沟头防护工程
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发布时间：2022-04-29 06:25
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时间：2022-06-20 15:50
一、标准条款
1 总则
1.1 沟头防护工程应在以小流域为单元的全面规划、综合治理中，与谷坊、淤地坝等沟壑治理措施互相配合，形成防护体系，以取得综合控制沟壑发展的效果。
1.2 修建沟头防护工程的重点位置应为:沟头以上坡面有回流集中，易引起沟头前进和扩张的地方。
1.3 沟头防护工程的主要任务应为:阻止坡面暴雨径流由沟头进入沟道，阻止沟头前进，保护地面不被沟壑割切破坏。
1.4 当坡面来水不仅集中于沟头，同时在沟边另有多处径流分散进入沟道时，应在修建沟头防护工程的同时，围绕沟边，全面地修建沟边埂，阻止坡面径流进入沟道。
1.5 沟头防护工程的防御标准为10年一遇3～6h最大暴雨。可根据各地不同降雨情况，分别采取当地最易产生严重水土流失的短历时，高强度暴雨。
1.6 当沟头以上集水区面积较大(10hm2以上)时，应布设相应的治坡措施与小型蓄水工程，以减少地表径流汇集到沟头。
2 布局
2.1 蓄水型沟头防护工程
2.1.1 围埂式，在沟头以上3～5m处，围绕沟头修筑土埂，拦蓄上部来水，阻止径流进入沟道。
2.1.2 围埂蓄水池式。当沟头以上来水量单靠围埂不能全部拦蓄时，在围埂以上靠近低洼处，修建蓄水池，拦蓄部分坡面来水，配合围埂，共同防止径流进入沟道。
2.2 排水型沟头防护工程
2.2.1 跌水式。当沟头陡崖(或陡坡)高差较小时，用浆砌块石修成跌水，下设消能设备，水流通过跌水安全进入沟道。
2.2.2 悬臂式。当沟头陡崖高差较大时，用塑料管或陶管悬臂置于土质沟头陡坎之上，将来水跳泄下沟，沟底设消能设施。
3 设计
3.1 蓄水型沟头防护工程设计3.1.1 来水量可按公式(4－1)计算:
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:W———来水量，m3;
F———沟头以上集水面积，hm2;
R———10年一遇3～6h最大降雨量，mm;
K———径流系数。
3.1.2 围埂断面与位置
3.1.2.1 围埂应为土质梯形断面，埂高0.8～1.0m，顶宽0.4～0.5m，内外坡比各约1∶1。
3.1.2.2 围埂位置应根据沟头深度确定，一般沟头深10m以内的，围埂位置距沟头3～5m。
3.1.3 围埂蓄水量可按公式(4－2)进行计算:
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:V———围埂蓄水量，m3;
L———围埂长度，m;
B———回水长度，m;
H———埂内蓄水深，m;
i———地面比降，%。
3.1.4 沟头围埂蓄水量示意图，见图4－1。
图4－1 沟头围埂蓄水量示意图
3.1.5 当来水量大于蓄水量时，应在围埂上游附近建修蓄水池，蓄水池位置应距沟头10m以上。如地形条件允许，也可在第一道围埂上游加修第二道乃至第三道围埂。
3.2 排水型沟头防护工程设计
3.2.1 设计流量可按公式(4－3)进行计算:
水土保持综合治理系列标准宣贯教材
式中:Q———设计流量，m3/s;
I———10年一遇1h最大降雨强度，mm/h;
F———沟头以上集水面积，hm2;
K———径流系数。
3.2.2 跌水式沟头防护建筑物，应由进水口(按宽顶堰设计)陡坡(或多级跌水)、消力池、出口海漫等组成。其设计技术要求可按规范中19.2执行。
3.2.3 悬臂式沟头防护建筑物，主要用于沟头为垂直陡壁、高3～5m情况下，应由引水渠、挑流槽、支架及消能设施组成。
4 施工
4.1 蓄水型沟头防护工程施工
4.1.1 围埂式沟头防护
4.1.1.1 应根据设计要求，确定围堰(一道或几道)位置走向，作好定线。
4.1.1.2 应沿埂线上下两侧各宽0.8m左右，清除地面杂草、树根、石砾等。
4.1.1.3 应开沟取土筑埂，分层夯实。埂体干密度为1.4～1.5t/m3。沟中每5～10m修一小土垱，防止水流集中。
4.1.2 围埂蓄水池式沟头防护
4.1.2.1 应根据设计要求，确定蓄水池的位置、形式、尺寸，进行开挖。
4.1.2.2 施工技术应按GB/T16453.4中有关要求执行。
4.2 排水型沟头防护工程施工
4.2.1 跌水型沟头防护按第三节淤地坝中4.2.2规定执行
4.2.2 悬臂型沟头防护
4.2.2.1 应按设计备好管材及各种建筑材料。
4.2.2.2 跳流槽应置于沟头上地面处，先挖开地面，深0.3～0.4m，长宽各约1.0m，埋水泥板，将挑流槽固定在板上，再用土压实，并用数根木桩铆固在土中，保证其牢固。
4.2.2.3 水泥桩等下部扎根处，应铺设浆砌料石，石上开孔，将桩下部插于孔中，加以固定。扎根处应保证不因雨水冲蚀而摇动。
4.2.2.4 浆砌块石应作好清基。座底0.80m×0.8m～1.0m×1.0m，逐层向上缩小。
4.2.2.5 消能设备(筐内装石或铅丝笼装石)应先向下挖深0.8～1.0m，然后放进筐石。
4.2.2.6 消能设施应与沟道内植物和谷坊设施结合利用，不应产生破坏。
5 管理
5.1 汛前应检查维修，保证安全度汛;汛后和每次较大暴雨后，派专人到沟头防护工程巡视。发现损毁，及时补修。
5.2 围埂后的蓄水沟及其上游的蓄水池，如有泥沙淤积，应及时清除，以保持其蓄水量。
5.3 围埂顶部、边坡种植保土和固土性能强的灌木或草类，并禁止人畜破坏。
二、理解与实施
沟头防护是指为防止径流冲刷引起沟头前进和坡面蚕蚀而采取的水土保持工程措施和生物措施。本部分规定了为制止沟头前进而采取的沟头防护工程的规划、设计、施工和管理的技术要求。
(1)随着建筑材料的发展和实际应用中的安装、运输、性价比等要求，沟头防护工程部分，将旧标准中“4.2.2悬臂式。当沟头陡崖高差较大时，用木质水槽(或陶瓷管、混凝土管)悬臂置于土质沟头陡坎之上，将来水挑泄下沟，沟底设消能设施”改为“4.2.2悬臂式。当沟头陡崖高差较大时，用塑料管或陶管悬臂置于土质沟头陡坎之上，将来水挑泄下沟，沟底设消能设施”。将旧标准中“6.2.2.1用木料做挑流槽和支架时，木料应做防腐处理”改为“6.2.2.1应按设计备好管材及各种建筑材料”。将旧标准中“6.2.2.3木料支架下部扎根处，应浆砌料石，石上开孔，将木料下部插于孔中，固定。扎根处应保证不因雨水冲蚀而摇动”改为“6.2.2.3水泥桩等下部扎根处，应铺设浆砌料石，石上开孔，将桩下部插于孔中，加以固定。扎根处应保证不因雨水冲蚀而摇动”。
(2)随着工程措施间相互配套，工程措施与生物措施相互结合的发展要求，新标准GB/T16453.3—2008《水土保持综合治理技术规范沟壑治理技术》，沟头防护工程部分中增加了“6.2.2.6消能设施应与沟道内植物和谷坊设施结合利用，不应产生破坏”。
(3)根据雨量、集水面积大小和地形情况，采取的沟头防护工程措施主要分两类，即蓄水型防护工程和排水型防护工程。一般情况下，均应采用蓄水型防护工程，把水土尽可能拦蓄起来加以利用;多余水量采取排水型工程。
(4)蓄水型沟头防护工程设计应注意，一是适当确定工程与沟边的距离，以蓄水渗透不致造成崩塌及陷穴为原则，除沟埂外，涝池等蓄水较多的工程应远于沟深两倍的距离，并进行防渗处理;二是确定蓄水容积、规格尺寸和数量，要根据沟头以上流域面积、一次最大雨量及当地径流系数，算出沟头以上径流总量，使蓄水容积总量与径流总量相平衡。排水型沟头防护工程由于水流速度较快，特别是出口处，要用质量较高的材料;设计跌水型的水头落差一般不宜超过3m，悬臂型工程下部水流冲力较大，沟底要堆放足够的礓石或料石消能，以防冲刷。
(5)围埂式沟头防护工程在施工中，由于沟道两侧不是水平面，蓄水沟不能连续开挖，一般每隔5m左右留0.5～0.8m的挡水埂，防止径流集中，造成冲刷。
(6)沟头防护处于最上游，因此每次降雨后都要进行检查，有损失的地段必须立即修复，否则将对沟道的其他防护工程造成威胁;工程内淤积的泥沙要及时清除，沟头周边的林草植被要尽力保护。
三、示例
沟头防护的形式有多种，示例一根据工程自然概况考虑了5种沟头防护工程的方式，并进行了比较，结合实际情况，选择既经济又实用的方案来进行沟头防护;示例二根据当地丰富的原材料———柳条和草皮来修建沟头防护工程，并且采用工程措施和生物措施相结合的方式来治沟。
示例一:蓄水竖井陡坡排水式沟头防护工程
1.工程地自然概况
该工程面积34hm2，地处黄土丘陵阶地区，土壤为粉沙性黄土疏松多孔，湿陷性强。由于径流不断的冲刷侵蚀，沟道向长、深、宽发展，规模愈来愈大，目前，已发展成为长1000m，宽60m，深30m的冲沟。沟坡呈上陡下缓的地形特点，由于黄土的直立性强，上部几乎为悬崖峭壁，下部坡脚处较缓，坡比大约为1∶1.5～1∶3.3。沟边分布着犬牙相错的沟头，由于溯源起侵蚀的作用，沟头向村庄内延伸。
2.布局
方案一，沟埂式:在沟头以上坡面上修筑与沟边大致平行的若干道封沟埂，同时在距封沟埂上方1.0～1.5m处开挖与封沟埂大致平行的蓄水沟，拦截与蓄存汇集而来的地表径流。该方案适用于沟头以上坡面汇水面积较小，来水量不大的情况。现已测算出沟头以上汇水面积34hm2，因此汇水面积偏大，来水量多，该方案不可取。
方案二，围埂蓄水池式:在沟头以上坡面与沟边大致平行开沟筑埂，并在较平缓低洼地段，开挖蓄水池群，各个蓄水池互相连通，组成连环池。该方案适于汇水面积较大，来水量较多，且有合适开挖蓄水池的地段。该村人口活动密集，沟边又临近学校和舞台，不宜修建更多更大的蓄水池。故该方案不可取。
方案三，悬臂排水式:在沟头上方水流集中的跌水边缘，用木板、石板或混凝土板等作成槽状，使水流通过水槽直接下泄到沟底，不让水流冲刷跌水臂，沟底设消能措施。该方案适用于跌差不大的沟道，否则必须做很坚固的消力池，建筑物的造价高，不经济。而该沟跌差约30m，水流跌落能量较大，故不可取。
方案四，陡坡排水式:原工程就是这种形式。由于当地土壤为粉沙性黄土，疏松多孔，易入渗，湿陷性强，沟岸又太陡，导致陡坡渠道地基不稳定，易被洪水冲沟而损坏。原工程两次失败的原因就在于此，另外，若考虑按1∶1削坡处理，将削去沟边以上约15m的距离，损失土地面积较多，沟边又濒临舞台和学校，威胁其安全，故不可取。
方案五，蓄水竖井陡坡排水式:依据沟岸上陡下缓的地形特点，在沟边适当距离处，垂直向下打一竖井，竖井深与陡坎大致同深，基部设消力井消能。在沟岸下部较缓那一段，依具体地形修建不同比例的陡坡排水沟渠，下设消力池消能。同时，对原有的蓄水池塘进行清淤加固，并在蓄水池塘与排水设施之间修建排水暗涵，将蓄水池容纳不下的多余径流引排到排水设施。
这样，采用蓄排结合的形式，蓄排设施相辅相成，共同抵御洪水危害。蓄水池滞蓄部分洪水，一方面减轻了排水设施的排洪负担，另一方面为有控制地泄洪做准备。采用竖井与陡坡相连接的排水形式，既克服了因土壤疏松多孔，湿陷性强，易被洪水冲沟损坏的弊端，又利用二级消能，分散了水流总能量，增强了工程安全稳定性。同时，减少了削坡带来的面积损失。且这种形式简单明了，易于施工，造价低廉，是一种经济实用的沟头防护工程。
通过以上5种方案的比较论证，最终确定蓄水竖井陡坡排水式沟头防护工程为最优方案。
3.设计
方案五蓄水竖井陡坡排水式沟头防护工程由蓄水和排水两部分组成。蓄水部分采用原有蓄水池塘，它的主要作用是先将沟头以上坡面村庄分散的地表径流汇集起来，为有控制地排入沟底做好准备。排水是该工程的主体部分。它由进口段、排水段和出口段三部分组成(图4－2)。
图4－2 沟头防护工程排水部分(单位:cm)
(1)进口段。进口段由进水暗涵和检查井组成。进水暗涵是蓄水池和排水段的连接建筑物，一端连接蓄水池出口，另一端伸入竖井内。检查井是布设在进水暗涵靠近排水段处，它起到调整两端接口的高差和转变方向的作用，同时设有拦污栅，起到拦污淤泥的作用。
(2)排水段。排水段从上到下依次由竖井、隧洞、陡坡组成。竖井和陡坡是跌水建筑物。隧洞是竖井与陡坡的连接建筑物，一端连接竖井底部的消力井，另一端与陡坡始端相连。
(3)出口段。出口段由消力池和海漫组成。消力池对陡坡下来的高速水流进行消能整理。海漫对水流的进一步消能，同时对沟底起到防冲作用。
该工程特点是:①蓄排结合。常见的沟头防护工程，要么是单纯蓄水式，要么是单纯的排水式。该工程具有蓄排结合的特点。②竖井与陡坡连接。常见的排水式沟头防护工程，要么是单纯悬臂式，要么是单纯陡坡式。该工程利用沟岸上陡下缓的地形特点，采用竖井与陡坡相连接。③该工程作为沟头防护工程，不仅对制止沟头前进起作用，而且是村庄防洪系统的组成部分。④该工程适合于土壤疏松多孔，湿陷性强且沟壑较深沟坡上部陡峻的黄土区域侵蚀沟沟头，这种形式具有在该区域推广的特点。
4.施工
工程依据沟岸上陡下缓的地形特点，在沟边适当距离处，垂直向下打一竖井，竖井深与陡坎大致同深，基部设消力井消能。在沟岸下部较缓那一段，依具体地形修建不同比例的陡坡排水沟渠，下设消力池消能。同时，对原有的蓄水池塘进行清淤加固，并在蓄水池塘与排水设施之间修建排水暗涵，将蓄水池容纳不下的多余径流引排到排水设施。该工程具有蓄排结合的特点，具体蓄、排水设计施工可参考规范。
5.管理
该工程不仅是治沟工程，而且是村庄防洪系统的组成部分，因此汛前应检查维修，保证安全度汛;汛后和每次较大暴雨后，应派专人到沟头防护工程巡视，发现损毁，及时补修。
示例二:草堡砌护柳桩编跌水防治沟头侵蚀
1.工程地自然概况
该工程地处小兴安岭余脉与松嫩平原的过渡地带，面积3559km2，海拔200～300m，气候属寒温带*性季风气候，年均气温1.2℃，主要土壤是黑土和草甸黑土。地势丘陵起伏，漫川漫岗，一般地面坡度3°～5°，坡长500～100m，汇流面积大，表土疏松，底土粘重，春季融雪期产生冻土隔层，夏秋暴雨多、强度大、侵蚀沟发展很快。
2.布局
采取工程措施和植物措施相结合的办法进行沟道防治。其具体布设是上部修土柳跌水沟头防护工程，沟底修土柳谷坊，沟岸削坡插柳栽杨种答条，做到植物封沟。对宽浅式的稳定沟，主要采用植物措施，乔灌草结合，实行植物封沟。根据当地多年的实践，沟头防护采取柳桩编篱跌水或陡坡治理黑土侵蚀区的侵蚀沟头效果较好。一是由于沟头是可以排水的，克服了蓄水式沟头防护清淤维修费工的缺点;二是黑土区盛产柳条，年产年用，可就地取材，比较经济;三是柳条成活率高，且又茂盛，可形成植物封沟，使工程措施与植物措施相结合。
谷坊是在沟道中修建的小坝，以拦泥缓流，减少沟道比降，稳定沟床，防止沟底下切和沟壑扩展的一项工程措施，它可为植物在沟床中生长提供良好的条件。根据黑土丘陵区盛产柳条的特点，以修压柳谷坊为宜。
3.设计和施工
该地盛产柳条和草皮，对排水型的沟头防护工程多采用柳桩编篱跌水、草皮切成草坐子镶护的工程形式。其具体做法是:
(1)挖基。为使防护工程建在原状土地基上，自沟掌跌坎底部向上游逐段开挖成高0.5～0.6m、水平台2.0m左右的台阶，直至沟掌跌坎顶部的地面。开挖排水渠槽的宽度视集水面积而定，一般在集水面积4～5hm2、沟头跌坎高2.0m以下的情况下，渠底宽1.0～2.0m，两侧边坡1∶1左右。
(2)打桩编篱。在每个台阶的坎底挖宽0.7m、深0.3～0.35m的基槽，以便打桩编篱作跌水护坎和铺设柳梢捆消力坑。柳桩采用柳树上砍下的新桩，长1.0～1.2m、径粗5～8cm，大头向下，用斧头砍尖，上端用锯截平，紧靠跌坎每隔0.3～0.4m将桩依次打于坎下，埋设牢固，然后用鲜活柳树枝梢自下而上桩间编篱。为使编篱密实，每编一层柳梢枝条，用木槌将柳条向下打紧。在编篱过程中，把编篱与土坎之间的间隙用厩肥填实，以便柳条生根发芽成活。编篱高度与桩顶齐平。桩篱顶部基本上与上部平台等高，唯中心桩约低于边桩5cm左右使桩篱的过水断面呈中间略低的弧形，以便水流集中，减少对侧墙的冲刷。为了提高编篱过水的抗冲能力，有的地方在桩篱顶用铁丝缠绕加固。
(3)铺设消力梢捆。编篱完成后，即可在已挖成的基槽内铺设消力梢捆。梢捆采用新砍下来的活柳枝梢，捆成粗约35cm的圆捆。铺设时，先在基底部铺厚2～3cm的厩肥，然后紧靠桩篱铺第一个梢捆，用铁棍或木杠将梢捆与桩篱挤紧并在每个捆扎处(约隔1m)钉入一个长0.9～1.0m的木桩，使基固定第二个梢捆用类似的办法挤压、固定于基坑内，梢捆底部铺填一层厩肥，是为便于部分柳条生根发芽成活，使之形成有柳丛生长的消力坑。桩篱和消力坑中的梢捆，均需嵌入两侧岸坡0.5～1.0m。
(4)铺设草堡，修筑导流埂。完成桩篱和消力坑铺设后，清除流水渠内的弃土，在渠内平台及两侧的边坡上铺砌草垫。草坐要挖取生长茂密的带土草皮，切成块状，以便铺砌并利于成活，尽快覆被流水渠槽。沟沿上部，利用开挖渠槽的弃土，在沟头防护工程两侧修筑高0.7m、顶宽0.3m的挡水埂和导流埂，使坡面径流沿渠槽排泄。
4.管理
这种沟头防护工程形式，适用于集水面积不大(4～5hm2)、沟头坎高小于2.0m的侵蚀沟头。柳、草成活后，形成活体植物防护工程，可有效地防止沟头侵蚀。这些工程在蓄水、拦泥、拦洪、减沙等方面取得了显著效益，在充分利用水土资源，开展多种经营，建设沟塘经济区中发挥了重要作用。
参考文献
王玉生，吴矿山等.2006.一种经济实用的沟头防护工程.水土保持研究，13(3):272～273.
张春山，刘志文等.2002.拜泉县侵蚀沟防治措施.东北水利水电(1):50～51.
