濟源市項目區水土流失及水土保持工程措施

李英紅

(濟源市水土保持監測站，河南 濟源 459000)

0 引言

水利工程由于自身的特殊性及復雜性，在施工過程中會存在著占用、擾動土地以及植被的情況，會不同程度造成水土流失，也會對周邊生態環境造成影響，還會對水利工程的抗洪能力和土壤保水能力造成巨大影響，因此在水利工程設計和施工過程中都要融入水土保持理念，積極采取水土保持措施，有效防治水土流失，讓水利工程建設與生態環境保護和諧發展。

2 項目區概況

濟源市2019年國家水土保持重點工程計劃安排治理坡頭鎮大溝河和白道河兩條小流域下游的部分區域。項目區土地總面積2 499.96 hm2，現有水土流失面積1 933.51 hm2，年均土壤侵蝕模數1 800 t/km2·a，年土壤侵蝕總量3.48 萬 t，現有水土流失面積占總面積的 77.34%。

3 項目區水土流失特點及成因

濟源市土壤侵蝕類型為水力侵蝕，風蝕輕微，以面蝕和淺溝蝕為主，重力侵蝕如滑坡、崩塌也有發生。水土流失特點主要有：一是量大面廣，水土流失面積占土地總面積的77.34%；二是以水蝕為主，大部分山坡存在水蝕，同時溝道存在溝蝕；三是突發性強，在遭遇強暴雨時，水土流失加劇。

造成水土流失的主要原因有：①自然因素：項目區地勢起伏較大，由北向南呈階梯降低，海拔高差200～610 m，山勢陡峻，土薄石厚，耕層淺，肥力低，水土最易流失。該區地表巖性為石灰巖，地面破碎，土壤團粒結構松散，降雨多集中在6—9月份，多以暴雨形式發生，導致侵蝕劇烈。②人為因素：由于該地區地理位置偏僻，群眾為滿足生活需要，亂棄土石廢渣等生產活動，是造成該區土壤侵蝕的主要因素。

按照《土壤侵蝕分類分級標準》《水土保持綜合治理技術規范》等技術標準對其進行水土流失分級，可分為四級：Ⅰ級，屬微度侵蝕，侵蝕模數<200 t/km2·a，面積566.45 hm2(不計入水土流失面積)；Ⅱ級，屬輕度侵蝕，侵蝕模數200～2 500 t/ km2·a，面積1 651.53 hm2，占總流失面積的66.06%；Ⅲ級，中度侵蝕，侵蝕模數在2 500～5 000 t/km2·a，面積185.07 hm2，占總流失面積的7.40%；Ⅳ級，屬強度侵蝕，侵蝕模數5 000～8 000 t/km2·a，面積96.91 hm2，占總流失面積的3.88%。

4 項目水土保持工程措施設計

4.1 蓄水池設計

4.1.1 1～2#蓄水池

4.1.1.1 排水溝設計

根據《水土保持工程設計規范》坡面截排水工程5 a一遇10 min短歷時設計暴雨。按下式進行計算：

Qm=16.67φqF

(1)

式(1)中：Qm—設計洪峰流量，m3/s；F—流域面積，km2；q—設計重現期和降雨歷時內平均降雨強度(mm/min)；φ—徑流系數，取 0.60；q根據工程所在地區，查中國5 a一遇 10 min 降雨強度q5,10等值線圖確定為 2 mm/min。計算結果見表1。

表1 排水溝水文計算成果表

排水溝按5 a一遇洪水設計，根據以上水文計算成果，排水溝設計斷面尺寸及排水溝過流特性詳見表2。

表2 排水溝設計斷面要素計算結果表

經計算選擇1#、2#排水溝底下底寬為0.50 m，上口寬1.50 m，深0.50 m，邊坡1∶1；滿足5 a一遇降水排水要求。

4.1.1.2 永久沉沙設計

永久沉沙池設在排水溝出口，永久沉沙池采用矩形體，池體采用C20混凝土襯砌，襯砌厚0.25 m。當沉沙池沉積砂石時，需及時清除。

永久沉沙池的深度計算公式：

(2)

式(2)中：hp—沉沙池的深度，m；z—沉沙池上游與下游的水面差，m；q—單寬沉沙流量，m3/s；v—淤積流速，m/s；io—沉沙池底縱坡；ip—沉沙池長度，m；hy—淤積前的設計淤積高度。

沉沙池的寬度計算公式：

(3)

式(3)中：B—沉沙池的寬度，m；Q—沉沙池的工作流量，m3/s；V1—沉沙池平均流速，m/s。

沉沙池的長度計算公式：

(4)

式(4)中：K—安全系數，取1.50；V—沉沙池首端流速，m/s；W—泥沙計算粒徑的沉降速度，m/s。

經計算，永久沉沙池斷面尺寸一般為：沉沙池池寬2.50 m，池長2.75 m，池深1.00 m。

4.1.1.3 蓄水池容積

根據水土保持國家標準 《水土保持綜合治理技術規范》2008，小型蓄排水引水工程中規定，容積計算公式：

V=(1/3-1/5)W′

W′=αFH24/1 000

(5)

式(5)中：V—蓄水池容積，m3；α—徑流系數，集雨面以山坡、道路為主取 0.40；F—集雨面面積，m2；H24—24 h最大平均降雨量，查河南省水文圖集H24=90 mm。

當集雨面以山坡、道路為主時，蓄水池容積計算見表3。

表3 1～2#蓄水池容積計算表

4.1.1.4 蓄水池設計

根據以上計算結果，1～2#蓄水池容積為300 m3，形式為長方形封閉式。蓄水池內壁平面凈尺寸為13.90 m×6.90 m，深3.50 m，側墻厚0.25 m，底板厚420.25 m，頂板厚0.18 cm，采用C25鋼筋混凝土結構，防滲標號為W4，防凍指標F150。

4.1.2 3#蓄水池

4.1.2.1 新建大口井設計

①大口井出水量計算采用以下公式：

(6)

式(6)中：Q—井的出水量(m3/d)；S—為出水量為Q時，井的水位降落值(m)；K—滲透系數(m/d)；R—影響半徑(m)；h—井中水位高度(m)； T—含水層底板到井底的距離(m)；r—井的半徑(m)。

單井控制面積計算公式：

A=QTtη(1-η1)/m

(7)

式(7)中：A—單井控制面積，hm2；Q—單井出水量，m3/h；t—設計水泵每天工作時間 h，20 h；T—設計灌水周期 d，10 d；η—灌溉水利用系數，0.81；η1—干擾抽水的水量削減系數，(取 0.15)；m—設計凈灌水定額 m3/ hm2，600 m3/ hm2。

經計算，大口井出水量及單井控制灌溉面積計算統計見表4。

表4 大口井出水量統計表

②大口井井筒壁厚設計

大口井采用大開槽法施工，壁厚按下式計算：

δ= 0.10D2+C3

(8)

式(8)中：δ—壁厚，m；D2—井筒直徑，m；C3—系數，砌石為0.18；經計算，壁厚為0.78 m，取0.80 m。

4.1.2.2 管網設計

①灌溉設計流量

根據設計灌水定額、灌溉面積、灌水周期和每天的工作時間計算灌溉設計流量，見下式：

Q設=0.67mA/(ηTt)

(9)

式(9)中：Q設—管道系統的灌溉設計流量，m3/h；η—灌溉水利用系數，取0.81；T—灌水周期，20 d；t—日灌水時間，取20 h；A—為灌溉面積，取8 hm2；m—灌水定額，取 60 mm。

經計算：Q設=14.82 m3/h；灌溉設計流量小于單井出水量，滿足設計要求。

②管網水力計算

意象，就是客觀物象經過作者獨特的情感活動而創造出來的一種藝術形象。作者對外界的事物心有所感，便將之寄托給一個所選定的具象，使之融入作者自己的某種感情色彩，并制造出一個特定的藝術天地。千百年來，意象逐漸匯聚成了中國古代詩歌一道亮麗的風景。

管徑的確定采用經濟流速法來計算。按下式計算：

(10)

式(10)中：d—管道經濟管徑,mm；Q—水泵設計流量,m3/s；v—管道經濟流速，取 1.10 m/s。

經計算得，干管計算管徑為80.16 mm，根據當地實際情況，本設計選擇鋼管，管徑為DN80。

管道水頭損失按最不利的離水源最遠的清水池進口作為驗算，管道沿程水頭損失，按下式計算：

(11)

式(11)中：hw—沿程水頭損失,m；f—管材摩阻系數；L—管長,m，以最不利點長度計算；Q—流量，m3/h；D—管道內徑,mm；m—流量指數；b—管徑指數。

③灌溉輸水系統設計揚程與水泵選型

水泵設計揚程設計揚程按下列公式計算：

Hp=h1+h2+h3+h4

(12)

式(12)中：Hp—設計揚程，m；h1—動水位至最不利點高差，m；h2—沿程水頭損失，m；h3—局部水頭損失，m；h4—自由水頭，m。

4.1.3 蓄水池設計

本次新建 3#蓄水池容積為 300 m3。

結構型式：蓄水池采用定型圖紙，形式為長方形封閉式。蓄水池內壁平面凈尺寸為13.90 m×6.90 m，深3.50 m，側墻厚0.25 m，底板厚0.25 m，頂板厚0.18 cm，濟源市2019年國家水土保持重點工程46采用C25鋼筋混凝土結構，防滲標號為W4，防凍指標F150。

4.2 漿砌石護坡設計

為保證河道兩側耕地邊坡免受來水沖刷，在有耕地的部位采用漿砌石護坡，按照耕地邊坡的具體情況，盡量沿原有坡度修建護坡。漿砌石護坡基礎采用M7.5漿砌石砌筑，厚度50 cm，寬50 cm，每20 m設置1道伸縮縫，縫寬2 cm，采用閉孔低發泡沫板填充；排水孔選用Φ75 mm PVC管，間距2 m，排水孔布設在距地面1 m處位置，單排布設。護坡采用貼坡防護，選用M7.5漿砌石護砌，厚度30 cm。共布設漿砌石護坡1 575 m，其中清澗村漿砌石護坡1 315 m，栗樹溝村漿砌石護坡260 m。

4.3 生產路設計

為方便群眾生產，滿足耕作需求，同時方便對經果林等的后期維護工作，修建田間道路。按照當地具體情況，盡量在原有道路基礎上修建，要求道路通車到田塊，路面寬3.00 m。

陡坡段坡度≤15%(8.50°)，轉彎半徑≥12 m，連續坡長不超過30 m。根據地塊坡度不同，道路與田塊相交方式不同，小于8°的坡面，道路可與田塊正交，路田布設方式呈“非”字形；當8°<坡面<12°，道路應按連續的“S”形布設，轉彎半徑>15 m；大于12°的坡面，道路與田塊斜交或呈“之”字形；C20混凝土鋪筑，厚度18 cm，每5 m布設1道縮縫，200 m布設一道脹縫；基礎采用10%石灰土置換原有基礎，具體見生產路橫斷面設計圖。生產道路布設于清澗村經濟林、水保林栽植位置。共修建生產路2 020 m。

5 結語

水利工程是涉及民生的重要工程，水土保持工作是生態環境保護的重中之重，水利工程設計和施工過程中的加強水土保持是十分必要的。文章主要分析了濟源市項目區水土流失的特點和原因，在此基礎上探析了水利工程水土保持工程措施設計，以推動項目區水利工程順利建設。