李英紅

(濟(jì)源市水土保持監(jiān)測站，河南 濟(jì)源 459000)

0 引言

水利工程由于自身的特殊性及復(fù)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(tài)環(huán)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(shè)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(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展。

2 項目區(qū)概況

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

3 項目區(qū)水土流失特點及成因

濟(jì)源市土壤侵蝕類型為水力侵蝕，風(fēng)蝕輕微，以面蝕和淺溝蝕為主，重力侵蝕如滑坡、崩塌也有發(fā)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(fā)性強(qiáng)，在遭遇強(qiáng)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(qū)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(qū)地表巖性為石灰?guī)r，地面破碎，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)松散，降雨多集中在6—9月份，多以暴雨形式發(fā)生，導(dǎo)致侵蝕劇烈。②人為因素：由于該地區(qū)地理位置偏僻，群眾為滿足生活需要，亂棄土石廢渣等生產(chǎn)活動，是造成該區(qū)土壤侵蝕的主要因素。

按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行水土流失分級，可分為四級：Ⅰ級，屬微度侵蝕，侵蝕模數(shù)<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(shù)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(shù)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(qiáng)度侵蝕，侵蝕模數(shù)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(shè)計

4.1 蓄水池設(shè)計

4.1.1 1～2#蓄水池

4.1.1.1 排水溝設(shè)計

根據(jù)《水土保持工程設(shè)計規(guī)范》坡面截排水工程5 a一遇10 min短歷時設(shè)計暴雨。按下式進(jìn)行計算：

Qm=16.67φqF

(1)

式(1)中：Qm—設(shè)計洪峰流量，m3/s；F—流域面積，km2；q—設(shè)計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)平均降雨強(qiáng)度(mm/min)；φ—徑流系數(shù)，取 0.60；q根據(jù)工程所在地區(qū)，查中國5 a一遇 10 min 降雨強(qiáng)度q5,10等值線圖確定為 2 mm/min。計算結(jié)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(shè)計，根據(jù)以上水文計算成果，排水溝設(shè)計斷面尺寸及排水溝過流特性詳見表2。

表2 排水溝設(shè)計斷面要素計算結(jié)果表

經(jīng)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(shè)計

永久沉沙池設(shè)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(dāng)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(shè)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(shù)，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(jīng)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(jù)水土保持國家標(biāo)準(zhǔn) 《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范》2008，小型蓄排水引水工程中規(guī)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(shù)，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(dāng)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(shè)計

根據(jù)以上計算結(jié)果，1～2#蓄水池容積為300 m3，形式為長方形封閉式。蓄水池內(nèi)壁平面凈尺寸為13.90 m×6.90 m，深3.50 m，側(cè)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(jié)構(gòu)，防滲標(biāo)號為W4，防凍指標(biāo)F150。

4.1.2 3#蓄水池

4.1.2.1 新建大口井設(shè)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(shù)(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(shè)計水泵每天工作時間 h，20 h；T—設(shè)計灌水周期 d，10 d；η—灌溉水利用系數(shù)，0.81；η1—干擾抽水的水量削減系數(shù)，(取 0.15)；m—設(shè)計凈灌水定額 m3/ hm2，600 m3/ hm2。

經(jīng)計算，大口井出水量及單井控制灌溉面積計算統(tǒng)計見表4。

表4 大口井出水量統(tǒng)計表

②大口井井筒壁厚設(shè)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(shù)，砌石為0.18；經(jīng)計算，壁厚為0.78 m，取0.80 m。

4.1.2.2 管網(wǎng)設(shè)計

①灌溉設(shè)計流量

根據(jù)設(shè)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(shè)計流量，見下式：

Q設(shè)=0.67mA/(ηTt)

(9)

式(9)中：Q設(shè)—管道系統(tǒng)的灌溉設(shè)計流量，m3/h；η—灌溉水利用系數(shù)，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(jīng)計算：Q設(shè)=14.82 m3/h；灌溉設(shè)計流量小于單井出水量，滿足設(shè)計要求。

②管網(wǎng)水力計算

意象，就是客觀物象經(jīng)過作者獨(dú)特的情感活動而創(chuàng)造出來的一種藝術(shù)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(shù)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(fēng)景。

管徑的確定采用經(jīng)濟(jì)流速法來計算。按下式計算：

(10)

式(10)中：d—管道經(jīng)濟(jì)管徑,mm；Q—水泵設(shè)計流量,m3/s；v—管道經(jīng)濟(jì)流速，取 1.10 m/s。

經(jīng)計算得，干管計算管徑為80.16 mm，根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況，本設(shè)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(yuǎn)的清水池進(jìn)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(shù)；L—管長,m，以最不利點長度計算；Q—流量，m3/h；D—管道內(nèi)徑,mm；m—流量指數(shù)；b—管徑指數(shù)。

③灌溉輸水系統(tǒng)設(shè)計揚(yáng)程與水泵選型

水泵設(shè)計揚(yáng)程設(shè)計揚(yáng)程按下列公式計算：

Hp=h1+h2+h3+h4

(12)

式(12)中：Hp—設(shè)計揚(yáng)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(shè)計

本次新建 3#蓄水池容積為 300 m3。

結(jié)構(gòu)型式：蓄水池采用定型圖紙，形式為長方形封閉式。蓄水池內(nèi)壁平面凈尺寸為13.90 m×6.90 m，深3.50 m，側(cè)墻厚0.25 m，底板厚0.25 m，頂板厚0.18 cm，濟(jì)源市2019年國家水土保持重點工程46采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防滲標(biāo)號為W4，防凍指標(biāo)F150。

4.2 漿砌石護(hù)坡設(shè)計

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

4.3 生產(chǎn)路設(shè)計

為方便群眾生產(chǎn)，滿足耕作需求，同時方便對經(jīng)果林等的后期維護(hù)工作，修建田間道路。按照當(dāng)?shù)鼐唧w情況，盡量在原有道路基礎(chǔ)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(zhuǎn)彎半徑≥12 m，連續(xù)坡長不超過30 m。根據(jù)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(shè)方式呈“非”字形；當(dāng)8°<坡面<12°，道路應(yīng)按連續(xù)的“S”形布設(shè)，轉(zhuǎn)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(shè)1道縮縫，200 m布設(shè)一道脹縫；基礎(chǔ)采用10%石灰土置換原有基礎(chǔ)，具體見生產(chǎn)路橫斷面設(shè)計圖。生產(chǎn)道路布設(shè)于清澗村經(jīng)濟(jì)林、水保林栽植位置。共修建生產(chǎn)路2 020 m。

5 結(jié)語

水利工程是涉及民生的重要工程，水土保持工作是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重中之重，水利工程設(shè)計和施工過程中的加強(qiáng)水土保持是十分必要的。文章主要分析了濟(jì)源市項目區(qū)水土流失的特點和原因，在此基礎(chǔ)上探析了水利工程水土保持工程措施設(shè)計，以推動項目區(qū)水利工程順利建設(shè)。