新疆石河子市南部山區溝道治理谷坊設計

石江琳

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 石河子 832000）

1 項目區概況

新疆地處歐亞大陸腹地,遠離海洋,干旱少雨,風多風大,是全國水土流失面積最大的省區。根據第一次全國水利普查水土保持公報數據成果,新疆水土流失總面積88.54萬km2,占全國水土流失面積的30%,占全疆國土面積的53%,其中水力侵蝕面積8.76萬km2,風力侵蝕面積79.78萬km2。第八師規劃選擇洞子渠一四三團石南社區段（以下稱“洞子渠”）兩側沖溝區域作為水土保持治理范圍,開展洞子渠沿線沖溝治理工作,逐步改善生態環境,以達到保護洞子渠渠道安全、保護下游灌區、提高綠洲農業經濟和改善人居環境的目的。

綜合考慮,本次水土保持生態環境綜合治理項目選擇洞子渠沿線區域,本項目主要為溝道治理[1],工程措施多為點狀工程,項目區治理保護范圍面積約為14.47 km2。

本次溝道治理采用多級谷坊的治理方式。谷坊工程最根本的作用是制止溝頭前進、溝底下切和溝岸擴張,從而控制溝谷發育。因此總體布局主要是依據溝道實際情況,系統的布設谷坊群,一般情況下,其布局為自溝頭開始逐級向下布設（但考慮到施工條件,有些溝道溝頭無法施工,則選擇具備條件溝段）[2],首先篩選下切劇烈、溝岸擴張比較嚴重的溝段,布設時盡量放在各坡面小沖溝下游,同時避開天然跌坎等地形突變處,除此之外,遵循“頂底相照”的原則布置即可[3]。

2 溝道治理措施布局

根據現場查看,本次綜合治理工程主要依托現有自然沖溝進行建筑物布置。

1#溝治理長度為1.99 km。結合現狀溝道的水土流失情況,1#溝存在的問題主要是與洞子渠交叉處過水涵洞上下游邊坡水蝕嚴重,邊坡上緩下陡,邊坡不穩定,邊坡垮塌現象時常發生。主要選擇的工程治理措施為邊坡防護措施,護坡長度0.3 km,主要分布于過水涵洞上游西岸0.2 km,下游兩岸各0.05 km。

2#溝治理長度為1.168 km。結合現狀溝道的水土流失情況,2#溝存在的問題主要是：①溝頭至洞子渠交叉口處,溝道縱坡陡峻,水流沖刷嚴重,不斷切割,溝底寬度從上游的1.6 m漸變為15 m。溝深水急,導致邊坡失穩垮塌頻繁,泥石流沿溝底沖至洞子渠交叉口。②由于與洞子渠交叉處過水渡槽過流能力不足,導致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影響下游灌溉。主要選擇的工程治理措施為谷坊和排導工程。主要布置在 0+566.53、0+609.11、0+662.7、0+706.4 處設谷坊4座,與洞子渠交匯處0+763排導工程1座。

3#溝治理長度為1.622 km。結合現狀溝道的水土流失情況,3#溝存在的問題主要是：①溝頭至洞子渠交叉口處,溝道縱坡陡峻,水流沖刷嚴重,不斷切割,溝底寬度從上游的0.6 m漸變為23 m。溝深水急,導致邊坡失穩垮塌頻繁,泥石流沿溝底沖至洞子渠交叉口,造成大量水土流失。②由于與洞子渠交叉處過水渡槽過流能力不足,導致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影響下游灌溉。主要選擇的工程治理措施為谷坊和排導工程。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處設谷坊9座,與洞子渠交匯處1+134排導工程1座。

4#溝治理長度為 0.924 km。結合現狀溝道的水土流失情況,4#溝存在的問題主要是：①溝頭至洞子渠交叉口處,溝道縱坡陡峻,水流沖刷嚴重,不斷切割,溝底寬度從上游的1 m漸變為23.9 m。溝深水急,導致邊坡失穩垮塌頻繁,泥石流沿溝底沖至洞子渠交叉口,造成大量水土流失。②由于與洞子渠交叉處過水渡槽過流能力不足,導致泥石流及洪水翻入洞子渠,造成洞子渠淤堵,影響下游灌溉。主要選擇的工程治理措施為谷坊和排導工程。主要布置在0+773.64、0+823、0+873.83處設谷坊3座,與洞子渠交匯處0+900排導工程1座。

3 工程等級及設計標準

依據《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）劃分,谷坊為5級工程,防洪標準5年一遇。根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）的劃分,工程區地震動峰值加速度為0.20g,反應譜特征周期0.45 s（相應地震基本烈度為Ⅷ度）。依據《水工建筑物抗震設計規范》,一般采用基本烈度作為設計烈度,因此,本工程設計烈度為Ⅷ度。

4 谷坊結構型式選擇

根據《水土保持綜合治理技術規范——溝壑治理技術》（GB/T 16453.3-2008）和《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）有關規定,谷坊的結構形式可采用干砌石谷坊、漿砌石谷坊、石籠谷坊、土谷坊、編織袋谷坊、柳樁編籬型植物谷坊等結構型式。根據項目區地質情況,地層主要為黃土、低液限粉土,因此選擇土谷坊、石籠谷坊、編織袋谷坊、柳樁編籬型植物谷坊進行比選。

4.1 方案1：土谷坊

根據《水土保持工程設計規范》有關規定,本次設計谷坊頂寬2 m,谷坊高1 m。根據地質資料及施工要求,臨水坡坡比取1∶3,全斷面采用現澆混凝土板襯砌。

4.2 方案2：石籠谷坊

根據《水土保持工程設計規范》有關規定,石籠谷坊尺寸擬定為,壩高1 m,頂寬為2 m,呈“品”字形布置。石籠采用格賓石籠,石籠規格為2 m×1 m×0.5 m。

4.3 方案3：編織袋谷坊（植生袋谷坊）

根據《水土保持工程設計規范》有關規定,編織袋谷坊尺寸擬定為,壩高1 m,頂寬為1.0 m,迎水坡坡比為1∶1.2,背水坡波比為1∶3。編織袋可采用植生袋,袋內裝有草籽植生土。

4.4 方案四柳樁編籬型植物谷坊

根據《水土保持工程設計規范》有關規定,柳樁編籬型植物谷坊尺寸擬定為：①在溝中已定谷坊位置,柳樁布設3排,排距取1 m,樁距取0.3 m,相鄰兩排柳樁呈“品”字行布置,樁長2.0 m,埋深取1 m。②排籬間填入卵石,并用捆扎柳梢蓋頂,相鄰排樹樁宜用鐵絲固定綁牢。

方案比選時,選用2#溝1座工程量進行比較,其比較結果見表1。

表1 谷坊結構型式比較表

方案比較：①從工程適用性看,四種結構型式在相應工程應用都較多,都是可行的。②從耐久性來看,四個方案均為臨時谷坊。③從抗沖方面來看,石籠谷坊耐抗沖能力最強、土谷坊次之、再次是編織袋谷坊、最后是柳樁編籬型植物谷坊。④從施工上來說,編織袋谷坊和石籠谷坊最簡單,其次是柳樁編籬型植物谷坊,但其施工質量難以保證,土谷坊施工最復雜。⑤從生態的角度來看,柳樁編籬型植物谷坊最好,其次是編織袋谷坊、然后是石籠谷坊和土谷坊。⑥從景觀協調性來看,柳樁編籬型植物谷坊最好,其次是編織袋谷坊、然后是石籠谷坊和土谷坊。⑦從投資上來看,植生袋谷坊最便宜、土谷坊次之、柳樁谷坊最貴。

由于本區域無谷坊成功經驗借鑒,因此本次設計選用景觀協調性好、生態恢復性高、適應性強、投資小的編織袋（植生袋）谷坊和柳樁編籬型植物谷坊。

5 谷坊設計

5.1 確定谷坊位置

谷坊工程應修建在溝底比降較大（一般5%～10%）的溝段,溝底下切劇烈的溝段。根據地形條件,進行布設谷坊,使得溝道從上之下依次布設工程措施。

5.2 谷坊間距計算

下一座谷坊與上一座谷坊之間的水平距離按下式計算：

式中：L為谷坊間距,m；H為谷坊底到溢水口底高度,m；i為原溝床比降,%；i'為谷坊淤滿后比降,%。

不同淤積物質,淤滿后形成的不沖比降,見表2。

表2 不同淤積物質比降

通過計算確定谷坊間距后,選擇合適的間距,見表3,間距值統一取50 m。

表3 谷坊間距計算表

5.3 谷坊壩高設計

谷坊的主要作用是蓄滯一定的洪水,改善周邊生態環境,修建過高的谷坊可能造成洪水漫溢改道,不利于洪水蓄積、利用。根據不同的谷坊類型,高度不一樣,由于本次為實驗區,因此統一選擇壩高1 m。

5.4 谷坊堤頂寬度設計

根據《水土保持工程設計規范》的規定：根據不同的谷坊類型要求不同,編織袋谷坊頂寬取1.05 m,柳樁編籬植物谷坊頂寬3 m。

5.5 溢洪口設計

谷坊的溢洪口設置在壩頂,上下兩座谷坊的溢洪口左右交錯布置。溢洪口設計洪水流量,采用水文章節中防洪重現期10年的情況下的洪水流量?？紤]到洪水泥沙含量較大,以及洪水期的過洪能力要求,本次設計,堰上水深大于0.5 m。溢流口寬度依照下式計算。計算結果,見表4。

表4 谷坊溢洪口計算表

式中：B為溢洪口底寬,m；H0為包括行進流速水頭的堰前水頭,m；M為自由溢流的流量系數；σs為側收縮系數；σc為淹沒系數。

5.6 蓄水量計算

谷坊蓄水量依照下式計算。計算結果,見表5。

表5 蓄水量計算表

式中：V為蓄水量,m3；L為谷坊壩長,m；B為回水長度,m；H為蓄水深,m；I為地面比降,%。

5.7 橫斷面設計

2#溝谷坊采用植生袋谷坊。谷坊的頂寬為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,植生袋之間采用連接扣連接,使植生袋成為一個整體。谷坊高度1 m,谷坊基礎埋置深度取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,溢洪口末端連接50 cm厚格賓石籠消能防沖段,格賓石籠下設150 g/m2的無紡布。

3#溝、4#溝谷坊采用柳樁編籬植物谷坊,柳樁布設3排,排距取1 m,樁距取0.3 m,相鄰兩排柳樁呈“品”字行布置,樁長2.0 m,埋深取1 m。排籬間填入卵石,并用捆扎柳梢蓋頂,相鄰排樹樁宜用鐵絲固定綁牢。

6 結論

通過對石河子市南部山區溝道治理項目介紹,針對溝道治理的實際情況最終選擇了景觀協調性好、生態恢復性高、適應性強、投資小的編織袋（植生袋）谷坊和柳樁編籬型植物谷坊,并詳細闡述了谷坊設計內容。當前該項目施工已經完成,并投入使用,通過實際使用來看,具有明顯效果。