時，應綜合考慮水利工程的坡面斜度、植被覆蓋情況、土質等。例如，某水土保持工程的坡面斜度為16°，坡面植被以灌木和草本植物為主，覆蓋率為60%左右，土質為磚紅壤，設計臨界坡長為4.5m。以坡頂為起始點，沿坡面向下，每隔4.5m 開階截坡，然后再間隔4.5m 至下一處開階截坡，直到坡底。

1.1.3 模型參數的確定

蓄滲庫容是反向坡面設計中必須要關注的重要指標，它受到了上方坡面匯水面積、土壤滲水速率、降雨量大小等諸多因素的影響。通常情況下，坡面徑流的雨水，因為受到植物截留、自然下滲、蒸發等作用，會有一定程度上的損失。為了方便計算，假定植物截留、自然蒸發的水量較少且忽略不計，此時扣除了植物截留、自然蒸發之后的凈雨量即為降水量，于是得到了地表的水量平衡方程：

上式中，Rs（t）為將開始降雨至t 時間的地表流量，T（t）為t時刻的降雨量，F（t）為雨水滲透量。rs（τ）為τ 時刻的坡面流量，i（τ）為τ 時刻的降雨強度，f（τ）為雨水滲透率。由此可知，坡面流量受到某個時間段內降雨量和坡面土壤滲透能力的影響。

利用多年平均徑流深計算坡面實際流量和反坡出水量，公式如下：

上式中，V 代表反坡儲水量，單位為m3；R 代表多年平均徑流深，單位為mm；S1 為開階上坡投影面積，單位為m2；S2 為反坡投影面頰，單位為m2；F 為反坡土壤滲透量，單位為m3。

參考式（2），不同坡度的斜坡，會影響其臨界坡長，進而對反坡儲水量、反坡坡度等產生影響，如表1 所示。

表1 不同臨界坡長的反坡坡度與坡長

從上表中可以看出，隨著坡度的增加，臨界坡長的設計長度逐漸縮短，進而導致反坡儲水量與反坡坡長也相應的減少。

1.2 波型坡田間攔檔壤中排水型的防護設計

1.2.1 設計原理。在明確了坡面出現溝蝕的臨界坡長后，通過截短坡長、降低流速、及時排水等綜合措施，將土壤中的徑流及時排出，從而防止溝蝕的產生，達到水土保持的效果。

1.2.2 布設流程。首先要明確，此類防護設計適用于坡度在25°以下的坡面，否則防護效果將會大打折扣。還有就是將壤中排水通道排出的壤中徑流收集起來，后期可以用于灌溉。假設某坡面的長度為29.3 米，臨界坡長為8.5m，在臨界坡長處修建木枋碎石攔擋，多孔碎石既可以起到過濾作用，將夾雜在坡面徑流中的泥沙攔截下來，同時又延緩了坡面徑流的流速，使得坡面雨水可以向下滲透或是通過排水通道安全排出，從而避免對下方坡面繼續造成沖擊影響，有效降低了坡面溝蝕的生成。設計圖如圖2。

圖2 工程攔擋壤中排水技術設計圖

2 水土保持防護技術的功能創新優化

2.1 直型坡石坎截坡開階蓄滲型防護技術優化

2.1.1 超滲徑流造成的水土流失。調查發現，海南地區水土流失的常見原因是超滲徑流，上文介紹的石坎截坡開階蓄滲型防護設計，在試點應用中效果良好，但是也遇到了一些問題，例如隨著使用年限的增加，反坡滲透率下降，反坡積水情況嚴重等。因此，針對該防護技術提出了一種土壤鉆孔擴容增滲的優化技術。在開階截坡的反坡上，使用鉆機進行開孔，在孔內填入砂石，一方面能夠提高反坡滲透能力，即便是遇到強降雨，也能夠將反坡蓄積的坡面徑流及時的向下滲透，起到了很好的攔截效果；另一方面，多孔的土壤結構還可以讓植物根系更好的呼吸，減少了因為雨水過多導致坡面植被出現爛根進而死亡的情況。

2.1.2 下墊面復雜情況的水土流失。不同地區的土壤類型、植被覆蓋以及下墊面情況存在較大的差異。因此在運用石坎截坡開階蓄滲型防護設計時，也應當堅持因地制宜的原則，在深入調查和充分了解下墊面特征值的情況下，設計多種防護方案，確保取得更為理想的水土保持效果。不同下墊面坡耕地特征值如表2 所示。

表2 不同下墊面坡耕地特征值

2.2 波型坡田間攔擋壤中排水型防護技術優化

波型坡田間攔擋壤中排水型防護在建成使用的前幾年取得了較為顯著的效果，但是隨著時間的推移，泥沙淤積的情況日益嚴重，并且由于清理難度較大，擋土、排水效益也呈現出下滑趨勢。針對這一問題，提出了漿砌石淀排優化技術方案。

2.2.1 技術的設計環節。調查分析表明，波形坡面的侵蝕主要是坡谷處坡面徑流突然增大，對谷底產生較強的沖擊力，進而增加了坡面徑流中泥沙含量。因此，可以在坡谷處修建攔擋工程，既可以起到減緩坡面徑流流速的效果，同時又能夠保護谷底的坡面不受沖擊，使坡面徑流中泥沙含量顯著降低。最后通過排水通道只流出清水，而少量的泥沙被堆積在石坎的下方。既可以提高防護效果，后期還能很方便的清理淤積的泥沙。

2.2.2 監測結果。選取某個使用波型坡田間攔擋壤中排水型防護的坡面，從中間一分為二，一側維持原狀，作為對照小區；另一側進行技術優化，作為試驗小區，選擇兩次降雨天氣下坡面徑流情況，如表3 所示。

表3 漿砌石淀排小區次徑流、侵蝕情況

在上表中的兩個時間點中，6 月26 日降雨量為24.7mm，平均降雨強度為35.4mm/h；6 月29 日降雨量為51.7mm，平均降雨強度為12.5mm/h。結合上表中的其他數據可以發現，使用普通波型坡田間攔擋壤中排水型防護的對照小區，在26 日降雨強大較大的情況下，凈流量和產沙量較大。而經過技術優化后的試驗區，同等條件下徑流量和產沙量均為0，說明有較為明顯的改良效果。除此之外，由于整個觀測小區均采用坡織物下墊面，加上坡面植被覆蓋率較高，因此29 日的總降水量雖然較26 日有所上升，但是因為降雨強度小，兩個小區均徑流量和產沙量。說明波型坡田間攔擋壤中排水型防護在普通降水情況下可以取得理想的防護效果。

3 結論

（1）直坡型田間攔擋壤中排水技術和波狀坡型田間工程攔擋壤中排水技術均可以取得理想的防護功效；（2）結合坡面徑流特點實施工程“截、滲或截、滲、排”的思路，提出了直坡型石坎截坡開階蓄滲技術；（3）針對“濾”不穩定，維護困難的問題，提出了對坡面徑流泥沙實施“攔、淀、排”的思路，提出了波狀坡型漿砌石淀排攔擋壤中排水技術。